مدل‌سازي فرايند ريفرمينگ گاز‌طبيعي با بخار آب در راكتور غشايي پالاديم ـ نقره براي توليد هيدروژن خالص

Modeling of Natural Gas Steam Reforming Process in a Pd/Ag Membrane Reactor for Pure Hydrogen Production

پيل‌هاي سوختي يكي از مهمترين مبدل‌هاي انرژي در آينده مي‌باشند كه از هيدروژن خالص، متانول و گاز طبيعي به عنوان خوراك استفاده مي‌كنند. تبديل انرژي شيميايي به انرژي الكتريسيته در پيل‌هاي سوختي فرايندي مستقيم است كه بدون ايجاد آلودگي‎هاي زيست‌محيطي و صوتي انجام مي‌شود. از اين‌رو مطالعه‌ و مدل‌سازي راه‌هاي مختلف توليد و خالص‌سازي هيدروژن ضروري به نظر مي‌رسد. يكي از مهمترين فرايند‌هاي شيميايي موجود براي توليد هيدروژن، تبديل گاز طبيعي با بخار آب است. شايان گفتن است كه هيدروژن از جداسازي گاز سنتز (مخلوط هيدروژن و كربن مونواكسيد) به عنوان فراوده ي واحد تبديل با بخار آب به دست مي‌آيد. پژوهش هاي گسترده‌اي نيز بر روي راه‌هاي توليد مستقيم هيدروژن خالص با استفاده از غشاهاي گوناگون انجام شده‌است. مطالعات گذشته نشان داده‌است كه استفاده از غشاي پالاديم ـ نقره كه فقط نسبت به هيدروژن عبورپذير است، بهترين گزينه براي توليد هيدروژن خالص خواهد بود. بر همين اساس در اين مقاله، مدل‌سازي فرايند تبديل گاز طبيعي با بخار آب در راكتور غشايي پالاديم ـ نقره انجام شده است. اثر متغيرهاي گوناگوني مانند فشار و دماي محيط واكنش، نسبت متان به بخار‌ آب در خوراك ورودي، ضخامت غشا و نوع جريان واكنشگر‌ها و گاز جاروب‌كننده (همسو و ناهمسو)بر ‌روي ميزان تبديل متان، توليد هيدروژن و نسبت هيدروژن به كربن مونواكسيد‌ توليدي بررسي و شرايط بهينه‌ي عملياتي به صورت كيفي تعيين شده‌است. مدل پيشنهادي با استفاده از داده‌هاي آزمايشگاهي موجود در مراجع مورد ارزيابي قرار گرفته‌است. اين ارزيابي نشان مي دهد كه نتيجه هاي مدل ارايه ‌شده به‌خوبي بر نتيجه هاي آزمايشگاهي منطبق است.

Fuel cells will be one of the most important resources of energy in the future They use pure hydrogen, and natural gas as a feed. Converting chemical energy to electrical energy in fuel cells is a direct process without any environmental pollution. Thus the study and modeling of various hydrogen production and purification processes is necessary. Up to day, natural gas steam reforming is one of the most important chemical processes for hydrogen production. It should be mentioned that hydrogen is obtained from a produced synthesis gas (product of methane steam reforming process). A lot of researches have also done work on a direct production of pure hydrogen using various membranes. Previous studies have shown that using Pd-Ag membrane is only permeable for hydrogen is the best choice for pure hydrogen production. Thus, in the present study the modeling of natural gas steam reforming in the Pd-Ag membrane reactor has been done. Effect of some variables such as pressure, temperature, steam to methane ratio in the feed, membrane thickness and flow pattern of reactants and sweep gas on the methane conversion, hydrogen production and produced hydrogen-to-carbon monoxide ratio have been investigated and optimum operating conditions have been determined qualitatively. The proposed model has been evaluated by some data that obtained from an experimental study. The results of the proposed model have a good consistency with the results of experimental study.