CC BY
4
© Карттов ИД. УДК 620.93
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА ПРИ РЕГЕНЕРАТИВНОМ ПОДОГРЕВЕ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ВСТАВКИ
Карпилов И.Д.
Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия
ORCID: https://orcid.org/>0000-0001-6604-6026, igorkarpilov@mail.ru
Резюме: Паровая конверсия метана (ПКМ) используется для производства более 45% мировых запасов водорода. Подогрев каталитической вставки по регенеративному способу для проведения паровой конверсии метана представляет значительный интерес из-за отсутствия термического сопротивления стенки реактора. ЦЕЛЬ. Целью данной работы являлось исследование рабочих параметров (распределение температурного поля и концентраций основных реагентов) паровой конверсии метана в реакторе с регенеративным подогревом каталитической вставки. МЕТОДЫ. В качестве метода исследования было выбрано компьютерное моделирование в программном продукте ANSYS Fluent, которое с помощью решения систем дифференциальных уравнений конечно-элементным способом позволяет визуализировать основные характеристики процесса. РЕЗУЛЬТАТЫ. Максимальная концентрация П2 при протекании химической реакции обнаруживается в центре катализаторов благодаря большему времени пребывания реакционной смеси. С начального момента времени и до конечного концентрация водорода в продуктах конверсии метана снизилась на 39%, а степень конверсии метана снизилась на 38% с 0,23 до 0,143. При входной скорости 1,5 м/с смеси пара и метана в цикле охлаждения вставки и входной скорости греющего газа 8 м/с в цикле нагрева, охлаждение вставки идёт гораздо интенсивнее за счет активного поглощения теплоты. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате компьютерного моделирования реакций ПКМ на предварительно подогретой каталитической вставке было определено распределение температур, а также распределение массовой доли основных реагентов, выявлен состав синтез-газа в разные промежутки времени. Полученная компьютерная модель может быть использована в процессе проектирования реактора ПКМ, работающего по регенеративному принципу, для прогноза скорости охлаждения каталитической вставки в ходе реакций ПКМ, а также для её скорости нагрева при различной подаче дымовых газов.
Ключевые слова: паровая конверсия метана; водородное топливо; компьютерное моделирование; Ansys Fluent; синтез-газ; регенеративный подогрев.
Благодарности: Исследование выполнено в рамках работы над грантом РИФ № 19-1900327, тематика: Разработка и оптимизация технологии термохимической регенерации теплоты продуктов сгорания органического топлива: экспериментальное и численное исследование.
Для цитирования: Карпилов И. Д. Исследование нестационарного процесса паровой конверсии метана при регенеративном подогреве каталитической вставки // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №4 (56). С. 3949.
INVESTIGATION OF THE UNSTEADY PROCESS OF METHANE STEAM REFORMING DURING REGENERATIVE HEATING OF A CATALYTIC INSERT
ID. Karpilov
Samara State Technical University, Samara, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6604-6026, igorkarpilov @mail.ru
Abstract: Steam reforming of methane (SMR) is used to produce more than 45% of the world's hydrogen reserves. The heating of the catalytic insert by the regenerative method for steam reforming of methane is of considerable interest due to the absence of thermal resistance of the reactor wall. PURPOSE. The purpose of this work was to study the operating parameters (distribution of the temperature field and concentrations of the main reactants) of steam reforming
of methane in a reactor with regenerative heating of the catalytic insert. METHODS. As a research method, computer simulation in the ANSYS Fluent software product was chosen, which, by solving systems of differential equations using a finite element method, allows visualizing the main characteristics of the process. RESULTS. The maximum concentration of H2 during the course of a chemical reaction is found in the center of the catalysts due to the longer residence time of the reaction mixture. From the initial moment of time to the final one, the hydrogen concentration in the methane conversion products decreased by 39%, and the degree of methane conversion decreased by 38% from 0.23 to 0.143. With an inlet speed of 1.5 m/s of a mixture of steam and methane in the insert cooling cycle and an inlet velocity of the heating gas of 8 m/s in the heating cycle, the insert is cooled much more intensively due to the active absorption of heat. CONCLUSION. As a result of computer simulation of SMR reactions on a preheated catalytic insert, the temperature distribution was determined, as well as the distribution of the mass fraction of the main reagents, the composition of the synthesis gas was revealed at different time intervals. The resulting computer model can be used in the process of designing a SMR reactor operating on a regenerative principle to predict the cooling rate of the catalytic insert during SMR reactions, as well as for its heating rate at different flue gas supply.
Keywords: steam methane reforming; hydrogen fuel; computer simulation; Ansys Fluent; synthesis gas; regenerative heating.
Acknowledgements: The research was carried out within the framework of the work on the grant of the Russian National Science Foundation No. 19-19-00327, subject: Development and optimization of the technology of thermochemical heat recovery of combustion products of organic fuels: experimental and numerical research.
For citation: Karpilov ID. Investigation of the unsteady process of methane steam reforming during regenerative heating of a catalytic insert. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14(56):39-49.
Введение
В последнее десятилетие наблюдается рост потребления ископаемого топлива, что приводит к проблемам, связанным с изменением климата [1]. Основной проблемой является глобальное потепление, возникшее из-за значительных выбросов С02 в результате сжигания ископаемого топлива [2]. Одним из многообещающих способов сдерживания глобального потепления является производство водорода. Благодаря экологичному сжиганию водорода, он может заменить ископаемое топливо и, таким образом, стать связующей технологией для перехода к чистым источникам энергии [3]. Таким образом, технологии, направленные на производство водорода, будут стремительно развиваться. Постоянный рост мирового спроса на водород приведет к потреблению 200 млн тонн в год к 2030 году [4]. Паровая конверсия метана (ПКМ) широко используется для производства водорода и составляет около 45% образующегося водорода [5]. Риформинг метана - это процесс превращения метана в топливо - синтез-газ (с высокой концентрацией Н2) в ходе эндотермических реакций. Он пользуется широкой популярностью по ряду причин: природный газ является распространенным и дешевым топливом, высокая эффективность процесса, низкие капитальные и производственные затраты [6]. Кроме того, риформинг метана является экологически чистой технологией, поскольку выбросы МЗх невелики, и процесс может привести к нулевым выбросам, если используется улавливание углерода [7]. Благодаря этим факторам он останется одной из основных технологий производства водорода в жизнеспособном будущем. Многочисленные статьи были посвящены исследованию и совершенствованию процесса риформинга метана.
В последнее десятилетие СРБ-моделирование становится важным инструментом для изучения процесса конверсии метана. С помощью компьютерного моделирования можно сравнивать различные конструктивные решения, влияние эксплуатационных характеристик и детально изучать распределение температурного поля и компонентов реакции как в стационарном, так и в нестационарном процессе. Ву и соавторы численно исследовали процесс риформинга метана с водяным паром на сферических катализаторах с осевым переменным диаметром [8]. Основной вывод заключался в том, что производство Н2 увеличивается на 4,5% в структуре с переменным осевым диаметром из-за возмущений потока, которые усиливают перемешивание и, следовательно, скорость реакции. Упадхьяй и др. исследовали пути улучшения производства водорода в мембранных риформерах [9].
Авторы решили использовать компьютерное моделирование в программе Ашув для определения оптимальных условий эксплуатации. Результаты показали, что температурный интервал 673-973 К является оптимальным для проведения реакции и проникновения водорода за мембрану. Сокращение времени пребывания смеси привело к снижению образования Н2 и проницаемости из-за ограниченного времени реакции. Кроме того, изменение соотношения пар/углерод с 1 до 3 привело к увеличению конверсии метана на 4%.
Наиболее распространенным путем процесса ПКМ являются химические реакции с внешним подводом тепла, протекающие на поверхности пористых катализаторов [10]. В этих реакторах пар предварительно смешивается с природным газом и затем подается в зону реакции. Внешнее тепло вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива или солнечного нагрева [11], а затем подается на стенки реактора. Сама реакция протекает на катализаторах с различной формой поверхности и материалом. Однако этот способ теплообмена имеет значительный недостаток, связанный с материалом стенки риформера. Из-за высокой температуры отходящих дымовых газов стенка реактора имеет высокую температуру со стороны зоны подачи тепла и неравномерное распределение температуры с внутренней стороны, поскольку происходят сильно эндотермические реакции ПКМ. Таким образом, стенка реактора подвергается значительному тепловому напряжению, что может привести к разрушению материала. Кроме того, теплообмену между отходящими газами и реакционной смесью препятствует тепловое сопротивление, создаваемое стенкой реактора.
Хисаси Кобаяси предложил регенеративный цикл для реакций риформинга метана [12]. Принципиальная схема представлена на рис.1. Весь процесс состоит из последовательного нагрева и охлаждения уплотненного слоя. Сначала насадку катализатора в установке риформинга 1 предварительно нагревают отходящими дымовыми газами до температуры, благоприятной для реакций риформинга метана с водяным паром. После того, как насадка достаточно нагреется, дымовые газы перенаправляются в риформер 2. Тем временем реакционная смесь СН4 и Н20 подается в подогретый риформер 1, где накопленное тепло расходуется в ходе реакций паровой конверсии метана. После охлаждения риформера 1 до определенной температуры, при которой скорость реакции значительно замедляется, потоки перенаправляются, и риформер 1 начинает нагреваться за счет тепла дымовых газов, в то время как риформер 2 начинает охлаждаться за счет эндотермических реакций. Продукты реакции - газ с высокой концентрацией Н2 обычно хранятся или сразу используются в качестве топлива для горелок. Основным преимуществом этого способа теплоснабжения является отсутствие теплового сопротивления стенки реактора. В ходе литературного обзора было выявлено, что исследования на данную тему представлены в крайне ограниченном количестве.
Актуальность исследования состоит в том, что регенеративный способ передачи теплоты может значительно увеличить эффективность использования греющего теплоносителя в ходе цикла подогрева каталитической вставки. Таким образом, изучение паровой конверсии метана по регенеративному циклу представляет значительный научный и практический интерес.
Риформер 1 Риформер 2
0 10 20 30 40 Время цикла
- риформинг
50 60 - нагрев газами
Рис. 1. Схема последовательного нагрева и Fig.l Scheme of sequential heating and
охлаждения каталитической вставки cooling of the catalytic insert.
Целью данной работы являлся поиск оптимальных параметров для проведения эндотермических реакций. Для решения поставленной цели было проведено численное моделирование процесса паровой конверсии метана. Для установления зависимости эффективности проводимых реакций от рабочих параметров были проанализированы мольные доли продуктов реакции, а также распределение температуры внутри каталитической вставки в разные моменты времени.
Научная значимость представленного исследования состоит в изучении параметров работы реактора паровой конверсии метана в условиях предварительного подогрева
каталитической вставки. Полученные результаты позволяют выявить скорость нагрева и охлаждения катализаторов, а также наглядно представляют распределение концентраций основных реагентов в разные моменты времени.
Практическая значимость данной работы заключается в создании компьютерной модели, которая позволяет оценить скорость охлаждения и нагрева вставки, а также даёт информацию о составе синтез-газа в зависимости от выбранного режима работы. Такая модель необходима в процессе проектирования установки паровой конверсии метана, работающей по регенеративному принципу нагрева.
Материалы и методы
В данном исследовании для анализа процесса нестационарной паровой конверсии метана была создана численная модель в программном продукте «Ansvs Fluent». В качестве исследуемой геометрии был выбран реактор, состоящий из 10 цилиндрических катализаторов. Похожая геометрия была использована Картиком и Бувой для исследования влияния формы катализатора на ход реакций ПКМ [13]. Расчетная геометрия была создана в программе «Design modeler» и представлена на рис.2. Цилиндрический реактор с диаметром 14.5мм и высотой 283мм заполнен 10 цилиндрическими катализаторами с высотой и диаметром Н=10мм и D=10mm, соответственно. Пустая зона перед катализаторами предназначена для того, чтобы поток развился до столкновения с катализаторами, а пустая зона за катализаторами предназначена для предотвращения обратного тока вследствие образования вихрей.
Направление потока
/ Стенка риформера D=10 мм
Н=10 ММ
283 мм • J
Рис. 2. Расчетная геометрия. Fig. 2 Model geometry
На расчетную геометрию было наложена сетка во встроенным в Ansvs модуле Meshing. Сетка изображена на рис.3, она состоит преимущественно из треугольных элементов, общее количество которых превышает 7,8 млн элементов. Для лучшего расчета потока вблизи стенок был нанесен пограничный слой со внутренней и внешней стороны катализатора, а также на стенку реактора.
Рис. 3. Поперечный разрез расчетной сетки в Fig.3 Cross section of the computational grid in the средней части риформера middle part of the reformer.
Основные уравнения
Для расчета динамики потока были использованы уравнения сохранения импульса, а также уравнение неразрывности. Так как в модель был включен теплообмен, то также было добавлено уравнение сохранения энергии. Так как задача была решена в нестационарной формулировке, вид уравнений отличается от стационарной записи.
Уравнение неразрывности в нестационарной форме (1) записывается как:
dft + V • (pv) = 0 (1)
Уравнение сохранения моментов (2) в присутствии пористой каталитической вставки выглядит как:
V • (pvv) = -V • р + V • (т) + рд + F + 5¿ (2)
где р - статическое давление, рд и F - удельный вес тела и внешние массовые силы, t -время, v - вектор скорости, 5¿ - импульс, создаваемый пористой средой. Тензор напряжения находится выражением (3):
? = n[(Vv + vT) -^V • v/] (3)
где ц - молекулярная вязкость, / - единичный тензор, а второй член правой части выражения - это эффект от увеличения объема.
В качестве пористого катализатора был выбран Ni катализатор на подложке из а-А1. Такой катализатор является одним из самых распространенных благодаря его невысокой стоимости при значительном ускорении реакций ПКМ. Член S¿, который является добавочным в уравнение (2) при использовании пористых структур рассчитывается с помощью вязких и инерционных потерь. Для однородной пористой структуры он принимает вид (4):
Si = -^vi + C2\p\v\vi] (4)
где а - коэффициент проницаемости, С2 - коэффициент инерционного сопротивления. Эти коэффициенты рассчитываются при помощи уравнения Эргуна (5), (6):
2 р?
= (5) 150 w
= (6)
UV zíp
где Эр - средний диаметр поры катализатора, а £ф- пористость катализатора.
Для расчета динамики потока жидкости использовалась модель турбулентности к-е, которая традиционно представляет собой компромисс между удовлетворительной точностью расчета и требуемой вычислительной мощностью. Уравнения для к (7) и е (8) соответственно приведены ниже:
а д ( дк\
— (Р^)=— \*к\Ь„Ц ) + С* + Сь
-р e-YM+Sk (7)
д д ( де\
+Cle f (Gfc + C3eGb) - С2ер el-Re + Se (8)
где С/с - генерация кинетической энергии турбулентности за счет градиентов средней скорости, Ум - вклад переменного расширения в сжимаемой турбулентности в общую скорость диссипации; Сь - генерация кинетической энергии за счет разности плотностей, ак и ае - обратные эффективные числа Прандтля для кие.
Уравнение сохранения энергии (9) для каждого компонента реакции представлено
как:
V • и(р + р • hf) = V •
keff ■ Vr -
- te ■ Ъ)
+ т •
+ S
(9)
где Т - температура реакционной смеси, /у - энтальпия реакционной смеси, -диффузионный поток реагента), - дополнительный член, описывающий прибавку или вычет энтальпии газа (в том числе в ходе химических реакций).
Основные реакции, участвующие в процессе паровой конверсии метана, являются эндотермическими. В процессе происходит огромное количество промежуточных реакций, но основными являются: реакция паровой конверсии метана (10), реакция водяного газа (11), а также реакция глобальной конверсии метана, которая является результирующей предыдущих двух реакций (12).
СН4 + Н20 О СО + ЗН2,ЛН298 = 20б,1кДж (10)
СО + Н20 о С02 + Н2,ДН298 = -
41.1кДж
СН4 + 2Н20 о С02 + 4Н2,ДН298 =
165.0кДж
(П) (12)
Как видно из этих реакций, основными продуктами реакции должны являться водород и двуокись углерода.
Для скорости конверсии метана учеными Ксю и Фроментом [14] было получено следующее выражение (13):
гсн4
fci
\ Рсн4 ■ Рн2о
+
Рн2 Рсо . Km
p3.5 \ РСН4 ' РН20
Рн2-Рсо2
1
Q?
(13)
где ~~ кинетическая константа скорости реакции (10), (11) и (12), Ке 12 3 - константа равновесия соответствующих реакций.
В этом вьфажении знаменатель Qr определяется исходя из следующей зависимости
(14):
Qr = 1 + Ксо ■ peo + КН2 ■ рн2 +
^н2оРн2о
+КСН. ' Рсн4 + '
Рн2
(14)
Граничные условия
В рамках данной работы проводился численный эксперимент, в ходе которого осуществлялась реакция ПКМ на предварительно подогретых катализаторах. Начальная температура подогретых катализаторов составляла 927 °С, а смесь из метана и водяного пара подавалась на вход с температурой 426°С и мольным соотношением водяной пар/метан 1:1. Скорость смеси пара и метана на входе составляла 1,5 м/с и оставалась постоянной. Начальная скорость дымовых газов, подогревающих смесь, была 8м/с, что объясняется наличием гораздо большего объема продуктов сгорания за счет большого количества воздуха, используемого для сжигания топлива.
Расчеты велись нестационарном режиме с временным шагом 0,001с для получения сходимости решения по числу куранта из условия: Сг < 1. Общее время цикла охлаждения за счет реакции длилось 15с, затем осуществлялся нагрев дымовыми газами с температурой 977 °С до момента. Пока средняя температура катализатора не достигала исходных 927 °С. В рамках данной задачи было принято допущения о том, что стенки считались адиабатными. Плотность катализатора была равна 680 кг/мЗ, теплоемкость составляла 600Дж/(кг К), а пористость частиц задавалось е1р = 0.41.
В ходе СРВ-моделирования использовался второй порядок дискретизации всех величин, критерий сходимости был установлен для всех величин не более 10-3, кроме уравнения энергии - для него критерий сходимости был понижен до 10-6.
Результаты
Цикл охлаждения каталитической вставки
Процесс парового риформинга был разделен на две стадии: охлаждения и нагрева. Сначала на заранее подогретый катализатор подавалась холодная смесь из водяного пара и метана для проведения реакций паровой конверсии метана. На рис.1 показаны контуры распределения температур в различные моменты времени цикла охлаждения каталитической вставки.
Os Is 2s 5s 10s 15s
Рис. 4. Контуры распределения температуры в Fig.4 Temperature distribution contours at
различные моменты времени цикла охлаждения different times of the catalytic insert cooling cycle каталитической вставки
В нулевой момент времени средняя температура катализаторов является одинаковой. С течением времени температура катализаторов заметно снижается, что вызвано активным поглощением теплоты в ходе резко эндотермических реакций.
На рис.5 изображены контуры распределения массовой доли метана в различные моменты времени. В начальный момент времени смесь ещё не подается в реактор, поэтому концентрация метана равна 0. На временном шаге 1с можно видеть, что концентрация метана убывает от входа в расчетную зону к выходу, это связано с поглощением метана в ходе реакций паровой конверсии метана. В этот момент времени на первом катализаторе наблюдается активная конверсия метана вследствие все ещё высокой температуры катализатора, а также из-за динамики потока, так как поток вынужден проникать в катализатор и ещё не прижат к стенкам реактора.
Os 1 s
2s
5s 10s 15s
Рис. 5. Конутры распределения массовой Fig.5 Contours of the distribution of the mass
доли метана в продольном сечении в различные fraction of methane m the longitudinal section at моменты времени. different points in time.
Основным продуктом реакции является водород, контуры распределения которого представлены на рис. 6. Максимальная концентрация водорода наблюдается в центре катализатора из-за наибольшего времени пребывания смеси. Также можно отметить обратную картину распределения водорода в сравнении с распределением концентрации метана (рис.5). С течением времени количество полученного водорода убывает, что связано
Temperature
[С]
ПЛ (А А Л о> (&> ПЛ
!>>(£»«• ci1 л!4 <&
К <ii«yXi
К ."Л^Л
с уменьшением температуры катализаторов и, как следствие, замедлением скорости реакции.
H2.Mass Fraction
15s ^^^^^^ ^
Рис. 6. Конутры распределения массовой Fig.6 Contours of the distribution of the mass
доли водорода в продольном сечении в fraction of hydrogen in the longitudinal section at
различные моменты времени. different points in time.
Массовая доля всех компонентов реакции дает информацию о том, какая именно динамика образования и поглощения реагентов обнаруживается в ходе реакций. Наглядно увеличение и уменьшение массовых концентраций веществ представлено на рис.7. Характер убывания концентрации водорода и двуокиси углерода - почти линейный, что говорит о постепенном снижении скорости реакции с течением времени. С начального момента времени и до конечного концентрация водорода в продуктах конверсии метана снизилась на 39%, а степень конверсии метана снизилась на 38% с 0.23 до 0,143.
Рис. 7. График изменения массовой доли Fig.7 Graph of the change in the mass fraction of the
основных компонентов реакций ПКМ на выходе main components of the PCM reactions at the outlet из реактора в зависимости от времени процесса. of the reactor, depending on the process time.
Цикл- нагрева каталитической вставки
В конце цикла охлаждения температура катализаторов заметно снижается, поэтому необходим подогрев каталитической вставки до изначальной температуры. На рис.8 представлены контуры распределения температуры внутри реактора, а также на катализаторах. Подогрев осуществлялся за счет тепла дымовых газов с начальной температурой 977°С. В начальный момент времени температура катализаторов была задана идентичной средней температуре каждого катализатора на момент завершения цикла охлаждения. В процессе нагрева происходит постепенное увеличение температуры каталитической вставки, причем температуры первых катализаторов довольно быстро достигает значений начальной температуры дымовых газов. Сначала дымовые газы отдают теплоту первым катализаторам и до последующих тепло доходит лишь с процессом прогрева первых по ходу движения.
Total Temperature [С]
& £> v4 л «> dv> & а fcP Л5 Л <Ь ч? is5 о?
0s
4s
8s
12s E4*>\ Я <>L
16s
21.8s 4 \ ^
Рис. 8. Распределение температурного поля Fig.8 Distribution of the temperature field inside
внутри реактора и на катализаторах в различные the reactor and on the catalysts at different times
моменты времени в ходе подогрева дымовыми during heating with flue gases. газами.
На рис.9 изображена зависимость изменения средней температуры каталитической вставки (все 10 катализаторов) от времени цикла при процессе нагрева за счет горячих газов и охлаждении за счет реакций ПКМ. При скорости потока на входе 1,5 м/с в случае охлаждения и 8 м/с в случае нагрева, охлаждение идёт гораздо интенсивнее за счет активного поглощения теплоты. Для восполнения затраченного тепла необходимо примерно в 1,5 раза больше времени при температуре греющих газов 977 градусов. Также по структуре линии охлаждения можно заключить, что на первых временных шагах охлаждение идёт интенсивнее. Этот эффект обосновывается большей разностью температур между реагентами холодной смеси (пар и метан) и подогретыми катализаторами. Со временем разница температур становится меньше и охлаждение происходит умеренней.
0 2 4 6 8
Рис. 9. Зависимость средней температуры всей каталитической вставки от времени цикла при нагреве газами и охлаждении за счет реакций ПКМ.
10 12 14 16 18 20
t (o)
Fig. 9 Dependence of the average temperature of the entire catalytic insert on the cycle time during heating with gases and cooling due to PCM reactions.
Выводы
В данной работе было проведено численное моделирование процесса паровой конверсии метана в нестационарной постановке с регенеративным подогревом каталитической вставки. Среди основных результатов можно отметить следующие:
1. Максимальная концентрация Н2 при протекании химической реакции обнаруживается в центре катализаторов благодаря большему времени пребывания реакционной смеси. С начального момента времени и до конечного концентрация водорода в продуктах конверсии метана снизилась на 39%, а степень конверсии метана снизилась на 38% с 0,23 до 0,143. При этом снижение средней температуры вставки составило 120 °С.
2. При сравнении скорости охлаждения и нагрева каталитической вставки, охлаждение идёт гораздо интенсивнее за счет активного поглощения теплоты. Для восполнения затраченного в ходе эндотермических реакций тепла необходимо примерно в
1,5 раза больше времени при температуре греющих газов 977 градусов и их скорости 8м/с, что в 5,3 раза больше входной скорости смеси пара и метана.
Полученная компьютерная модель может быть использована для прогноза скорости охлаждения каталитической вставки в ходе реакций ПКМ, а также для её скорости нагрева при различной подаче дымовых газов. Таким образом, при расчете усложненной геометрии реактора и различной входной скорости основных потоков можно получить данные о распределении температур, а также составе синтез-газа в любой момент времени течения процесса.
Заключение
Полученные результаты демонстрируют похожие зависимости скорости конверсии метана и количество полученного водорода, что и в исследованиях ученых [9], [10], [11]. Основными факторами, влияющими на скорость конверсии метана, являлись температура реакционной смеси и соотношение СН4 : Н20. При схожих составах реакционной смеси максимальных температурах в реакторе, наблюдалась схожая мольная доля водорода [11]. Однако, данные исследования были проведены в стационарной постановке задачи, к тому же способ передачи теплоты от горячих газов к каталитической вставке был рекуперативным. Основное приращение научного знания в данном исследовании состоит в анализе основных характеристик процесса паровой конверсии метана в нестационарном процессе с регенеративным подводом теплоты.
Литература
1. Забиров Э.М. и др. ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ СМЕШЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА С АТМОСФЕРНЫМ ВОЗДУХОМДЛЯ ЭКОНОМИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПРИ ВЫРАБОТКЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12. №. 2. С. 68-75.
2. Гильфанов К.Х., Гайнуллин Р.Н., Нгуен Т. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12. №. 1. С. 46-53.
3. Majumdar A. et al. A framework for a hydrogen economy //Joule. 2021. Т. 5. №. 8. С. 1905-1908.
4. Tsiropoulos I. et al. Towards net-zero emissions in the EU energy system by 2050 // Insights from Scenarios in Line with the. 2020. 2030.
5. Sheu W. J., Chu C. S., Chen Y. C. The operation types and operation window for high-purity hydrogen production for the sorption enhanced steam methane reforming in a fixed-bed reactor // International Journal of Hydrogen Energy. - 2021.
6. Kannah R.Y. et al. Techno-economic assessment of various hydrogen production methods-A review//Bioresource technology. 2021. T. 319. C. 124175.
7. Тимофеева C.C., Караева Ю В. ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА НИЗКОСОРТНОГО ТОРФА НА ОСНОВЕ ГАЗИФИКАЦИИ // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13. №. 2. С. 15-26.
8. Wu Z. et al. Methane steam reforming with axial variable diameter particle structures in grille-sphere composite packed bed: A numerical study of hydrogen production performance //Energy Conversion and Management. 2021. T. 240. C. 114163.
9. Upadhyay M. et al. CFD simulation of methane steam reforming in a membrane reactor: Performance characteristics over range of operating window // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. T. 46. №. 59. C. 30402-30411.
10. Zhang Y. et al. Combined steam and C02 reforming of methane over Co-Ce/AC-N catalyst: Effect of preparation methods on catalyst activity and stability // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. T. 47. №. 5. C. 2914-2925.
11. Siavashi M., Hosseini F., Bahrami H. R. T. A new design with preheating and layered porous ceramic for hydrogen production through methane steam reforming process //Energy. -2021. T. 23l.C. 120952.
12. Kobayashi H. Thermochemical regenerative heat recovery process : пат. 6113874 США. 2000.
13. Karthik G.M., Buwa V V. Effect of particle shape on catalyst deactivation using particle-resolved CFD simulations // Chemical Engineering Journal. 2019. T. 377. C. 120164.
14. Xu J., Froment G. F. Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics // AIChE journal. 1989. T. 35. №. 1. C. 88-96.
© Карттов II. Д.
Авторы публикации
Карпилое Игорь Дмитриевич - аспирант. Самарский государственный технический университет, г. Самара. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6604-6026. Email: igorkarpilovi@mail.ru
References
1. Zabirov EM. et al. INTRODUCTION OF A SYSTEM FOR MIXING NATURAL GAS WITH ATMOSPHERIC AIR TO SAVE NATURAL GAS IN THE PRODUCTION OF THERMAL ENERGY. Bulletin of Kazan Technological University. 2020;12(2):68-75.
2. Gilfanov KH, Gainullin RN, Nguen T. ENERGY-SAVING HEATING SYSTEM FOR ELECTRIC POWER FACILITIES. Bulletin of Kazan Technological University. 2020;12(1):46-53.
3. Majumdar A. et al. A framework for a hydrogen economy. Joule. 2021;5(8):1905-
1908.
4. Tsiropoulos I. et al. Towards net-zero emissions in the EU energy system by 2050. Insights from Scenarios in Line with the. 2020.
5. Sheu YVJ, Chu CS, Chen YC. The operation types and operation window for high-purity hydrogen production for the sorption enhanced steam methane reforming in a fixed-bed reactor. International Journal of Hydrogen Energy. 2021.
6. Kannah R. Y. et al. Techno-economic assessment of various hydrogen production methods-A review. Bioresource technology. 2021;319:124175.
7. Timofeeva SS, Karaeva YV. THERMOCHEMICAL PROCESSING OF LOW-GRADE PEAT BASED ON GASIFICATION. Bulletin of Kazan Technological University. 2021:13(2)5:15-26.
8. Wu Z. et al. Methane steam reforming with axial variable diameter particle structures in grille-sphere composite packed bed: A numerical study of hydrogen production performance Energy Conversion and Management. 2021;240:114163.
9. Upadhyay M. et al. CFD simulation of methane steam reforming in a membrane reactor: Performance characteristics over range of operating window. International Journal of Hydrogen Energy. 2021;46(59):30402-30411.
10. Zhang Y. et al. Combined steam and C02 reforming of methane over Co-Ce/AC-N catalyst: Effect of preparation methods on catalyst activity and stability. International Journal of Hydrogen Energy. 2022;47(5):2914-2925.
11. Siavashi M, Hosseini F, Bahrami HR. T. A new design with preheating and layered porous ceramic for hydrogen production through methane steam reforming process. Energy. 2021:231:120952.
12. Kobayashi H. Thermochemical regenerative heat recovery process: patent. 6113874 USA. 2000.
13. Karthik GM, Buwa W. Effect of particle shape on catalyst deactivation using particle-resolved CFD simulations. Chemical Engineering Journal. 2019:377:120164.
14. Xu J, Froment GF. Methane steam reforming, inethanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics. AIChEjournal. 1989;35(l):88-96.
Authors of the publication
Igor D. Karpilov - postgraduate student. Samara State Technical University, Samara, Russia. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6604-6026. Email: igorkarpilov@mail.ru
Получено 26.10.2022г.
Отредактировано 14.11.2022г.
Принято 21.11.2022г.
