مدل‌سازي و شبيه سازي راكتور غشايي پالاديومي جهت ريفورمينگ متانول روي كاتاليست Cu/ZnO/Al2O3 براي توليد و جداسازي هيدروژن

Modeling and simulation of methanol reforming in palladium based membrane reactor on Cu/ZnO/Al2O3 catalyst for hydrogen production

در اين پژوهش فرآيند ريفورمينگ متانول در راكتور بستر كاتاليستي غشايي بر روي كاتاليست Cu/ZnO/Al2O3 و با غشاي پالاديومي براي توليد هيدروژن مدل‌سازي و شبيه‌سازي شده است. ابتدا مدل‌سازي رياضي دوبعدي انجام‌شده و سپس نتايج حاصل از شبيه‌سازي با نتايج آزمايشگاهي گزارش‌شده در منابع مقايسه شده است كه مدل ارايه‌شده تطابق قابل قبولي با درصد خطاي حدود %8 را نشان مي‌دهد. سپس اثر برخي پارامترهاي فرآيندي مانند فشار ناحيه واكنشي، نسبت واكنش‌دهنده‌ها و ميزان فاكتور گاز جاروبي بر روي انتخاب پذيري هيدروژن در فرآيند مورد ارزيابي قرارگرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه با افزايش فشار از حدود 5/1 تا 5/2 بار، انتخاب پذيري هيدروژن در حدود %3 افزايش مي‌يابد. همچنين با افزايش نسبت آب به متانول از 1 تا 3، انتخاب پذيري هيدروژن در حدود %13 افزايش مي‌يابد. تغييرات فاكتور گاز جاروبي نيز بر روي انتخاب پذيري اثر مي‌گذارد بدين‌صورت كه افزايش مقدار فاكتور گاز جاروبي به‌اندازه 7 واحد، انتخاب پذيري را حدود %5/4 افزايش مي‌دهد. در ادامه توزيع غلظت دوبعدي در راستاي طولي و شعاعي راكتور براي متانول نشان داده‌شده است كه نشان مي‌دهد تغييرات غلظت متانول در راستاي شعاعي به دليل كوچك بودن راكتور ناچيز است.

In this study the modelling and simulation of methanol steam reforming in a membrane reactor is investigated. The palladium based membrane with Cu/ZnO/Al2O3 catalyst are carried out as the model system for hydrogen production. For modelling a rigorous 2-dimensioanl mathematical model is considered and then the results of simulation are compared with the experimental data. The result shows a very good agreement between the simulation and experimental results with mean relative error of almost 8%. Furthermore, the influence of some effective parameters such as the pressure of retentate zone, steam to methanol ratio and sweep gas factor on the hydrogen selectivity were studied. The results perform that increasing of pressure from 1.5 to 2.5 bar can increase the selectivity about 3%. Also, increasing the ratio of water to methanol from 1 to 3 can increase the selectivity of hydrogen nearly 13%. Change in the sweep gas factor affects the hydrogen selectivity in the way that increasing of sweep gas factor up to 7 can increase the selectivity about 4.5%. Furthermore, the 2D concentration profile analysis for methanol concentration in the radial and axial directions has shown that the changes in the radial direction is negligible because of the small reactor diameter.