ارزیابی اثر دما، نسبت بخار به متان، فشار و سرعت فضایی در فرآیند ریفرمینگ بخار متان با کاتالیست‌های نیکل و رادیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

2 استادیار، پردیس مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

چکیده

فرآیند ریفرمینگ بخار متان بالاترین بازدهی را نسبت به سایر روش‌های تولید هیدروژن دارد. نقش دما، فشار، نسبت بخار به کربن ورودی، سرعت فضایی و کاتالیست در انجام این فرآیند دارای اهمیت است. در تحقیق حاضر، یک حل عددی با استفاده از نرم‌افزار منبع باز کانترا در محیط برنامه‌نویسی پایتون، برای تولید گاز سنتز و هیدروژن به روش ریفرمینگ بخار متان در حضور دو کاتالیست نیکل و رادیوم ارائه می‌گردد. مدل‌سازی در محدوده گسترده دمایی 600-1300 کلوین، نسبت بخار به کربن ۲-۴، فشار ۲۵/0-۴ بار و سرعت فضایی (GHSV) ۱5٠-120000 بر ساعت انجام می‌شود. نتایج نشان می‌دهد محدوده مناسب برای تولید گاز سنتز و هیدروژن در حضور کاتالیست نیکل و رادیوم محدوده دما ۱۰0۰-۱۳۰۰ کلوین، فشار ۱-2 بار و سرعت فضایی 5۰۰٠-۱5۰۰٠ بر ساعت و نسبت بخار به کربن به ترتیب برابر با 5/2-3 و ۳-۵/۳ است. در شرایط یکسان عملکردی به دلیل فعالیت بیشتر کاتالیست رادیوم نسبت به نیکل، تولید هیدروژن در حضور آن کاتالیست بیشتر است، اما با توجه به عملکرد مشابه و قابل‌قبول کاتالیست‌های رادیوم و نیکل در شرایط بهینه، به دلیل مقرون‌به‌صرفه و در دسترس بودن، کاتالیست نیکل مناسب‌تر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • S. A. and Sadhukhan J., Process intensification aspects for steam methane reforming: An overview, AIChE Journal, 2009.
  • Nikolaidis P. and Poullikkas A., A comparative overview of hydrogen production processes, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017.
  • Palma V., Ricca A., Meloni E., Martino M., Miccio M. and Ciambelli P., Experimental and numerical investigations on structured catalysts for methane steam reforming intensification, Journal of Cleaner Production, 2016.
  • Kuncharam B. V. R. and Dixon A. G., Multi-scale two-dimensional packed bed reactor model for industrial steam methane reforming, Fuel Processing Technology, 2020.
  • Saeidi S., Fazlollahi F., Najari S., Iranshahi D., Klemeš J. J. and Baxter L. L., Hydrogen production: Perspectives, separation with special emphasis on kinetics of WGS reaction: A state-of-the-art review, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2017.
  • Cao C., Zhang N., Chen X. and Cheng Y., A comparative study of Rh and Ni coated microchannel reactor for steam methane reforming using CFD with detailed chemistry, Chemical Engineering Science, 2015.
  • Xu J. and Froment G. F., Methane Steam Reforming, Methanation and Water-Gas Shift: 1. Intrinsic Kinetics, 1989.
  • Wang X. and Gorte R. J., A study of steam reforming of hydrocarbon fuels on Pd/ceria, Applied Catalysis A: General, 2002.
  • Zhu T., Van Grootel P. W., Filot I. A. W., Sun S.-G., R. A. Van Santen and Hensen E. J. M., Microkinetics of steam methane reforming on platinum and rhodium metal surfaces, Journal of Catalysis, 2013.
  • German E. D. and Sheintuch M., Methane steam reforming rates over Pt, Rh and Ni(111) accounting for H tunneling and for metal lattice vibrations, Surface Science, 2017.
  • Numaguchi T. and Kikuchi K., Intrinsic Kinetics and design simulation in a complex reaction network, steam-methane reforming, in Tenth International Symposium on Chemical Reaction Engineering, Bourne J. R., Regenass W., and Richarz W., 1988.
  • Rakass S., Oudghiri-Hassani H., Rowntree P. and Abatzoglou N., Steam reforming of methane over unsupported nickel catalysts, Journal of Power Sources, v 2006.
  • Abbas S. Z., Dupont V. and Mahmud T., Kinetics study and modelling of steam methane reforming process over a NiO/Al2O3 catalyst in an adiabatic packed bed reactor, International Journal of Hydrogen Energy, 2017.
  • Vásquez Castillo J. M., Sato T. and Itoh N., Microkinetic Analysis of the Methane Steam Reforming on a Ru-Supported Catalytic Wall Reactor, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017.
  • David G. Goodwin R. L. S., Harry K. Moffat and Bryan W. Weber, Cantera: An object-oriented software toolkit for chemical kinetics, thermodynamics, and transport processes, ed: https://www.cantera.org, 2021.
  • Raja L. L., Kee R. J., Deutschmann O., Warnatz J. and Schmidt L. D., A critical evaluation of Navier–Stokes, boundary-layer, and plug-flow models of the flow and chemistry in a catalytic-combustion monolith, Catalysis Today,2000.
  • Kee R. J., Coltrin M. E. and Glarborg P., Chemically Reacting Flow: Theory and Practice. Wiley, 2005.
  • Thormann J., Maier L., Pfeifer P., Kunz U., Deutschmann O. and Schubert K., Steam reforming of hexadecane over a Rh/CeO2 catalyst in microchannels: Experimental and numerical investigation, International Journal of Hydrogen Energy, 2009.
  • O'hayre R., Cha S.-W., Colella W. and Prinz F. B., Fuel cell fundamentals. John Wiley & Sons, 2016.
  • Delgado K. H., Maier L., Tischer S., Zellner A., Stotz H. and Deutschmann O., Surface Reaction Kinetics of Steam- and CO2-Reforming as Well as Oxidation of Methane over Nickel-Based Catalysts, Catalysts, 2015.
  • Maier L., Schädel B., Herrera Delgado K., Tischer S. and Deutschmann O., Steam Reforming of Methane Over Nickel: Development of a Multi-Step Surface Reaction Mechanism, Topics in Catalysis, 2011.
  • Karakaya C., Maier L. and Deutschmann O., Surface Reaction Kinetics of the Oxidation and Reforming of CH4 over Rh/Al2O3 Catalysts, International Journal of Chemical Kinetics, 2016.
  • Ryu J.-H., Lee K.-Y., La H., Kim H.-J., Yang J.-I. and Jung H., Ni catalyst wash-coated on metal monolith with enhanced heat-transfer capability for steam reforming, Journal of Power Sources, 2007.
  • Schädel B. T., Duisberg M. and Deutschmann O., Steam reforming of methane, ethane, propane, butane, and natural gas over a rhodium-based catalyst, Catalysis Today, 2009.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار