پلاسما ریفورمینگ متان و ارائه سنتیک ظاهری واکنش تجزیه حرارتی متان به هیدروژن و کربن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

امروزه تولید هیدروژن به‌عنوان یکی از حامل‌های انرژی پاک مورد توجه بسیاری قرارگرفته است.  فرآیند سنتی تولید هیدروژن ریفورمینگ متان با بخار آب می‌باشد. انتشار حجم عظیمی از دی اکسید کربن و دو مرحله‌ای بودن این فرآیند از نارسایی‌های موجود در این روش است که این امر موجب توجه بیشتر محققان به تبدیل مستقیم متان به هیدروژن شده است. فن‌آوری پلاسما به‌دلیل عدم نیاز به کاتالیست، عدم حساسیت به ناخالصی‌های خوراک ورودی، حجم کم واحد عملیات، راه‌اندازی سریع و تک مرحله‌ای بودن فرآیند کاهش شگرف هزینه‌های سرمایه‌گذاری را به‌همراه داشته است و پتانسیل جایگزین شدن فن‌آوری‌های رایج کنونی را دارد. در این مقاله تولید گاز هیدروژن از متان با استفاده از راکتور پلاسمای تخلیه قوسی بررسی شده است که راکتور طراحی شده امکان بررسی تأثیر مواردی چون دوری از حالت تعادل و سرعت گاز عبوری را بر میزان درصد تبدیل متان و انتخاب‌پذیری هیدروژن و همچنین بازدهی انرژی فراهم کرده و افق جدیدی را از نقطه نظر مدل‌سازی و پدیده شناختی فرآیندهای پلاسما شیمی رقم زده است. نتایج حاصل از آزمایشات نشان می‌دهد که راکتور پلاسمای پیشنهادی منجر به بهبود بازدهی انرژی در مقایسه با نمونه‌های قبلی شده است. بازدهی تولید هیدروژن در راکتور با الکترود دیسکی 58% به‌دست آمد. محصول گازی عمدتاً هیدروژن با انتخاب‌پذیری بالای 95% است و درصد اندکی از هیدروکربن‌های اتان، اتیلن و استیلن تولید شده که قابل صرف‌نظر است. کربن جامد با اندازه ذرات متوسط nm 50-30 روی الکترودها و جداره داخلی راکتور انباشته می‌شود که شامل کربن آمورف و کربن گرافیتی است. از تفسیر ماکروسکوپیک نتایج استنباط می‌شود که انتقال جرم در میزان تبدیل متان نقش مهمی دارد. بر این اساس یک رابطه تجربی برای تابعیت ثابت سینتیک ظاهری با شدت جریان ورودی ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Plasma Reforming of Methane and the Apparent Kinetics of Methane Dissociation to Hydrogen and Carbon Black

نویسندگان [English]

  • Mahsa Kheirollahivash
  • Mohammad mahdi Moshrefi
  • Fariborz Rashidi
Chemical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hydrogen as clean fuel is the main source of green energy and methane, the major part of natural gas, is the best candidate for hydrogen production due to the high H/C atomic ratio. Huge amount of carbon dioxide and need for separation unit in common hydrogen production processes have led researchers to pay more attention to direct conversion of methane to hydrogen. Moreover, plasma technology has led to low capital and operational costs due to no need to catalyst, no sensitivity to feed impurity, compactness, rapid start up and one step process. Furthermore, it has the potential of replacing current technologies. In this thesis, production of hydrogen gas from methane using an arc discharge plasma reactor has been investigated in which the effects of degree of non-equilibrium state and gas velocity on the methane conversion, hydrogen selectivity, and energy efficiency has been investigated by the designed reactors which provide a new prospects from the plasma chemistry process modeling point of view. Moreover, the experimental results show that the proposed plasma reactor leads to improved energy efficiency compared to previous design and is competitive with other reactors studied by researchers in recent years. Furthermore, methane conversion in the reactor with disk electrodes was 58%. In addition, the gas product is mainly hydrogen with the selectivity of  more than 95%. Also, a small percentage of ethane, ethylene and acetylene hydrocarbons are produced that is negligible. Furthermore, solid carbon with particle size of 30-50 nm is deposited on the electrodes and the internal wall of the reactor, which is consisted of amorphous carbon and graphite-like structures. Ultimately, the macroscopic interpretation of the results shows that mass transfer plays an important role in methane conversion. Accordingly, an empirical correlation is presented for apparent kinetic reaction rate constant and its relation with flow rate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrogen
  • Carbon Black
  • Methane
  • Plasma
  • Apparent Kinetic

مراجع

[1]. صابری مقدم، ع.، زارع چاوشی، م.، نوذری، ع.، شیخی نارانی، م.، خبری، و. و بحری رشت‌آبادی م. م. (2017). بررسی تولید هیدروژن با استفاده از فرایند ریفرمینگ بخار آب با متان در حضور کاتالیزور نیکل در دماهای متوسط. پژوهش نفت، 26، (86) 95-4.##
[2]. Abbas, H. F., & Daud, W. W. (2010). Hydrogen production by methane decomposition: A review. International Journal of Hydrogen Energy, 35(3), 1160-1190. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.11.036. ##
[3]. Hwang, N., Song, Y. H., & Cha, M. S. (2010). Efficient Use of $\hbox {CO} _ {2} $ Reforming of Methane With an Arc-Jet Plasma. IEEE Transactions on Plasma Science, 38(12), 3291-3299. ##
[4]. Besser, R. S., & Lindner, P. J. (2011). Microplasma reforming of hydrocarbons for fuel cell power. Journal of Power Sources, 196(21), 9008-9012. doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.11.135. ##
[5]. Burlica, R., Shih, K. Y., Hnatiuc, B., & Locke, B. R. (2011). Hydrogen generation by pulsed gliding arc discharge plasma with sprays of alcohol solutions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 50(15), 9466-9470. doi.org/10.1021/ie101920n. ##
[6]. Putra, A. E. E., Nomura, S., Mukasa, S., & Toyota, H. (2012). Hydrogen production by radio frequency plasma stimulation in methane hydrate at atmospheric pressure. International Journal of Hydrogen Energy, 37(21), 16000-16005. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.07.099. ##
[7]. Jasiński, M., Czylkowski, D., Hrycak, B., Dors, M., & Mizeraczyk, J. (2013). Atmospheric pressure microwave plasma source for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 38(26), 11473-11483. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.105. ##
[8]. Jimenez, M., Rincon, R., Marinas, A., & Calzada, M. D. (2013). Hydrogen production from ethanol decomposition by a microwave plasma: Influence of the plasma gas flow. International Journal of Hydrogen Energy, 38(21), 8708-8719. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.004. ##
[9]. Hrycak, B., Czylkowski, D., Miotk, R., Dors, M., Jasinski, M., & Mizeraczyk, J. (2014). Application of atmospheric pressure microwave plasma source for hydrogen production from ethanol. International Journal of Hydrogen Energy, 39(26), 14184-14190. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.02.160. ##
[10]. Li, X. D., Zhang, H., Yan, S. X., Yan, J. H., & Du, C. M. (2012). Hydrogen production from partial oxidation of methane using an AC rotating gliding arc reactor. IEEE Transactions on plasma science, 41(1), 126-132. ##
[11]. Nozaki, T., & Okazaki, K. (2013). Non-thermal plasma catalysis of methane: Principles, energy efficiency, and applications. Catalysis today, 211, 29-38. doi.org/10.1016/j.cattod.2013.04.002. ##
[12]. Zhang, H., Du, C., Wu, A., Bo, Z., Yan, J., & Li, X. (2014). Rotating gliding arc assisted methane decomposition in nitrogen for hydrogen production. International journal of hydrogen energy, 39(24), 12620-12635. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.06.047. ##
[13]. Korolev, Y. D. (2015). Low-current discharge plasma jets in a gas flow. Application of plasma jets. Russian Journal of General Chemistry, 85, 1311-1325. ##
[14]. Wang, Q., Spasova, B., Hessel, V., & Kolb, G. (2015). Methane reforming in a small-scaled plasma reactor–industrial application of a plasma process from the viewpoint of the environmental profile. Chemical Engineering Journal, 262, 766-774. doi.org/10.1016/j.cej.2014.09.091. ##
[15]. Alharbi, A. A., Alqahtani, N. B., Alkhedhair, A. M., Alabduly, A. J., Almaleki, A. A., Almadih, M. H., Albishi, M.S. and Almayeef, A. A. (2022). A developed plasmatron design to enhance production of hydrogen in synthesis gas produced by a fuel reformer system. Energies, 15(3), 1071. doi.org/10.3390/en15031071. ##
[16]. Bromberg, L., Cohn, D. R., Hadidi, K., Heywood, J. B., & Rabinovich, A. (2005). Plasmatron fuel reformer development and internal combustion engine vehicle applications. Diesel Engine Emission Reduction (DEER) Workshop, 2004. ##
[17]. Bromberg, L. (2005). CFD modeling of plasmatron methane reformer. ##
[18]. Bromberg, L., Hadidi, K., & Cohn, D. R. (2005). Plasmatron reformation of renewable fuels. ##
[19]. Sobacchi, M. G., Saveliev, A. V., Fridman, A. A., Kennedy, L. A., Ahmed, S., & Krause, T. (2002). Experimental assessment of a combined plasma/catalytic system for hydrogen production via partial oxidation of hydrocarbon fuels. International Journal of Hydrogen Energy, 27(6), 635-642. doi.org/10.1016/S0360-3199(01)00179-3. ##
[20]. Mutaf-Yardimci, O., Saveliev, A. V., Fridman, A. A., & Kennedy, L. A. (1998). Employing plasma as catalyst in hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 23(12), 1109-1111. doi.org/10.1016/S0360-3199(98)00005-6. ##
[21]. Iskenderova, K., Porshnev, P., Gutsol, A., Saveliev, A., Fridman, A., Kennedy, L., & Rufael, T. (2001). Methane conversion into syn-gas in gliding arc discharge. ##
[22]. Kalra, C. S., Gutsol, A. F., & Fridman, A. A. (2005). Gliding arc discharges as a source of intermediate plasma for methane partial oxidation. IEEE transactions on plasma science, 33(1), 32-41. ##
[23].Petitpas, G., Rollier, J. D., Darmon, A., Gonzalez-Aguilar, J., Metkemeijer, R., & Fulcheri, L. (2007). A comparative study of non-thermal plasma assisted reforming technologies. International Journal of Hydrogen Energy, 32(14), 2848-2867. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.03.026. ##
[24]. Moshrefi, M. M., Rashidi, F., Bozorgzadeh, H. R., & Zekordi, S. M. (2012). Methane conversion to hydrogen and carbon black by DC-spark discharge. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 32, 1157-1168. ##
[25]. Moshrefi, M. M., & Rashidi, F. (2018). Hydrogen production from methane decomposition in cold plasma reactor with rotating electrodes. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 38, 503-515. ##
[26]. Rueangjitt, N., Sreethawong, T., Chavadej, S., & Sekiguchi, H. (2011). Non-oxidative reforming of methane in a mini-gliding arc discharge reactor: effects of feed methane concentration, feed flow rate, electrode gap distance, residence time, and catalyst distance. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 31, 517-534. ##
[27]. Lee, D. H., Song, Y. H., Kim, K. T., & Lee, J. O. (2013). Comparative study of methane activation process by different plasma sources. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 33, 647-661. ##
[28]. Farouk, T., Farouk, B., & Fridman, A. (2010). Computational studies of atmospheric-pressure methane–hydrogen DC micro glow discharges. IEEE Transactions on Plasma Science, 38(2), 73-85. ##
[29]. Fincke, J. R., Anderson, R. P., Hyde, T., Detering, B. A., Wright, R., Bewley, R. L., Haggard, D.C. & Swank, W. D. (2002). Plasma thermal conversion of methane to acetylene. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 22, 105-136. ##
[30]. Kim, H. H., Teramoto, Y., Ogata, A., Takagi, H., & Nanba, T. (2016). Plasma catalysis for environmental treatment and energy applications. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 36, 45-72. ##
[31]. Fridman, A., Nester, S., Kennedy, L. A., Saveliev, A., & Mutaf-Yardimci, O. (1999). Gliding arc gas discharge. Progress in Energy and combustion Science, 25(2), 211-231. doi.org/10.1016/S0360-1285(98)00021-5. ##
[32]. Rusu, I., & Cormier, J. M. (2003). On a possible mechanism of the methane steam reforming in a gliding arc reactor. Chemical Engineering Journal, 91(1), 23-31. doi.org/10.1016/S1385-8947(02)00043-8. ##
[33]. Scapinello, M., Delikonstantis, E., & Stefanidis, G. D. (2017). The panorama of plasma-assisted non-oxidative methane reforming. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 117, 120-140. doi.org/10.1016/j.cep.2017.03.024. ##
[34]. Sun, S. R., Wang, H. X., Mei, D. H., Tu, X., & Bogaerts, A. (2017). CO2 conversion in a gliding arc plasma: Performance improvement based on chemical reaction modeling. Journal of CO2 Utilization, 17, 220-234. doi.org/10.1016/j.jcou.2016.12.009. ##
[35]. Cleiren, E., Heijkers, S., Ramakers, M., & Bogaerts, A. (2017). Dry reforming of methane in a gliding arc plasmatron: towards a better understanding of the plasma chemistry. ChemSusChem, 10(20), 4025-4036. doi.org/10.1002/cssc.201701274. ##
[36]. Kalra, C. S., Cho, Y. I., Gutsol, A., Fridman, A., & Rufael, T. S. (2005). Gliding arc in tornado using a reverse vortex flow. Review of Scientific Instruments, 76(2). doi.org/10.1063/1.1854215. ##
پژوهش نفت
دوره 35، 1404-1 - شماره پیاپی 140
شماره ویژه توسعه زنجیره فناوری های هیدروژنی
فروردین و اردیبهشت 1404
صفحه 13-24

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار