Kinetic Analysis of Dry Reforming of Methane on Traditional and Membrane Catalysts

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article presents an analysis of the results of a kinetic study of dry reforming of methane (UCM) in reactors with traditional (TC) and membrane catalysts (MC). The kinetic experiment in reactors with MC and TC was performed in the temperature range of 820–900°C and the ratio CH4 : CO2 = 1 : 1. In the experiment, an intensification of the process of the methane cracking reaction was established, the rate constant of which increases by an order of magnitude. Such a difference in the results of the DRM on the studied catalysts are due to the intensification of mass transfer on the MC, which is based on the phenomenon of thermal slip. A mathematical description corresponding to the kinetic scheme of DRM process is proposed, and the rates constants of direct and reverse reactions in both reactors are found. In the DRM process, water gas is formed on the TC, and synthesis gas is formed on the MC. At TC, the DRM process is accompanied by the accumulation of carbon deposits (CD), and at MC this accumulation is absent. The DRM process on both catalysts is characterized by three main reactions (methane cracking, gasification of the CD with carbon dioxide and/or water vapor and the reverse water gas shift), which were assumed to be reversible under experimental conditions. It turned out that on TC the gasification of the CD occurs in the reverse reaction of methane cracking, and on the MC—in the reactions of gasification by water vapor (mainly) and carbon dioxide. The process on the MC is characterized by irreversible reactions of methane cracking, gasification of the CD with water vapor and carbon dioxide. The reverse water gas shift reaction on the MC remains reversible, and its rate constants of the direct and inverse reactions turned out to be an order of magnitude lower than similar constants on the TC.

About the authors

N. N. Gavrilova

Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

Email: skudin.v.v@muctr.ru
Russia, 125047 , Moscow

S. A. Gubin

Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

Email: skudin.v.v@muctr.ru
Russia, 125047 , Moscow

M. A. Myachina

Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

Email: skudin.v.v@muctr.ru
Russia, 125047 , Moscow

V. N. Sapunov

Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

Email: skudin.v.v@muctr.ru
Russia, 125047 , Moscow

V. V. Skudin

Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

Author for correspondence.
Email: skudin.v.v@muctr.ru
Russia, 125047 , Moscow

References

  1. Miachon S., Dalmon J.-A. // Topics in Catalysis. 2004. V. 29. № 1–2. P. 59–65.
  2. Algieri C., Coppola G., Mukherjee D., Shammas M.I., Calabro V., Curcio S., Chakraborty S. // Catalytic Membrane Reactors: The Industrial Applications Perspective. Catalysts. 2021. № 11. P. 691.
  3. Membrane Reactors: Distributing Reactants to Improve Selectivity and Yield. Edited by Andreas Seidel-Morgenstern Copyright © 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-32039-4.
  4. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. // Мембранное разделение газов M.: Химия, 1991. С. 334.
  5. Sirkar K.K., Shanbhag P.V., Kovvali A.S. // Membrane in a Reactor: A Functional Perspective. Ind. Eng. Chem. Res. 1999. V. 38. P. 3715.
  6. Li K. Ceramic Membranes for Separation and Reaction // John Wiley & Sons Ltd.: Hoboken, NJ, USA. 2007. P. 290.
  7. Haag S., Burgard M., Ernst B. // Catal. 2007. V. 252. P. 190–204.
  8. Westermann T., Melin T. // Chem. Eng. Proc. 2009. V. 48. P. 17–28.
  9. Pina M.P., Menhdez M., Santamaria J. // Appl. Catal. B Environ. 1996. V. 2. P. 19–27.
  10. Цодикова М.В., Тепляков В.В., Федотов А.С., Козицына Н.Ю., Бычков В.Ю., Корчак В.Н., Моисеева И.И. // Известия Академии наук. Серия химическая. 2011. № 1. С. 54–61.
  11. Bucharkina T.V., Gavrilova N.N., Kryzhanovskiy A.S., Skudin V.V., Shulmin D.A. // Petr. Chem. 2015. V. 55. № 10. P. 932–939.
  12. Gavrilova N.N., Sapunov V.N., Skudin V.V. // Chem. Eng. 2019. V. 374. P. 983–991.
  13. Gavrilova N.N., Gubin S.A., Myachina M.A., Skudin V.V. // Membranes. 2021. V. 11. P. 497.
  14. Gavrilova N., Gubin S., Myachina M., Sapunov V., Skudin V. // Membranes. 2022. V. 12. P. 136.
  15. Karniadakis G., Beskok A., Aluru N. Microflows and Nanoflows: Fundamentals and Simulation; Springer Science & Business Media: Berlin, Germany, 2005. P. 817.
  16. Levenspiel Chemical Reaction Engineering, 3rd Ed. // John Wiley & Sons, 1999. P. 392.
  17. Vargo S.E., Muntz E.P., Shiflett G.R., Tang W.C. // Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. № 4. P. 2308–2313.
  18. Gupta N.K., Gianchandani Y.B. // Micromech. Microeng. 2011. V. 21. P. 095029.
  19. Gupta N.K., Gianchandani Y.B. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. P. 193511.
  20. Song-Bai T., Fa-Li Q., Shao-Jie L. // Nat. Gas Reform. 1997. № 6. P. 51–59.
  21. Lavoie J.-M. // Frontiers in Chem. 2014. № 2. P. 1–17.
  22. Pina P., Mallada R. // Int. J. Eng. 2004. V. 20. № 6. P. 1074–1084.
  23. Скудин В.В., Шамкина Н.А., Шульмин Д.А. // Хим. пром. сегодня. 2011. № 9. C. 6–17.
  24. Gavrilova N., Dyakonov V., Myachina M., Nazarov V., Skudin V. // Nanomaterials. 2020. № 10. P. 2053.
  25. Mark M.F., Mark F., Maier W.F. // Chem. Eng. Technol. 1997. № 20. P. 361–370.
  26. Abreu C.A.M., Santos D.A., Pacıfico J.A., Lima N. // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 4617–4622.
  27. Barroso Quiroga M.M., Castro Luna A.E. // Ind. Eng. Chem. Res. 2007. № 46. P. 5265–5270.
  28. Khoshtinat Nikoo M., Amin N.A.S. // Fuel Proc. Technol. 2011. № 92. P. 678–691.
  29. Fan M.S., Abdullah A.Z., Bhatia S. // Chem. Cat. Chem. 2009. № 1. P. 192–208.
  30. Satterfield C.N. Mass transfer in heterogeneous catalysis // M.I.T. Press. 1970. P. 267.
  31. Zhu B., Li H., Yang W. // Cat. Tod. 2003. № 82. P. 91–98.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (176KB)
3.

Download (26KB)
4.

Download (280KB)
5.

Download (361KB)
6.

Download (137KB)

Copyright (c) 2023 Н.Н. Гаврилова, С.А. Губин, М.А. Мячина, В.Н. Сапунов, В.В. Скудин

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».