بخشی از مقاله
چکیده
واکنش تغییر آب گاز یک گام مهم برای تبدیل سوختهای فسیلی به گاز هیدروژن برای تولید محصولات شیمیایی و تولید توان است. راکتور غشائی کاتالیستی با نفوذ گزینشی گاز هیدروژن میتواند باعث بهبود همزمان میزان تبدیل واکنش و جداسازی گاز هیدروژن از گاز دی اکسید کربن شود. در این کار واکنش شیفت آب گاز در یک رآکتور تیوپی غشائی به صورت سه بعدی شبیه سازی شده و نتایج به دست آمده با نتایج تجربی این راکتور مقایسه شده است.
نتایج نشان دادند که دما، نسبت بخار آب به مونواکسید کربن و سرعت حجمی فضایی فاکتور های کلیدی هستند که عملکرد رآکتور غشائی شیفت آب گاز را مشخص میکنند. در دمای 500 درجه سانتی گراد هنگامی که نسبت بخار آب به مونواکسید کربن برابر 3 و سرعت فضایی ساعتی گاز، 72000 بر ساعت میباشد درصد تبدیل مونواکسید کربن به %82 و ریکاوری گاز هیدروژن به %13 میرسد. افزایش دما و کاهش سرعت فضایی ساعتی گاز سبب افزایش درصد تبدیل مونوکسیدکربن و در نتیجه افزایش نرخ تولید هیدروژن و همچنین افزایش نرخ ریکاوری هیدروژن میگردد. این در حالی است که افزایش نسبت بخار آب باعث کاهش نرخ ریکاوری هیدروژن میشود.
-1 مقدمه
با توجه به کاربرد فراوان هیدروژن و افزایش نرخ تقاضا برای هیدروژن برای مثال در پیل های سوختی نیاز به استفاده از هیدروژن بسیار خالص زیاد است، و بنابراین نیاز به کاهش ناخالصی ها در گاز هیدروژن، از جمله ناخالصی CO وجود دارد. هیدروژن به وسیله تقطیر تبریدی، جذب نوسانی فشار و غشاء جداسازی میشود که ما در اینجا به بررسی تولید هیدروژن با استفاده از واکنش تغییر آب گاز همراه با غشا پرداخته ایم. با استفاده از واکنش تغییر آب گاز، نسبت هیدروژن به منواکسید کربن در گاز سنتز را تنظیم می شود.
واکنش تغییر آب گاز - Water Gas Shift - ، واکنشی گرمازا، برگشت پذیر و از نظر ترمودینامیکی محدود شده در دماهای بالاست. راکتورهای WGS معمولا چند مرحله ایی هستند و در دماهای متفاوت انجام می گیرند. راکتور WGS در دمای بالای 350-450œC با کاتالیست بر پایه آهن کار می کنند، در حالیکه در دمای پائین 190-250œC با استفاده از کاتالیست مس کار می کند. جداکردن یکی از محصولات H2 - یا - CO2 از ناحیه واکنش، محدودیت تعادلی واکنش WGS را از بین می برد و به صورت قابل توجه ایی میزان تبدیل CO را تقویت می کند.[1]
راکتورهای غشایی برای انجام واکنش WGS، غشا جداسازی هیدروژن دارند. جداسازی هیدروژن موجب میزان تبدیل بالای مونواکسیدکربن می شود و جریان تراوش نکرده که عمدتا حاوی CO2 است، بدست می آید.[1] پایداری شیمیائی، مکانیکی و گرمائی بالایی برای غشا در راکتورهای WGS مورد نیاز است. غشاهای Pd و برپایه Pd تراوش پذیری هیدروژن بالا و فعالیت بالائی دارند ولی مشکلات طول عمر متوسط و شکستگی بالا را دارند که کاربرد آنها را محدود می کند.[1] غشاهای زئولیتی میکرو متخلخل گزینش پذیری و عملکرد خوب جداسازی هیدروژن دارند و مسیر جدیدی را در توسعه راکتورهای غشائی WGS ایجاد کرده اندWGSR .[1]یک واکنش های صنعتی مهم است که در ساخت آمونیاک، هیدروکربن ها، متانول و هیدروژن استفاده میشود.
در فرآیند فیشر- تروپش1، WGSR یکی از مهم ترین واکنش های مورد استفاده برای تعادل نسبت H2 / CO است. این فرآیند یک منبع هیدروژن را با هزینهای برابر با هزینه تولید مونواکسید کربن فراهم میکند که برای تولید هیدروژن با خلوص بالا برای استفاده در سنتز آمونیاک مهم است. تعادل این واکنش وابستگی قابل توجهی به دما نشان می دهد و ثابت تعادل با افزایش دما کاهش مییابد، به همین علت است که ، بالاترین تبدیل مونواکسید کربن در پایین تر دما مشاهده میشود. به منظور استفاده از هر دو خواص ترمودینامیک و سینتیک واکنش، واکنش تغییر گاز آب در مقیاس صنعتی در چند مرحله بی دررو2 متشکل از یک تغییر درجه حرارت بالا - HTS - 3 و پس از آن تغییر درجه حرارت پایین - LTS - 4 با خنک کننده سیستمی داخلی استفاده میکنند.[3]
مرحله اولیه دما بالا، از نرخ واکنش بالا استفاده است، اما از نظر ترمودینامیکی محدود بوده، که در نتیجه باعث تبدیل ناقص مونوکسید کربن شده و 2 تا 4 درصد مونوکسید کربن در ترکیب خروجی باقی میماند. یک راکتور درجه حرارت پائین پس از باعت کاهش مونوکسیدکربن خروجی به کمتر از 1 میگردد .[3] در دو دهه گذشته تقاضا برای میزان تبدیل بالاتر، بازده و گزینشپذیری بهتر محصولات مطلوب واکنش در کنار صرفه جویی در مصرف انرژی منجر به تلاشهای دانشگاهی و صنعتی برای طراحی و پیکربندیهای جدید رآکتورهای شیمیایی شد.
در این میان رآکتورهایی که واحد واکنش و واحد جداسازی را تلفیق میکردند؛ توجه بیشتری را به خود جلب کردند. رآکتورهای غشائی در این دسته قرار گرفته و هم اکنون در دنیا برای بسیاری از واکنشهای شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرند.مهمترین ویژگی رآکتور غشائی حذف گزینش پذیر یک محصول و در نتیجه تغییر محدودیت های ترمودینامیکی حاکم بر بازده محصول مطلوب با جابجایی تعادل میباشد. رآکتورهای غشائی اغلب در سیستمهای واکنشی که حاوی هیدروژن - واکنش هیدروژناسیون و هیدروژن زدایی - یا اکسیژن - سنتز ترکیبات آلی اکسیژنه - میباشند، کاربرد دارند.[4]
دونگ 4 و همکاران [1] غشا متخلخل دو لایه ZSM-5/Silicate لوله ایی را بر روی پایه از جنس آلفا-آلومینا سنتز کردند و برای واکنش تغییر آب گاز بکار بردند. نتایج آنها بازیافت %90 از هیدروژن و میزان تبدیل % 95 از مونواکسید کربن را در شرایط عملیاتی بهینه نشان داد.اسمیت و همکارانش[5] با استفاده از نرمافزار فلوئنت عملکرد رآکتور غشائی در واکنش آب گاز، برای تولید هیدروژن مورد بررسی قرار دادند. آنها با استفاده از 5 مدل واکنشی رایج عملکرد رآکتور را با استفاده از ترکیبهای ورودی متفاوت مورد بررسی قرار دادند.
پارامترهایی که تاثیر آنها مورد بررسی قرار گرفتند شامل دما و زمان واکنش بودند. نتایج آنها نشان داد که مدل لنگمویر-هینشلوود1 دقیقترین پیشگویی از تولید هیدروژن در شرایط غلیظ 2 را به دست میدهد. هندسهای که آنها برای شبیه سازی استفاده کردند یک استوانه به طول 210 و قطر 6/7میلیمتر بوده که از کار تجربی کریسکولی استخراج گردیده بود. آنها از سه گاز سنتز مختلف که ترکیب آنها متفاوت بودند، استفاده کردند.
آنها از المان بندی نامنظم استفاده کردند و تعداد المانها را از 40 هزار تا 200 افزایش دادند تا به حالت استقلال تعداد المان دست یافتند. با توجه به حجم رآکتوری که در کار اسمیت استفاده شده میتوان دریافت که اندازه متوسط المانها در کار آنها 0/33 میلیمتر بوده است. برای این کاتالیزور و غشا استفاده شده در کار تجربی، آنها از 5 مدل واکنشی استفاده کردند که مدل لنگمویر-هینشلوود3 بهترین پیش بینی را داشته است.
چن و همکارانش [6] تولید هیدروژن با استفاده از واکنش تغییر آب گاز دما بالا و دما پایین را با استفاده از شبیهسازی مورد مطالعه قرار دادند. آنها با استفاده از نرمافزار فلوئنت واکنشهای دما بالا و دما پایین را به صورت محیطهای متخلل مختلف که دارای ویژگیهای متفاوتی بودند و سرعت واکنش مونواکسید کربن و آب در آنها با توجه به منابع به دست آمده بود را مدل کردند . نتایج آنها نشان داد که ترکیب کاتالیزرهای دما بالا و دما پایین بیشترین راندمان تولید هیدروژن را داشته و در این میان دمای کاتالیز دما پایین از اهمیت ویژهای برخوردار است.
