Паровой риформинг природного газа в мембранном реакторе с никелевым катализатором при высоких температурах

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Проведено моделирование паровой конверсии различных углеводородных смесей, в том числе природных и попутных нефтяных газов, в мембранном модуле с промышленным никелевым катализатором и фольгой из палладиевых сплавов с целью получения чистого водорода. Рабочей частью модуля являются две цилиндрические камеры, разделенные мембранной перегородкой. Верхняя камера вакуумирована, а в нижней поддерживается атмосферное давление. При равномерной подаче сырья по внешнему периметру нижней камеры проблема сведена к нахождению потоков водяного пара, окислов углерода, водорода, метана и его гомологов из решения системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Рассматривается широкий интервал температур 600 K < T < 1000 K при допустимых значениях отношений потоков водяной пар/смесь углеводородов на входе. При фиксированной температуре найдены потоки сырья на входе, при которых выход водорода и конверсия углеводородов достигают 100%, при этом максимальный поток водорода через мембрану достигается при минимально допустимых для данной смеси отношениях входных потоков водяного пара и углеводородов. Проведено сравнение расчетов с экспериментальными данными для ряда углеводородных смесей при различных значениях температур и определяющих параметров.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. Н. Бабак

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Author for correspondence.
Email: tabor47@mail.ru
Russian Federation, г. Черноголовка

Л. П. Диденко

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: tabor47@mail.ru
Russian Federation, г. Черноголовка

Л. A. Семенцова

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: tabor47@mail.ru
Russian Federation, г. Черноголовка

Ю. П. Квурт

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: tabor47@mail.ru
Russian Federation, г. Черноголовка

References

  1. Ramachandran R., Menon R.K. An overview of industrial uses of hydrogen // Int. J. Hydrogen Energy. 1998. V. 23. P. 593.
  2. Saeidi S., Fazlollahi F., Najari S., Iranshahi D., Klemes I.I., Baxter L.L. Hydrogen productions: Perspectives, separation with special emphasis on kinetics of WGS reaction: A state-of-the-art review // J. Ind. and Engin. Chem. 2017. V. 49. P. 1.
  3. Rahimpour M.R., Samimi F., Babapoor A., Tohidian T., Mohebi S. Palladium membranes application in reaction systems for hydrogen separation and purification: A review // Chem. Eng. Proc.: Process Intensification. 2017. V. 121. P. 24.
  4. Sperle T., Chen D., Lodeng R., Holmen A. Pre-reforming of natural gas on a Ni catalyst: Criteria for carbon free operation // Appl. Catal. A: Gen. 2005. V. 282. P. 195.
  5. Shen K. Pre-reforming of liquefied petroleum gas over Nikel catalysts supported on magnesium aluminum mixel oxides // Int. J. Hydrogen Energy. 2011. V. 36. P. 4908.
  6. Кириллов В.А., Амосов Ю.И., Шигаров А.Б., Кузин Н.А., Киреенков В.В., Пармон В.Н., Аристович Ю.В., Грицай М.А., Светов А.А. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса переработок попутного нефтяного газа в нормализованной газ посредством мягкого парового риформинга // Теорет. основы хим. технол. 2017. Т. 51. № 1. С. 15.
  7. Shirasaki Y., Tsuneki T., Ota Y., Yasuda I., Tachibana S., Nakajima H. Development of membrane reformer system for highly efficient hydrogen production from natural gas // Int. J. Hydrogen Energy. 2009. V. 34. P. 4482.
  8. Mahecha-Botero A., Boyd T., Gulamhusein A., Grace J.R., Lim J., Shirasaki Y., Kurokawa H., Yasuda I. Catalytic reforming of natural gas for hydrogen production in a pilot fluidized-bed membrane reactor: Mapping of operation and feed conditions // Int. J. Hydrogen Energy. 2011. V. 36. P. 10727.
  9. Anzelmo B., Liguori S., Mardilovich I., Iulianelli Y.-H., Wilcox J., Basile A. Fabrications & perfomance study of palladium on alumina supported membrane reactor: Natural gas steam reforming, a case study // Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. P. 7713.
  10. Martin-Gil V., Ahmad M.Z., Castro-Muñoz R., Fila V. Economic framework of membrane technologies for natural gas applications // Separ. Purif. Res. 2019. V. 48. P. 298.
  11. Gryaznov V.M. Hydrogen permeable palladium membrane catalyst. An aid to the efficient production of ultra pure chemicals and pharmaceuticals // Palladium Met. Rev. 1986. V. 36. P. 68.
  12. Itoh N. Inorgamic membranes for reaction and separation // AIChE J. 1987. V. 33. P. 1576.
  13. Igarashi A., Ohtaka O., Motoki S. Low temperature steam reforming on n-butane over Rh and Ru catalysts supported on ZnO₂ // Catal. Lett. 1991. V. 13. P. 189.
  14. Avci A.K., Trimm D.L., Aksoylu A.E., Önsan Z.I. Hydrogen production by steam reforming of n-butane over suppoted Ni and Pt-Ni catalysts // Appl. Catal. A: Gen. 2004. V. 258. P. 255.
  15. Wang X., Gorte R.J. Steam reforming of n-butane on Pd/ceria // Catal. Lett. 2001. V. 73. P. 15.
  16. Yuan L., Goldbach A., Xu H. Permition hysteresis in PdCu membranes // J. Phys. Chem. B. 2008. V. 112. P. 12692.
  17. Hawa H.W., Paglieri S.N., Morris C.C., Harale A., Way J.D. Application of Pd–Ru composite membrane to hydrogen production in a high temperature membrane reactor // Ser. Purif. Technol. 2015. V. 147. P. 388.
  18. Nayebossadri S., Speight D., Book D. Pd–Cu–M (M = Y, Ti, Zr, V, Nb and Ni) alloys for the hydrogen separation membrane // ACS Appl. Mater Interfaces. 2017. V. 9. P. 2650.
  19. Slovetsky D.I., Christov E.M. Patent 2416460. 2011.
  20. Barkhanov G.S., Gorina N.B., Kolchugina N.B., Roshan N.R., Slovetsky D.I., Christov E.M. Palladium-based alloy memrnanes for separations of high purity hydrogen from hydrogen-containing gas mixtures // Platinum Met. Rev. 2011. V. 55. N 1. P. 3.
  21. Mazali I.O., Filho A.G., Viana B.C., Filho I.M., Alves O.L. Size controllable synthesis of nanorized-TiO anatase using porous Vycor glass as template // J. Nanopart. Res. 2006. V. 8. P. 141.
  22. Pizzi D., Worth R., Baschetti M.G., Sarfi G.C., Noda K. Hydrogen permeability of 2.5 µm palladium–silver membranes deposited on ceramic supports // J. Membr. Sci. 2008. V. 325. N 1. P. 446.
  23. Tong J., Shirai R., Kashima Y., Matsumura Y. Preparation of a pinhole-free Pd–Ag membrane on a porous metal support for pure hydrogen separation // J. Membr. Sci. 2005. V. 260. N 1. P. 84.
  24. Li A., Grace J., Lim J.C. Preparation of thin Pd-based composite membrane on planar metallic substrate: Part II. Preparation of membranes by electroless plating and characterization // J. Membr. Sci. 2007. V. 306. P. 159.
  25. Itoh N., Akiha T., Sato T. Preparation of thin palladium composite membrane tube by CVD technique and its hydrogen permselectivity // Catal. Today. 2005. V. 104. P. 231.
  26. Mattox D.M. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. Elsevier. 2010. P. 195.
  27. Диденко Л.П., Семенцова Л.А., Чижов П.Е., Бабак В.Н., Савченко В.И. Разделительные свойства фольги из сплавов Pd–(6%)In–(0.5%)Ru, Pd–(6%)Ru, Pd–(10%)Ru и влияние СО₂, СО, СН₄ и водяного пара на скорость потока Н₂ через исследуемые мембраны // Изв. АН. Сер. Хим. 2016. № 8. С. 1997.
  28. Ивлев В.М., Барханов Г.С., Максименко А.А., Белоногов Е.К., Донцов А.И., Рощин Н.Р. Структура и свойства конденсированной фольги мембранного сплава Pd–In–Ru // Конденсированные среды и межфазные границы. 2013. Т. 15. № 2. С. 121.
  29. Ивлев В.М., Солнцев К.А., Донцов А.И., Максименко А.А., Канныкин С.В. Водородопроницаемость тонкой конденсированной фольги Pd–Cu. Зависимость от температуры и фазовых составов // Журнал технич. физики. 2016. Т. 86. № 3. С. 149.
  30. Völkl J., Alefeld G. Hydrogen diffusion in metals. New-York: Academic Press, 1967.
  31. Li X., Li A., Lim C.J., Grace J.R. Hydrogen permeation through Pd-based composite membranes: Effects on porous substrate, diffusion barrier and sweep gas // J. Membr. Sci. 2016. V. 499. P. 143.
  32. Abir H., Sheintuch M. Modeling H2 transport through a Pd or Pd/Ag membrane, and its inhibition by co-adsorbates, from first principles // J. Membr. Sci. 2014. V. 466. P. 58.
  33. Babak V.N., Didenko L.P., Zakiev S.E. Hydrogen transport through a membrane module based on a palladium foil // Theor. Found. Chem. Eng. 2013. V. 47. P. 719. (Бабак В.Н., Диденко Л.П., Закиев С.Е. Перенос водорода через мембранный модуль с помощью палладиевой фольги // Теорет. основы хим. технол. 2013. Т. 47. С. 656.)
  34. Sievert A., Danz W. Solubility of D₂ and H₂ in palladium // Z. Physik. Chem. 1936. V. 34B. P. 154.
  35. Schwaab M., Alberton A.L., Fontes C.E., Bittencourt R.C., Pinto J.C. Hybrid modeling of methane reformers. 2. Modeling of the industrial reactors // Ind. Eng. Chem. Res. 2009. V. 48. N. 21. P. 9376.
  36. Shirasaki Y., Tsuneki T., Ota Y., Yasuda I., Tachibana S., Nakajima H., Kobayashi K. Development of membrane reformer system for highly efficient hydrogen production from natural gas // Int. J. Hydrogen Energy. 2009. V. 34. N 10. P. 4482.
  37. Pantoleontos G., Kikkinides E.S., Georgiadis M.C. A heterogeneous dynamic model for the simulation and optimization of the steam methane reforming reactor // Int. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37. N 21. P. 16346.
  38. Wilde I., Fromet G.F. Computation fluid dynamics in chemical reactor analysis and design: Application to the zone flow reactor for methane steam reforming // Fuel. 2012. V. 100. P. 48.
  39. Said S.A., Simakov D.S.A., Mokheimer E.M.A., Habib M.A., Ahmed S., Waseeuddin M., Román-Leshkov Y. Computational fluid dynamics study of hydrogen generation by low temperature methane reforming in a membrane reactor // Int. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 40. P. 3158.
  40. Lee H., Kim A., Lee B., Lim H. Comparative numerical analysis for an efficient hydrogen production via a steam methane reforming with a packed-bed reactor, a membrane reactor, and a sorption-enhanced membrane reactor // Energy Convers. Manag. 2020. V. 213. P. 112839.
  41. De Medeiros J.P.F., Dias V.F., da Silva J.M., da Silva J.D. Thermochemical performance analysis of the steam reforming of methane in a fixed bed membrane reformer: A modelling and simulation study // Membranes. 2021. V. 11. P. 6.
  42. Vakhshouri K., Hashemi M.M.Y.M. Simulation study of radial heat and mass transfer inside a fixed bed catalytic reactor // Int. J. Chem. Biol. Eng. 2008. V. 23. N 1. P. 1.
  43. Ben-Mansour R., Abuelyamen A., Habib M.A. CFD modeling of hydrogen separation through Pd-based membrane // Int. J. Hydrogen Energy. 2020. V. 45. P. 23006.
  44. Schädel B.T., Duisberg M., M & Deutschmann O. Steam reforming of methane, ethane, propane, butane, and natural gas over a rhodium-based catalyst // Catalysis Today. 2009. V. 142. P. 42.
  45. Mokheimer E.M.A., Hussain M.I., Ahmed S., Habib M.A., Al-Qutub A.A. On the modeling of steam methane reforming // J. Energy Resources Technology. 2015. V. 137. P. 1.
  46. Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Иконников И.С. Моделирование процесса производства водорода из метана // Теорет. основы хим. технол. 2013. Т. 47. № 6. С. 634. (Dubinin A.M., Tuponogov V.G., Ikonnikov I.S. Modelling the process of producing hydrogen from methane // Theor. Found. Chem. Eng. 2013. V. 47. N 6. P. 697.)
  47. Burkhanov G.S., Gorina N.B., Kolchugina N.B., Roshan N.R., Slovetsky D.I., Chistov E.M. Palladium-based alloy membranes for separation of high purity hydrogen from hydrogen-containing gas mixtures // Platinum Met. Rev. 2011. V. 55. N 1. P. 3.
  48. Didenko L.P., Voronetsky M.S., Sementsova L.A., Barelco V.V., Bikov L.A. et al. Technical characteristics of the hydrogen-filtering module on a base of the palladium foil // Int. Scientific J. Altern. Energy Ecol. 2010. N 10. P. 154.
  49. Диденко Л.П., Бабак В.Н., Семенцова Л.А., Дорофеева Т.В., Чижов П.Е., Горбунов С.В. Паровая конверсия этана и его смесей с метаном в мембранном реакторе с фольгой из Pd–Ru сплава // Мембраны и мембранные технол. 2023. Т. 13. № 2. С. 83. (Didenko L.P., Babak V.N., Sementsova L.A., Dorofeeva T.V., Chizhov P.E., Gorbunov S.V. Steam conversion of ethane and methane-ethane mixtures in a membrane reactor with a foil made of a Pd–Ru alloy // Membranes and Membrane Technol. 2023. V. 5. N 2. P. 69.)
  50. Диденко Л.П., Бабак В.Н., Семенцова Л.А., Чижов П.Е., Дорофеева Т.В. Паровая конверсия пропана в мембранном реакторе с промышленным никелевым катализатором и фольгой из Pd–Ru сплава // Нефтехимия. 2021. Т. 61. Вып. 1. С. 103. (Didenko L.P., Babak V.N., Sementsova L.A., Chizhov P.E., Dorofeeva T.V. Steam conversion of propane in a membrane reactor with a commercial nickel catalyst // Petroleum Chemistry. 2021. V. 61. N 1. P. 92
  51. Диденко Л.П., Семенцова Л.А., Бабак В.Н., Чижов П.Е., Дорофеева Т.В., Квурт Ю.П. Паровая конверсия н-бутана в мембранном реакторе с промышленным никелевым катализатором и фольгой из Pd–Ru сплава // Мембраны и мембранные технол. 2020. Т. 10. № 2. С. 99. (Didenko L.P., Sementsova L.A., Babak V.N., Chizhov P.E., Dorofeeva T.V., Kvurt Yu.P. Steam reforming of n-buthane in membrane reactor with industrial nickel catalyst and foil made of Pd–Ru alloy // Membranes and Membrane Technol. 2020. V. 2. N 2. P. 85.
  52. Диденко Л.П., Бабак В.Н., Семенцова Л.А., Дорофеева Т.В., Чижов П.Е., Горбунов С.В. Получение водорода высокой чистоты паровой конверсией попутного нефтяного газа в мембранном реакторе с промышленным никелевым катализатором // Мембраны и мембранные технол. 2021. Т. 11, № 5. С. 336. (Didenko L.P., Babak V.N., Sementsova L.A., Dorofeeva T.V., Chizhov P.E., Gorbunov S.V. Production of high-purity hydrogen by steam reforming of associated petroleum gas in membrane reactor with industrial nickel catalyst // Membranes and Membrane Technol. 2021. V. 11. N 5. P. 302.)
  53. Бабак В.Н., Диденко Л.П., Квурт Ю.П., Семенцова Л.А., Закиев С.Е. Моделирование паровой конверсии метана в мембранном реакторе с никелевым катализатором и фольгой из палладиевого сплава // Теорет. основы хим. технол. 2021. Т. 55. № 3. С. 319. (Babak V.N., Didenko L.P., Kvurt Y.P., Sementsova L.A., Zakiev S.E. Simulation of steam reforming in a membrane reaactor with a nickel catalyst and a palladium alloy foil // Theor. Found. Chem. Eng. 2021. V. 55. N 3. P. 390.)
  54. Бабак В.Н., Диденко Л.П., Квурт Ю.П. Оптимальные условия проведения парового реформинга метана в мембранном реакторе с никелевым катализатором при высоких температурах // Математич. методы в технологиях и технике. 2021. № 6. С. 46.
  55. Бабак В.Н., Диденко Л.П., Семенцова Л.А., Квурт Ю.П. Паровой риформинг этана в мембранном реакторе с никелевым катализатором при высоких температурах // Теорет. основы хим. технол. 2023. Т. 57. № 3. С. 292. (Babak V.N., Didenko L.P., Sementsova L.A., Kvurt Y.P. Steam reforming of ethane in a membrane reactor with a nickel catalyst at high temperatures // Theor. Found. Chem. Eng. 2023. V. 57. N 3. P. 272.)
  56. Бабак В.Н., Диденко Л.П., Семенцова Л.А., Квурт Ю.П. Моделирование парового риформинга пропана в каталитическом мембранном реакторе при высоких температурах // Теорет. основы хим. технол. 2022. Т. 56. № 2. С. 167. (Babak V.N., Didenko L.P., Sementsova L.A., Kvurt Y.P. Modelling of steam reforming in a catalytic membrane reactor at high temperatures // Theor. Found. Chem. Eng. 2022. V. 56. N 2. P. 170.)
  57. Xu J., Froment G.F. Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: 1. Intrinsic kinetics //AIChE J. 1989. V. 35. N. 1. P. 88.
  58. Мещенко Н.Т., Веселов В.В., Шуб Ф.С., Темкин М.И. Кинетика низкотемпературной паровой конверсии этана на никель-хромовом катализаторе // Кинетика и катализ. 1977. Т. XVIII. Вып. 4. С. 963.
  59. Zyryanova M.M., Snytnikov P.V., Shiganov A.B., Belyaev V.O., Kirillov V.A., Sobyanin V.A. Low temperature catalytic steam reforming of propan-methane mixture into methane-rich gas: Experiment and macrokinetic modeling // Fuel. 2014. V. 135. P. 76.
  60. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник химика. Киев: Наукова думка. 1974. 992 с.
  61. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалов Э.З. Численные методы анализа. М.: ГИФМЛ, 1963.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Experimental setup. (a) Vertical section. 1 – hole for tube with thermocouple, 2 – outer wall, 3 – membrane module, 4 – electric heater, (5–7) – steel tubes for feeding raw materials and exiting products from the lower and upper chambers, 8 – refrigerator, 9 – mixer, (10–13) – rotameters, 14 – vacuum pump. (b) Membrane module. 1 – upper chamber, 2 – membrane, 3 – lower chamber, 4 – tubes for feeding raw materials and exiting reaction products. (c) Schematic diagram of reaction cell. 1 – upper chamber, 2 – lower chamber, 3 – membrane. r – radial coordinate, x – dimensionless coordinate.

Download (92KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Calculation of dimensionless flows ni(z) at the initial section

Download (7KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependencies (a) and (b) on the main section at T = 673 K

Download (5KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependencies (solid lines), (dashed lines) on the main section at 673 K

Download (6KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Distribution of hydrogen flow inside the lower chamber at 873 K

Download (5KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Distribution of flows under optimal conditions for 773 K

Download (6KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Calculations of optimal flows IS,OPT for membranes of different compositions.

Download (9KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences