بررسی تولید هیدروژن از طریق ریفورمینگ متان در رآکتورهای مونولیتی با استفاده از روش‌های CFD

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسنده

پژوهشکده گاز، پژوهشگاه صنعت نفت، کد پستی 1485613111، تهران، ایران.

چکیده

در این تحقیق انجام واکنش ریفورمینگ متان روی‌ کاتالیست Ni جهت تولید هیدروژن در مایکرو رآکتور با استفاده از مدل‌سازی‌ ریاضی‌ بررسی‌شده است. مدل‌سازی‌ ریاضی‌ با استفاده از روش‌های‌ CFD انجام‌گرفته که یک روش حل کامل و دقیق برای‌ جریان‌های‌ واکنشی‌ می‌باشد. یک تک کانال جهت شبیه‌سازی‌ در نظر گرفته شد و مدل دوبعدی‌ تقارن محوری‌ جهت شبیه‌سازی‌ انتخاب گردید. معادلات نرخ واکنش برای‌ واکنش‌های‌ SMR و شیفت- آب –گاز (WGS) بر اساس مدل‌های‌ موجود Langmuir–Hinshelwood  انتخاب شد. آزمایشات مربوط به فرآیند SMR در یک رآکتور مقیاس بنچ انجام گرفتند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌ با نتایج تجربی‌ مقایسه گردید و توافق خوبی‌ مشاهده گردید. مدل CFD تائید شده به‌عنوان آزمایشگاه مجازی‌ در نظر گرفته شد.برای‌ بررسی‌ اثر پارامترها روی‌ عملکرد رآکتور، یک طراحی‌ آزمایش با استفاده از نرم‌افزار Design Expert انجام گرفت. پارامترهای‌ بررسی‌شده شامل دمای‌ خوراک، فشار عملیاتی‌، فلاکس جرمی‌ خوراک و نسبت مولی بخارآب به متان بودند که با بررسی‌‌های‌ انجام‌گرفته مشخص گردید که مؤثرترین پارامترهایی‌ که روی‌ درصد تبدیل ازنظر آماری‌ تأثیر دارد به ترتیب GHSV، نسبت مولی‌ بخارآب به متان،  فشار  و دمای‌ خوراک می‌باشند همچنین مقادیر پارامترها برای‌ کارکرد بهینه رآکتور معرفی‌ شدند. از بررسی‌ نتایج CFD می‌توان مطالعات بیشتری‌ روی‌ عملکرد رآکتور انجام داد و با صرف هزینه کم اطلاعات ارزشمندی‌ به دست آورد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Steam Methane Reforming(SMR) Reaction in Monolith Reactors Using CFD Modeling

نویسنده [English]

  • Mohammad Irani

Gas Division, Research Institute of Petroleum Industries (RIPI), Postal Code: 1485613111, Tehran, Iran

چکیده [English]

 In the present work, Steam Methane Reforming(SMR) reaction in monolith reactors was modeled. Experiments of SMR were carried out in a Bench-scale monolith reactor. A single-channel was considered and two axi-symmetric CFD models were developed for modeling. General kinetic models for SMR and Water–Gas-Shift (WGS) reaction rates based on Langmuir–Hinshelwood type were employed. Good agreement was achieved between bench experimental data and the model. The validated CFD model was considered as numerical laboratory .Using experimental design a sensitivity analysis was run in order to find the effect of feed temperature, GHSV, pressure and inlet H2O/CH4 molar ratio on the reactor performance. It was concluded that obtained results from CFD analysis gives precise guidelines for further studies on optimization of monolithic reactor performance. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Monolith reactor
  • CFD
  • Steam Reforming
  • Sensitivity analysis
  1. Cao, C.S., Y. Wang, and R.T. Rozmiarek, Heterogeneous reactor model for steam reforming of methane in a microchannel reactor with microstructured catalysts. Catal. Today, 2005. 110(1-2): p. 92-97.
  2. Tonkovich  AY, Perry S, Wang Y, Qiu D, LaPlante T, Rogers WA .Microchanel process technology for compact Methane steam reforming.  Chem Eng Sci 2004; 59 (22–23): 4819–4824.
  3. Hickman D, Schmidt L D. Production of syngas by direct catalytic oxidation of Methane, Science 1993; 259: 343–346.
  4. Boger T. Monolithic catalysts for the chemical Industry.  Ind Eng Chem Res 2004; 43: 4602-4611.
  5. Benson R S and Ponton J W.Process Miniaturisation-A Route to Total Environmental Acceptability. Chem Eng Res Des 1993; 71: 160–168.
  6. Tonkovich AY, Yang B, Perry ST, Fitzgerald SP, Wang Y. From seconds to milliseconds to microseconds through tailored microchannel reactor design of a steam Methanereformer. Catal Today 2007; 120:21-29.
  7. Bradley RJ, Nathan LC, Diana NT, Robert AD, Jamelyn DH ,Wang Y. Engineered SMR catalysts based on hydrothermally stable, porous, ceramic supports for microchannel reactors.
    Catal Today 2007; 120:54-62.
  8. Avci AK, Trimm DL, Karakaya M. Microreactor catalytic combustion for chemicals processing. Catal Today 2010; 155: 66-74.
  9. BP Statistical Review of World Energy June 2011, www.bp.com/statisticalreview.
  • تاریخ دریافت: 03 اردیبهشت 1401
  • تاریخ پذیرش: 03 اردیبهشت 1401
  • تاریخ اولین انتشار: 03 اردیبهشت 1401