مدل‌سازي سه بعدي توليد هيدروژن از گاز سنتز با استفاده از واكنش تغيير آب-گاز در رآكتور غشائي زئوليتي

Three Dimensional Simulation of Water-Gas Shift Reactor in a Zeolite Membrane Reactor for Hydrogen Production

در دو دهه گذشته تقاضا براي ميزان تبديل بالاتر در كنار صرفه‌جويي در مصرف انرژي منجر به تلاشهاي دانشگاهي و صنعتي براي طراحي و پيكربندي‌هاي جديد رآكتورهاي شيميايي شد. در اين ميان رآكتورهايي كه واحد واكنش و واحد جداسازي را تلفيق ميكردند؛ توجه بيشتري را به خود جلب كردند. رآكتورهاي غشائي در اين دسته قرار گرفته و هم اكنون در دنيا براي بسياري از واكنشهاي شيميايي مورد استفاده قرار ميگيرند. واكنش تغيير آب گاز يك گام مهم براي تبديل گاز سنتز به گاز هيدروژن براي توليد محصولات شيميايي و توليد توان است. در اين تحقيق واكنش شيفت آب گاز در يك رآكتور تيوپي غشائي به صورت سه بعدي شبيه سازي شده است. سه تركيب رايج گاز سنتز كه از زباله‌هاي زيست‌محيطي به دست مي‌آيند مورد آزمون قرار گرفته اند. نتايج نشان دادند كه دما، نسبت بخار آب به مونواكسيد كربن و سرعت حجمي فضايي فاكتور هاي كليدي هستند كه عملكرد رآكتور غشائي شيفت آب گاز را مشخص مي‌كنند. نتايج مشخص كردند كه هر سه اين تركيبات عملكرد مناسبي در رآكتور غشايي دارند. هرچه جزء مولي مونوكسيدكربن خوراك كمتر باشد، وابستگي آن به دما بيشتر شده و درصد تبديل مونوكسيدكربن با افزايش دما با نرخ بيشتري افزايش مي‌يابد. افزايش دما و كاهش سرعت فضايي گاز سبب افزايش درصد تبديل مونوكسيدكربن و در نتيجه افزايش نرخ توليد هيدروژن و همچنين افزايش نرخ بازيابي هيدروژن مي‌گردد. اين در حالي است كه افزايش نسبت بخار آب باعث كاهش نرخ بازيابي هيدروژن مي‌شود.

In the past two decades demand for higher conversion rates along with savings in energy consumption, leads to industrial and academic efforts to design new chemical reactors. Among all methods, the reactors that combines reaction unit and separation unit drew more attention. Membrane reactors belongs to this category and now are used around the world for many chemical reactions. Water–gas shift (WGS) reaction is an important stage in transforming syngas fuels to hydrogen for chemical production or power generation. In this investigation, WGS reaction in a tubular membrane is simulated using 3d method. Three different common compositions of syngas obtained from biomass wastes are investigated. The results indicated that temperature, H2O/CO ratio and gas hourly space velocity (GHSV) are key factors that determine the WGS performance in the tubular zeolite membrane reactor. Results demonstrated that all three of these compounds have performed well in a membrane reactor. By increasing the mole fraction of carbon monoxide in the feed, its temperature dependence increases and carbon monoxide conversion rate increases by temperature. Increasing the temperature and reduction in hourly space velocity increases CO conversion and therefore H2 production and also increases H2 recovery. On the other hand, increasing the water vapor ratio decreases H2 recovery rate.