مهندسی گاز ایران

بررسی عملکرد نانوکاتالیست آهن در تولید سوخت‌های مایع از گازهای سنتزی: مطالعات تجربی و مدل‌سازی CFD

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

واحد تبدیلات گازی، پژوهشکده گاز، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، برای بررسی تولید سوخت مایع از طریق  فرآیند سنتز FTS، از دینامیک سیالات محاسباتی و مطالعات تجربی استفاده شده است. برای مطالعات تجربی از رآکتور لوله‌ای از جنس استیل با قطر ۱/۲ سانتی‌متر و طول ۸۰ سانتی متر استفاده گردید که در آن از ذرات سرامیکی به منظور رقیق کردن ابتدای بستر کاتالیست، جهت جلوگیریی از فرار دما و ایجاد نقاط داغ استفاده شد. هیدرودینامیک، واکنش‌های شیمیایی ، انتقال حرارت و جرم در داخل رآکتور به کمک CFD شبیه‌سازی گردید. یک هندسه با تقارن محوری با تعداد شبکه‌ی ۲۲۰۱۶ از سلول‌های مربعی ایجاد شد. رفتار غیر ایده‌آل ترمو دینامیکی مخلوط گازها، به‌وسیله‌ی معادله‌ی حالت Peng- Rabinson مدل‌سازی شد. مدل‌های سینتیکی برای سرعت واکنش‌های FTS و واکنش‌های جابجایی آب- گاز بر اساس مدل  Langmuir-Hinshelwoodبرای هر کدام از اجزا انتخاب گردید. تطابق خوبی بین داده‌های تجربی و مدل، به‌دست آمد. به‌دلیل هزینه‌ی بالای آزمایشات، از مدل معتبر CFD، به‌عنوان آزمایش مجازی استفاده شد و جهت بررسی تأثیر دما، فشار، GHSV و نسبت H2/CO بر روی عملکرد رآکتور، مورد بررسی قرار گرفت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of the Performance of Iron Nanocatalysts in Liquid Fuel Production from Synthetic Gases: Empirical Studies and CFD Modeling

نویسندگان [English]

  • Mohammad Irani
  • Yahya Zamani

Gas Research Division, Research Institute of Petroleum Industries, Tehran, Iran

چکیده [English]

In this work a computational fluid dynamic (CFD) and experimental study of Fischer–Tropsch Synthesis (FTS) process in a fixed-bed reactor is presented. The reactor was a 1.2 cm diameter and 80 cm length steel tube in which ceramic particles were employed to dilute the catalyst bed and thus prevent the emergence of hot spots in it. An axi-symmetric CFD model with an optimized mesh of 22016 square cells was developed to model hydrodynamics, chemical reaction and heat and mass transfer in the reactor. Non-ideal thermodynamic behavior of gas mixture was modeled using Peng-Rabinson equation of state. Kinetic models for FTS and Water–Gas-Shift (WGS) reaction rates based on Langmuir–Hinshelwood type for each of species were employed. Good agreement was achieved between bench experimental data and the model. Because of the high price of reaction experiments and also safety the validated model used as numerical setup and the CFD simulations considered as numerical experiments. A sensitivity analysis was carried out in order to find the effect of temperature, pressure, and GHSV and H2/CO ratio on the reactor performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fischer–Tropsch Synthesis
  • GTL
  • fixed bed reactor
  • Nano
  • Fe-Cu-La/SiO2 catalyst
  • CFD
  1. K.J. Woo، S.H. Kang، S.M. Kim، J.W. Bae، K.W. Jun، Performance of a slurry bubble column reactor for Fischer–Tropsch synthesis: Determination of optimum condition، Fuel Process.Technol. 91 (2010) 434–439.
  2. G. Calleja، A.D. Lucas، R.V. Grieken، Co/HZSM-5 catalyst for syngas conversion: influence of process variables، Fuel 74 (3) (1995) 445-451.
  3. A. Nakhaei Pour، M.R.Housaindokht، S. F. Tayyari، J. Zarkesh، Effect of nano-particle size on product distribution and kinetic parameters of Fe/Cu/La catalyst in Fischer-Tropsch synthesis، J. Nat. Gas Chem. 19(2010)107–116.
  4. K.V. Shah، R. Vuthaluru، H.B. Vuthaluru، CFD based investigations into optimization of coal pulveriser performance: Effect of classifier vane settings، Fuel Processing Technology 90 (2009) 1135–1141.
  5. K. S. Bhambare، Z. Ma، P. Lu، CFD modeling of MPS coal mill with moisture evaporation، Fuel Process.Technol. 91 (2010) 566–571.
  6. R. Vuthaluru، H.B. Vuthaluru، Modelling of a wall fired furnace for different operating conditions using FLUENT، Fuel Process.Technol. 87 (2006) 633–639.
  7. A.A.Troshko، F. Zdravistch، CFD modeling of slurry bubble column reactors for Fisher–Tropsch synthesis، Chemical Engineering Science 64 (5) (2009) 892–903.
  8. G. Arzamendi، P.M. Diéguez، M. Montes، J.A. Odriozola، E.F. Sousa-Aguiar، L.M. Gandía، Computational fluid dynamics study of heat transfer in a microchannel reactor for low-temperature Fischer–Tropsch synthesis، Chemical Engineering Journal 160 (3) (2010) 915–922.
  9. M. Irani، R.B. Bozorgmehry ، M.R Pishvaie، A. Tavasoli، Investigating the Effects of Mass Transfer and Mixture Non-Ideality on Multiphase Flow Hydrodynamics using CFD Methods، Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering 29 (1) (2010) 51-60.
  10. M. Irani، R.B. Bouzarjomehri، M.R. Pishvaei، impact of thermodynamic non-idealities and mass transfer on multi-phase hydrodynamics، Scientia Iranica 17 (1) (2010) 55-64.
  11. Poling B E، Prausnitz J M، O’Connell J P، the properties of gases & liquids، 5th ed.، New York: McGraw-Hill، 2000.
  12. A. Nakhaei Pour، M.R. Housaindokht، S. F. Tayyari ،J.Zarkesh، S.M. Kamali Shahri، Water-gasshift kinetics over a Fe/Cu/La/Si catalyst in Fischer–Tropsch synthesis، chemical engineering research and design 8 9 ( 2011 ) 262–26.
  13. B. Sarup and B. W. Wojciechowski، Can. J. Chem. Eng.، 66، 831 (1988).
  14. S. Novak، R. J. Madon، and H. Suhl، Secondary effects in the Fischer-Tropsch synthesis، J. Catal.، 77، 141 (1982).
  15. G.P. van der Laan، A. A. C. M. Beenackers، Kinetics and Selectivity of the Fischer-Tropsch Synthesis: A Literature Review، Catalysis Reviews، CATAL. REV. SCI. ENG.، 41(3&4)، 255–318 (1999).
مهندسی گاز ایران
دوره 4، شماره 1 - شماره پیاپی 5
شهریور 1396
صفحه 57-66
  • تاریخ دریافت: 04 اردیبهشت 1401
  • تاریخ پذیرش: 04 اردیبهشت 1401
  • تاریخ اولین انتشار: 04 اردیبهشت 1401