Steam Reforming of Ethane in a Membrane Reactor with a Nickel Catalyst at High Temperatures

V. N. Babak; Бабак В. Н.; L. P. Didenko; Диденко Л. П.; L. A. Sementsova; Семенцова Л. А.; Yu. P. Kvurt; Квурт Ю. П.

doi:10.31857/S0040357123030016

Паровой риформинг этана в мембранном реакторе с никелевым катализатором при высоких температурах

Авторы: Бабак В.Н.¹, Диденко Л.П.¹, Семенцова Л.А.¹, Квурт Ю.П.¹
Учреждения:
1. Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН
Выпуск: Том 57, № 3 (2023)
Страницы: 292-308
Раздел: Статьи
Статья опубликована: 01.05.2023
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3571/article/view/138467
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040357123030016
EDN: https://elibrary.ru/RLNNDC
ID: 138467

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Предложена модель парового риформинга чистого этана в мембранном каталитическом реакторе, рабочими элементами которого являются цилиндрические камеры, между которыми помещена водородселективная палладиевая фольга. Верхняя камера вакуумируется, а в нижней находится никелевый катализатор. При равномерной подаче сырья (С₂Н₆ и Н₂О) по периметру нижней камеры задача сводится к нахождению средних потоков С₂Н₆, СН₄, Н₂О, СО, СО₂ и Н₂ в результате решения системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Исследования проводили в интервале температур 700 \( \leqslant T \leqslant \) 1000 K при допустимых отношениях входных потоков водяной пар/этан более четырех. Найдены оптимальные условия проведения процесса, при которых выход водорода равен 100%. Доказано, что при этих условиях и фиксированной температуре максимальный поток водорода через мембрану наблюдается при минимально допустимых значениях отношений входных потоков пара и этана, равных четырем. Сравнение расчетов с экспериментом подтвердило предположение о существовании двух участков в нижней камере (короткого начального и основного).

Ключевые слова

каталитический реактор, паровой риформинг, палладиевая фольга

Список литературы

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 Eng. Chem. 2017. V. 49. P. 1.
Kirillov V.A., Meshcheryakov V.D., Brizitskii O.F., Terent’ev V.Ya. Analysis of a power system based on low-temperature fuel cells and a fuel processor with a membrane hydrogen separator // Theor. Found. Chem. Eng. 2010. V. 44. № 3.P. 227.
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.
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.
Christensen Th.S. Adiabatic prereforming of hydrocarbons an important step in syngas production // Appl. Catal. A: Gen. 1996. V. 138. P. 285.
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.
Wang X., Gorte R.J. Steam reforming of n-butane on Pd/ceria // Catal. Lett. 2001. V. 73. P. 15.
Takeguchi T., Kani Y., Yano T., Kikuchi R., Eguchi K., Tsujimoto K., Uchida Y., Ueno A., Omoshiki K., Aizawa M. Study on steam reforming of CH4 and C2 hydrocarbons and carbon deposition on Ni-YSZ cermets // J. Power Sources. 2002. V. 112. P. 588.
Graf P.O., Mojet B.L., Ommen J.G.V., Lefferts L. Comparative study of steam reforming of methane, ethane and ethylene on Pt, Rh and Pd supported on yttrium-stabilized zirconia // Appl. Catal. A: Gen. 2007. V. 332. P. 310.
Veranitisagul C., Koonsaeng N., Laosiripojana N., Laobuthee A. Preparation of gadolinia doped ceria via metal complex decomposition method: Its application as catalyst for the steam reforming of ethane // J. Ind. Eng. Chem. 2012. V.18. P. 898.
Jeong S., Kim S., Lee B., Ryi S.-K., Lim H. Techno-economic analysis: Ethane steam reforming in a membrane reactor with H2 selectivity effect and profitability analysis // Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. P. 7693.
Волков И.Н. Разработка перспективных катализаторов на основе гетерогенных наноструктур нитрида бора. Автореферат дис. … канд. техн. наук / И.Н. Волков. М. 2022. 39 с.: ил. (на правах рукописи).
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.
Tiemersma T., Patil C., van Sint Annaland M., Kuipers I. Modelling of packet bed membrane reactors for autothermal production of ultrapure hydrogen // Chem. Eng. Sci. 2006. V. 61. P. 1602.
Gryaznov V.M. Hydrogen permeable palladium membrane catalyst. An aid to the efficient production of ultra pure chemicals and pharmaceuticals // Platinum Met. Rev. 1986. V. 36. P. 68.
Shirasaki Y., Tsuneki T., Seki T., Yasuda I., Sato T., Iton N. Improvement in hydrogen permeability of palladium membrane by alloying with transition metals // J. Chem. Eng. 2018. V. 51. P. 123.
Holleck G.L. Diffusion and solubility of hydrogen in palladium and palladium-silver alloys // J. Phys. Chem. 1970. V. 74. P. 503.
Fort D., Farr I., Hurris I.A. A comparison of palladium-silver and palladium-yttrium alloys as hydrogen separation membranes // J. Less-Common Met. 1975. V. 39. P. 293.
Sakamoto Y., Chen F.L., Furukawa M., Noguchi M. Permeability and diffusivity of hydrogen in Pd rich Pd–Y(Cd)–Ag ternary allows // J. Allows Comped. 1992. V. 185. P. 191.
Howard B.H., Killmeyer R.P., Rothenberger K., Cugini A.V. Hydrogen permeance of palladium-copper alloy membranes over a wide range of temperatures and pressures // J. Memb. Sci. 2004. V. 241. P. 207.
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. № 1. P. 3.
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 industrial nickel catalyst // Petrolium Chemistry. 2021. V. 61. № 1. P. 92.
Boeltken T., Wunsch A., Gietzelt T., Pfeifer P., Dittmeyer R. Ultra-compact microstructured methane steam reforming with integrated palladium membrane for onsite production of pure hydrogen: Experimental demonstration // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. V. 30. P. 18058.
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.
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.
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.
Бабак В.Н., Диденко Л.П., Семенцова Л.А., Квурт Ю.П. Оптимизация процесса парового риформинга метана в водородфильтрующем мембранном модуле с никелевым катализатором и фольгой из палладиевых сплавов // Теорет. основы хим. технол. 2022. Т. 56. № 3. С. 282.
Lin Y.M., Liu Sh.I., Chuang Ch.H., Chu Y.T. Effect of incipient removal of hydrogen through palladium membrane on the conversion of methane steam reforming: Experimental and modelling // Catal. Today. 2003. V. 82. № 1. P. 127.
Xu J., Froment G.F. Methane steam refoming, methanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics // AIChE J. 1989. V. 35. № 1. P. 88.
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.
Годунов С.К., Рябенький В.С. Разностные схемы. М.: Наука. 1973. 400 с.
Бабак В.Н., Диденко Л.П., Квурт Ю.П., Семенцова Л.А. Извлечение водорода из бинарных газовых смесей с помощью мембранного модуля на основе палладиевой фольги с учетом дезактивации мембраны// Теорет. основы хим. технол. 2018. Т. 52. № 3. С. 318.