آنالیز تعادل ترمودینامیکی تولید هیدروژن به روش فرایند ریفورمینگ خشک متان با استفاده از روش حداقل سازی انرژی آزاد گیبس

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 گروه مهندسی شیمی،پلیمر و مواد، مرکز آموزش عالی فنی و مهندسی بویین زهرا، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

چکیده

در این مقاله، آنالیز تعادل ترمودینامیکی فرایند ریفورمینگ خشک متان، به منظور افزایش میزان انتخاب‎پذیری هیدروژن، حذف کربن و تنظیم نسبت H2/CO، توسط نرم­ افزار اسپن­پلاس انجام شد. محاسبه‌های تعادلی با به ­کارگیری روش حداقل­ سازی انرژی آزاد گیبس صورت گرفت. تأثیر نسبت مولی CO2/CH4 (0-6)، فشار ( bar20- 5/0) و دمای واکنش (K300-1100) بر روی میزان تبدیل تعادلی، انتخاب­ پذیری فراورده‌ها و تشکیل کربن ارزیابی شد. نتیجه‌های به دست آمده نشان داد که افزایش دما و کاهش نسبت مولی CO2/CH4  تأثیر مثبتی برروی میزان انتخاب­ پذیری هیدروژن دارد، به‌طوری که  در نسبت مولی کم‌تر از یک CO2 /CH4  و بازه دمایی بالای K 1000، میزان انتخاب­ پذیری هیدروژن به مرز 100 درصد می رسد. در مقابل، با افزایش فشار در دمای ثابت، از میزان انتخاب پذیری هیدروژن کاسته می‌شود و این امر بیانگر تأثیر منفی فشار بر میزان انتخاب‌پذیری هیدروژن است. کربن اصلی­ ترین فراورده جانبی ناخواسته فرایند ریفورمینگ خشک متان است که به منظور بهینه­ سازی شرایط عملیاتی، حذف آن ضروری است. در نسبت 6-1 = CO2/CH4، با افزایش دما و به ­ویژه در بازه دمایی K300-1000، میزان تشکیل کربن با سیر نزولی رو به کاهش است، اما با  افزایش فشار، میزان تولید کربن روند صعودی دارد. علاوه ­بر این، تنظیم نسبت H2/CO  گاز سنتز  به منظور استفاده در فرایندهای گوناگون مورد بررسی قرار گرفت که می­ توان با تغییر نسبت CO2/CH4   و تغییرهای فشار و دما به مقدار دلخواه رسید. نتیجه‌ها حاکی از آن است که بازه دمایی K1000 - 1100، نسبت مولی 5/1-1 = CO2/CH4  و بازه فشار bar 1 - 5/0، شرایط عملیاتی بهینه برای تولید هیدروژن به روش فرایند ریفورمینگ خشک متان است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Aramouni N.A.K., Zeaiter J., Kwapinski W., Ahmad M.N., Thermodynamic Analysis of Methane Dry Reforming: Effect of the Catalyst Particle Size on Carbon Formation, Energy Convers. Manag., 150: 614–622 (2017).
[2] Turap Y., Wang I., Fu T., Wu Y., Wang Y., Wang W., Co–Ni Alloy Supported on CeO2 as a Bimetallic Catalyst for Dry Reforming of Methane, Int. J. Hydro. Ener., 45(11): 6538–6548 (2020).
[3] He X., Liu L., "Thermodynamic Analysis on the CO2 Conversion Processes of Methane Dry Reforming for Hydrogen Production and CO2 Hydrogenation to Dimethyl Ether", IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1st International Global on Renewable Energy and Development (IGRED 2017) 22–25 December, Singapore, (2017).
[4] Bach V.R., de Camargo A.C., de Souza T.L., Cardozo-Filho L., Alves H.J., Dry Reforming of Methane over Ni/MgO–Al2O3 Catalysts: Thermodynamic Equilibrium Analysis and Experimental Application, Int. J. Hydrogen Energy, 45(8): 5252–5263 (2020).
[5] Lu, C., Xu, R., khan Muhammad, I., Zhu, X., Wei, Y., Qi, X., & Li, K., Thermodynamic Evolution of Magnetite Oxygen Carrier via Chemical Looping Reforming of Methane, J. Nat. Gas Sci. Eng., 85: 103704 (2021).
[6] Pham, T.P., Ro, K.S., Chen, L., Mahajan, D., Siang, T.J., Ashik, U.P.M., Hayashi, J.I., Pham Minh, D. and Vo, D.V.N., Microwave-Assisted Dry Reforming of Methane for Syngas Production: a Review, Environ. Chem. Lett., 18: 1987-2019 (2020).
[7] Chein R.-Y., Hsu W.-H., Thermodynamic Analysis of Syngas Production via Chemical Looping Dry Reforming of Methane, Energy, 180: 535–547 (2019).
[8] Aghaali M.H., Firoozi S., Enhancing the Catalytic Performance of Co Substituted NiAl2O4 Spinel by Ultrasonic Spray Pyrolysis Method for Steam and Dry Reforming of Methane, Int. J. Hydrogen Energy, 46(1): 357–373 (2021).
[9] Cao P., Adegbite S., Zhao H., Lester E., Wu T., Tuning Dry Reforming of Methane for FT Syntheses: A Thermodynamic Approach, Appl. Energy, 227: 190–197 (2018).
[10] Chein R.Y., Hsu W.H., Yu C.T., Parametric Study of Catalytic Dry Reforming of Methane for Syngas Production at Elevated Pressures, Int. J. Hydrogen Energy, 42(21): 14485–14500 (2017).
[11] Bhattar S., Abedin M.A., Kanitkar S., Spivey J.J., A Review on Dry Reforming of Methane over Perovskite Derived Catalysts, Catal. Today, 365: 2–23 (2021).
[12] Marinho A.L.A., Rabelo-Neto R.C., Epron F., Bion N., Toniolo F.S.,  Noronha F.B., Embedded Ni Nanoparticles in CeZrO2 as Stable Catalyst for Dry Reforming of Methane, Appl. Catal. B Environ., 268: 118387 (2020).
[13] Bian Z., Zhong W., Yu Y., Wang Z., Jiang B., Kawi S., Dry Reforming of Methane on Ni/Mesoporous-Al2O3 Catalysts: Effect of Calcination Temperature, Int. J. Hydrogen Energy, 46(60): 31041-31053 (2021).
[14] Nikoo M.K., Amin N.A.S., Thermodynamic Analysis of Carbon Dioxide Reforming of Methane in View of Solid Carbon Formation, Fuel Process. Technol., 92(3): 678–691 (2011).
[15] Swapnesh A., Srivastava V.C., Mall I.D., Comparative Study on Thermodynamic Analysis of CO2 Utilization Reactions, Chem. Eng. Technol., 37(10): 1765–1777 (2014).
[16] Jafarbegloo M., Tarlani A., Mesbah A.W., Sahebdelfar S., Thermodynamic Analysis of Carbon Dioxide Reforming of Methane and its Practical Relevance, Int. J. Hydro. Ener., 40(6): 2445–2451 (2015).
[17] Aramouni  N.A.K., Touma J.G., Tarboush B.A., Zeaiter J., Ahmad M.N., Catalyst Design for Dry Reforming of Methane: Analysis Review, Renew. Sustain. Energy Rev., 82: 2570–2585 (2018).
[18] Chein R.Y., Chen Y.C., Yu C.T., Chung J.N., Thermodynamic Analysis of Dry Reforming of CH4 with CO2 at High Pressures, J. Nat. Gas Sci. Eng., 26: 617–629 (2015).
[19] Cao P., Adegbite S., Wu T., Thermodynamic Equilibrium Analysis of CO2 Reforming of Methane: Elimination of Carbon Deposition and Adjustment of H2/CO Ratio, Energy Procedia, 105: 1864–1869 (2017).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار