بررسی عملکرد راکتور غشایی سرامیکی پروسکایتی BSCFO در اکسیداسیون جزیی متان جهت تولید گاز سنتز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشکده گاز، واحد تبدیلات گازی

2 دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی

3 پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، واحد مواد افزودنی به سوخت

چکیده

مواد سرامیکی پروسکایتی BSCFO) Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) با استفاده از روش کمپلکس EDTA و اسید سیتریک سنتز و به شکل دیسکی شکل‌دهی شد و در راکتور غشایی استفاده گردید. عملکرد این غشاء راکتوری جهت بارگذاری کاتالیست Ni/α-Al2O3 فرآیند اکسیداسیون جزیی متان مورد بررسی قرار گرفت. در زمان‌های اولیه، شار عبور اکسیژن، میزان تبدیل متان و گزینش‌پذیری تولید CO وابستگی زیادی به حالت نیکل در کاتالیست (اکسیدی و یا Ni0) داشت. بعد از حدود 17 ساعت از شروع واکنش، شرایط پایدار حاصل شد و شار عبور اکسیژن، میزان تبدیل متان و گزینش‌پذیری تولید CO به ترتیب به (2 ml/(min.cm 3/9، 5/80 و3/98 % رسید. عملکرد غشاء راکتور BSCFO در دماهای مختلف (850- oC 950) مورد بررسی قرار گرفت و نتایج خوبی در دماهای بالا حاصل شد، به طوری که در دمای oC 950، میزان تبدیل متان و گزینش پذیری تولید CO به ترتیب به 5/98 و 2/98% رسید. میزان شار اکسیژن در شرایط واکنش در دمای oC 950 برابر (2 ml/(min.cm 6/11 بود که حدود 1/5 برابر بیشتر از شرایط هلیوم- هوا است. نتایج نشان داد که در شرایط واکنش، مرحله تبادل سطحی در عبور اکسیژن نقش مهمی پیدا می‌کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation on the Performance of Perovskite-type Ceramic Membrane Reactor for Partial Oxidation of Methane to Syngas

نویسندگان [English]

  • Ensieh Ganji Babakhani 1
  • Jafar Towfighi 2
  • Laleh Shirazi 1
  • Zahra Taheri 3
  • Mohammadali Khodagholi 1
1 Gas Department, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI)
2 Chemical Engineering Department, Engineering Faculty, University of Tarbiat Modares
3 Chemistry and Petrochemical Department, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI)
چکیده [English]

Ceramic materials of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCFO) were prepared by an EDTA-citric acid complexing method and formed to disk-type shape to be applied in a membrane reactor. The performance of the membrane reactor loading with Ni/α-Al2O3 catalyst was studied for the partial oxidation of methane process. At the initial time, the oxygen permeation, methane conversion, and CO selectivity were closely dependent on nickel state in the catalyst (oxide state or Ni0). After 17 hours from the reaction starting time, the reaction condition was found to be steady state and oxygen permeation, methane conversion, and CO selectivity reached 9.3 ml/min.cm2, 80.5%, and 98.3% respectively. The performance of the membrane reactor of BSCFO at various temperatures was studied and good results were obtained; for example, at 950 °C, methane conversion and CO selectivity reached 98.5% and 98.2% respectively. The oxygen permeation was 11.6 ml/min.cm2 and increased about 5.1 times in comparison with the air-helium gradient. The results showed that the surface exchange kinetics had a significant role in the oxygen permeation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ceramic Membrane
  • Membrane Reactor
  • Partial oxidation of methane
  • Syngas
مراجع

[1] Udengaard N. R. and Hanse J. B. N, “Sulfur passivated reforming process lowers syngas H2/CO ratio”, Oil & Gas Journal, 9 62-67, 1992.

[2] Lunferd J. H., “Catalytic conversion of methane to more useful chemicals and fuels: a challenge for the 21st century”, Catalysis Today, 63 165-174, 2000.

[3] Rostrup-Nielsen J. R., “New aspects of syngas production and use”, Catalysis Today, 63 () 159-164, 2000.

[4] Dong H., Shao Z., Xiong G., Tong J., Sheng S. and Yang W., “Investigation on POM reaction in a new perovskite membrane reactor”, Catalysis Today, 67 3-13, 2001.

[5] Shao Z., Dong H., Xiong G., Cong Y. and Yang W., “Performance of a mixed-conducting ceramic membrane reactor with high oxygen permeability for methane conversion”, Journal of Membrane Science, 183, 181-192, 2001.

[6] Hamakawa S., Sato Sato K., Inoue T., Nishioka M., Kobayashi K. and Mizukami F., “Design of one-component ceramic membrane-reactor for natural gas conversion”, Catalysis Today, 117, 297–303, 2006.

[7] Kim J.M., Hwang G.J., Lee S.H., Park C.S., Kim J.W. and Kim Y.H., “Properties of oxygen permeation and partial oxidation of methane in La0.6Sr0.4CoO3−δ (LSC)–La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3−δ (LSGF) membrane”, Journal of Membrane Science, 250, 11–16, 2005.

[8] Jin W., Li Sh., Huang P., Xu N., Shi J. and Lin Y.S., “Tubular lanthanum cobaltite perovskite-type membrane reactors for partial oxidation of methane to syngas”, Journal of Membrane Science, 166, 13-22, 2000.

[9] Hendriksen P. V., Larsen P.H., Mogensen M., Poulsen F.W. and Wiik K., “Prospects and problems of dense oxygen permeable membranes”, Catalysis Today, 56, 283–295, 2000.

[10] Teraoka Y., Zhang H. M., Furukawa S. and Yamazoe N. “Oxygen permeation through perovskite-type oxides”, Chemistry Letters, 11, 1743–1746, 1985.

[11] Tian T., Wang W., Zhan M. and Chen Ch., “Catalytic partial oxidation of methane over SrTiO3 with oxygen-permeable membrane reactor”, Catalysis Communications, 11, 624–628, 2010.

[12] Yang Zh., Ding W., Zhang Y., Lu X., Zhang Y. and Shen P., “Catalytic partial oxidation of coke oven gas to syngas in an oxygen permeation membrane reactor combined with NiO/MgO catalyst”, International Journal of Hydrogen Energy, 35, 6239 – 6247, 2010.

[13] Luo H., Wei Y., Jiang H., Yuan W., Lv Y., Caro J. and Wang H., “Performance of a ceramic membrane reactor with high oxygen flux Ta-containing perovskite for the partial oxidation of methane to syngas”, Journal of Membrane Science, 350, 154–160, 2010.

[14] Shao Z., Yang W., Cong Y., Dong H., Tong J. and Xiong G., “Investigation of the permeation behavior and stability of a Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ oxygen membrane”, Journal of Membrane Science, 172, 177–188, 2000.

[15] Ganji Babakhani E., Towfighi J., Shirazi L. and Nakhaei Pour A., “Order–disorder transition and phase stability of BaxSr1−xCo0.8Fe0.2O3−ı oxides”, Journal of Membrane Science 376, 78–82, 2011.

[16] Ganji Babakhani E., Towfighi J., Nazari K., “Synthesis of BSCFO ceramics membrane using a simple complexing method and experimental study of sintering parameters”, J. Mater. Sci. Technol., 26, 914-920, 2010.

[17] گنجی بابا خانی ا.، توفیقی ج. و احمدی ر.، بررسی پایداری ساختاری و خواص عبوردهی اکسیژن از غشاء چگال پروسکایتی δ-3 O 2/Fe0 8/Co0 5/Sr0 5/Ba0، پژوهش نفت، 61 (1389) 29-38.

[18] Xu S.J. and Thomson W.J. “Stability of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ Perovskite Membrane in Reducing and Nonreducing Environments”, Ind. Eng. Chem. Res., 37, 1290-1299, 1997.

[19] Tong J., Yang W., Suda H. and Haray K., “Initiation of oxygen permeation and POM reaction in different mixed conducting ceramic membrane reactors”, Catalysis Today, 118, 144–150, 2006.

[20] Tsai C.Y., Dixon A.G., Moser W.R. and Ma Y.H., “Dense perovskite membrane reactors for partial oxidation of methane to syngas”, AIChE Journal, 43, 2741-2750, 1997.

[21] Steele B.C.H., “Ceramic ion conducting membranes”, Curr. Op. Solid State Mater. Sci., 1, 684–691, 1996.

[22] Bayraktar D., Clemens F., Diethelm S., Graule T., Herle J. V. and Holtappels P., “Production and properties of substituted LaFeO3-perovskite tubular membranes for partial oxidation of methane to syngas”, Journal of the European Ceramic Society, 27, 2455–2461, 2007.

[23] Hickmann D. A., Schmidt L. D. and Catal. J., 38, 267, 1992.

[24] Ikeguchi M., Mimura T., Sekine Y., Kikuchi E. and Matsukata M., “Reaction and oxygen permeation studies in Sm0.4Ba0.6Fe0.8Co0.2O3- δ membrane reactor for partial oxidation of methane to syngas”, Applied Catalysis A: General, 290, 212–220, 2005.