مدل‌سازی CFD واکنش جفت شدن اکسایشی متان در مقیاس دانه‌ای: تعیین دمای بهینه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران جنوب

2 پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده پتروشیمی

چکیده

دراین تحقیق واکنش جفت اکسایشی متان (OCM) در مقیاس دانه‌ای مدل‌سازی شده و رفتار دانه کاتالیست در راکتور بستر ثابت از دو دیدگاه آزمایشگاهی و عددی مورد بررسی قرارگرفته است. مدل‌سازی عددی دانه کاتالیست توسط نرم‌افزار FLUENT انجام شده و برای ارائه یک مدل جامع و دقیق، این نرم‌افزار به دو زیر برنامه متصل شده است. نقطه عطف این مدل‌سازی، اجرای موفق این دو زیر برنامه در نرم‌افزار می‌باشد که منجر به مزدوج قرار گرفتن واکنش و نفوذ در داخل دانه می‌شود. شرایط ورودی مدل منطبق بر شرایط آزمایشگاهی است. دانه کاتالیست با اندازه مش 8- 7 در داخل راکتور دیفرانسیلی بستر ثابت با قطر mm 12 در نظر گرفته شده و دماهای عملیاتی 1023، 1048 و K 1073 و ترکیب خوراک (نسبت مولی متان به اکیسژن) 2 اعمال شده است. کلیه آزمایشات در فشار اتمسفریک و GHSV ثابت برابر -1 h 12000 انجام گرفته است. با بررسی اثر دما بر رفتار کاتالیست در ترم های درصد تبدیل متان و گزینش‌پذیری و بازده C2، دمای بهینه در این محدوده عملیاتی برای کاتالیست تیتانیت پروسکایت K 1048 پیشنهاد شده است. دراین دما، کاتالیست بیشترین گزینش‌پذیری و راندمان برای محصولات مطلوب C2 را خواهد داشت. پروفایل دمایی در داخل دانه از دیگر نتایج این مدل‌سازی به شمار می‌آید. مقایسه نتایج مدل‌سازی و داده‌های تجربی تطابق نسبتاً خوبی را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

CFD Modeling of Oxidative Coupling of Methane on Pellet Scale: Optimum Temperature

نویسندگان [English]

  • Siavash Seyednejadian 1
  • Nakisa Yaghobi 2
  • Ramin Maghrebi 1
1 Faculty of Chemical Engineering, Islamic Azad University Tehran South Branch
2 Iran Polymer and Petrochemical Institute
چکیده [English]

This study presents the phenomena occuring in small scale single-pellet for the oxidative coupling of methane (OCM) where heat transfer plays an important role. Computational fluid dynamics (CFD) is used as a tool for obtaining detailed rate and temperature profiles through the porous catalytic pellets where reaction and diffusion are competing. Inter particle temperature and concentration gradients are taken into account by solving heat transfer coupled with continuity equations in the catalyst pellet. In the heat transfer equation, a source term of energy due to high exothermic reactions is considered. Subsequent to achieving this goal, two external programs are successfully implemented to the CFD code as kinetic and heat of reaction terms. The influence of reaction temperature on catalytic performance is studied. This study is based on the experimental design which is conducted in a differential reactor using an Sn/BaTiO3 catalyst (mesh 7-8) at atmospheric pressure and different temperatures of 1023, 1048 and 1073 K with a GHSV value of 12000 h-1 and a methane to oxygen ratio of 2. Based on the results for titanate perovskite catalyst, the highest C2 yield in OCM process is obtained at a temperature of 1048 K. The results of CFD simulation indicate that temperature variation within the catalyst pellet is less than 2 K due to the completion of exothermic oxidation reactions. Also, the results show that exothermic oxidation reactions occur before endothermic coupling reaction in the pellet length. The modeling results such as selectivity and conversion at the pellet exit are in good agreement with the experimental data

کلیدواژه‌ها [English]

  • Single Pellet
  • OCM
  • Modeling
  • Catalytic Reaction
  • CFD
منابع

[1] Elnashaie S.S.E.H., and Elshini S.S., “Modeling Simulation and optimization of Industrial Fixed bed CatalyticReactors”, Gorden & Breach Publishers, 1993.

[2] Andrigo P., Bagatin R., and Pagani G., “Fixed bed reactors, Catalysis Today”, Vol. 52, pp. 197-221, 1999.

[3] Blazek J., Computational fluid dynamics: Principles and application, Amsterdam; New York: Elsevier, 2001.

[4] Hoebnik J. M. B. J., Couwenberg P. M., and Marin G. B., “Fixed bed reactor design for gas phase change reactions catalysed by solids: The oxidative coupling of methane”, Chem. Eng. Sci. Vol. 49, 5453-5463, 1994.

[5] Yaghobi N., and Ghoreishy M.H. R., “Oxidative coupling of methane in a fixed bed reactor over perovskite catalyst: A simulation study using experimental kinetic model”, Journal of Natural Gas Chemistry, Vol. 17, pp. 8-16, 2008.

[6] Yaghobi N., and Ghoreishy M.H. R., “Modeling the oxidative coupling of methane: Heterogeneous chemistry coupled with 3D flow field simulation”, Natural Gas Chemistry, Vol. 18, pp. 39-44, 2009.

[7] Yaghobi N., Mirzadeh H., and Bagherzadeh E., “Conversion process of natural gas to ethylene”, 3rd Iran petrochemical Forum, pp. 245-256, 2001.

[8] یعقوبی، نکیسا، میرزاده، حمید، اسلامی منش، وحید، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران. ساخت کاتاتست آزمایش تغیین پارامترهای کارایی کاتالیست های فرایند جفت شدن اکسایشی متان، ثبت اختراع 14659، سری الف/ 82

[9] Kolaczkowski S.T., Chao R., Awdry S., and Smith A., “Application of a CFD code (Fluent) to formulate models of catalytic gas phase reactions in porous catalyst pellets”, Chem. Eng. Res. Des., Vol. 85 (A11), pp. 1539-1552, 2007.

[10] Stansch Z., Mleczko L., and Baerns M., “Kinetics for oxidative coupling of methane process over La2O3/Ca-O catalyst”, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 36, pp. 2568–2579, 1995.

[11] Tye C.T., Mohamed A.R., and Bhatia S., “Modeling of catalytic reactor for oxidative coupling of methane using La2O3/CaO catalyst”, Chem. Eng. J., Vol. 87, pp. 49-59, 2002.

[12] FLUENT 6.3 copyright FLUENT Inc.2006

[13] Conti F., Rossati A., Vella L.D., Specchia S., and Specchia V., “Kinetic analysis of Pd-based methane combustion catalysts”, Combustion Colloquia Combustion Institute Italian Section (ITA) Italian Combustion Institute (ITA)XXXII Annual Meeting of the Combustion Institute Italian Section (Napoli) 26-28/04/2009 pp.7 (pp.pp.II-2-pp.II-8) ISBN:9788888104102, 2009.