مدل‌سازي CFD واكنش جفت شدن اكسايشي متان در مقياس دانه‌اي: تعيين دماي بهينه

CFD Modeling of Oxidative Coupling of Methane on Pellet Scale: Optimum Temperature

دراين تحقيق واكنش جفت اكسايشي متان (OCM) در مقياس دانه‌اي مدل‌سازي شده و رفتار دانه كاتاليست در راكتور بستر ثابت از دو ديدگاه آزمايشگاهي و عددي مورد بررسي قرارگرفته است. مدل‌سازي عددي دانه كاتاليست توسط نرم‌افزار FLUENT انجام شده و براي ارايه يك مدل جامع و دقيق، اين نرم‌افزار به دو زير برنامه متصل شده است. نقطه عطف اين مدل‌سازي، اجراي موفق اين دو زير برنامه در نرم‌افزار مي‌باشد كه منجر به مزدوج قرار گرفتن واكنش و نفوذ در داخل دانه مي‌شود. شرايط ورودي مدل منطبق بر شرايط آزمايشگاهي است. دانه كاتاليست با اندازه مش 8- 7 در داخل راكتور ديفرانسيلي بستر ثابت با قطر mm 12 در نظر گرفته شده و دماهاي عملياتي 1023، 1048 و K 1073 و تركيب خوراك (نسبت مولي متان به اكيسژن) 2 اعمال شده است. كليه آزمايشات در فشار اتمسفريك و GHSV ثابت برابر -1 h 12000 انجام گرفته است. با بررسي اثر دما بر رفتار كاتاليست در ترم هاي درصد تبديل متان و گزينش‌پذيري و بازده C2، دماي بهينه در اين محدوده عملياتي براي كاتاليست تيتانيت پروسكايت K 1048 پيشنهاد شده است. دراين دما، كاتاليست بيشترين گزينش‌پذيري و راندمان براي محصولات مطلوب C2 را خواهد داشت. پروفايل دمايي در داخل دانه از ديگر نتايج اين مدل‌سازي به شمار مي‌آيد. مقايسه نتايج مدل‌سازي و داده‌هاي تجربي تطابق نسبتاً خوبي را نشان مي‌دهد

This study presents the phenomena occuring in small scale single-pellet for the oxidative coupling of methane (OCM) where heat transfer plays an important role. Computational fluid dynamics (CFD) is used as a tool for obtaining detailed rate and temperature profiles through the porous catalytic pellets where reaction and diffusion are competing. Inter particle temperature and concentration gradients are taken into account by solving heat transfer coupled with continuity equations in the catalyst pellet. In the heat transfer equation, a source term of energy due to high exothermic reactions is considered. Subsequent to achieving this goal, two external programs are successfully implemented to the CFD code as kinetic and heat of reaction terms. The influence of reaction temperature on catalytic performance is studied. This study is based on the experimental design which is conducted in a differential reactor using an Sn/BaTiO3 catalyst (mesh 7-8) at atmospheric pressure and different temperatures of 1023, 1048 and 1073 K with a GHSV value of 12000 h-1 and a methane to oxygen ratio of 2. Based on the results for titanate perovskite catalyst, the highest C2 yield in OCM process is obtained at a temperature of 1048 K. The results of CFD simulation indicate that temperature variation within the catalyst pellet is less than 2 K due to the completion of exothermic oxidation reactions. Also, the results show that exothermic oxidation reactions occur before endothermic coupling reaction in the pellet length. The modeling results such as selectivity and conversion at the pellet exit are in good agreement with the experimental data