اثر نفوذ هیدروژن با استفاده از غشاء بر انتخاب‌پذیری اتیلن خروجی از سیستم راکتوری دوتایی کاتالیزوری شامل راکتور فیشرتروپش

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 بخش مهندسی شیمی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، ایران

3 گروه مهندسی پلیمر، دانشگاه گلستان، ایران

چکیده

در این تحقیق مدل ریاضی و شبیه‌سازی دو راکتور پشت سر هم زوج شدن اکسایشی متان (OCM) و سنتز فیشرتروپش (FT) بررسی شد که راکتور سنتز فیشرتروپش به دو صورت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت: راکتور بستر ثابت معمولی و راکتور بستر ثابت غشایی دو مرحله‌ای (ترکیبی از دو راکتور بستر ثابت معمولی و بستر ثابت غشایی). در این ساختار، خوراک ورودی به راکتور فیشرتروپش (راکتور دوم) به‌وسیله فرایند زوج شدن اکسایشی متان (راکتور اول) فراهم می‌شود. این مدل جهت تولید هیدروکربن‌های با ارزش از جمله اتیلن از متان به کار برده شده است. مدل به صورت عددی با تقریب تفاضل محدود و مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیل معمولی مرتبه اول در جهت محوری حل شد. نتایج نشان داد که با قرار دادن راکتور فیشرتروپش بعد از راکتور زوج شدن اکسایشی متان می‌توان از محصولات بلا استفاده راکتور زوج شدن اکسایشی متان استفاده کرد و باعث افزایش تولید اتیلن و هیدروکربن‌های با ارزش دیگر شد. همچنین نتایج نشان دادند که استفاده از راکتور دو مرحله‌ای بستر ثابت غشایی فیشرتروپش بعد از زوج شدن اکسایشی متان باعث نفوذ هیدروژن از طریق غشاء شده و بازده اتیلن را به میزان 3/0% بهبود بخشید و علاوه بر آن باعث کاهش تولید محصولات جانبی راکتور فیشرتروپش (کاهش بازده کربن‌دی‌اکسید به میزان 6%) در مقایسه با راکتور معمولی بستر ثابت فیشرتروپش شد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Effect of Hydrogen Permeation Using Membrane on Outlet Ethylene Selectivity of Dual Type Catalytic Reactor System Contains Fischer-Tropsch Reactor

نویسندگان [English]

  • Farhad Shahraki 1
  • Abbas Ghareghashi 1
  • Kiyanoosh Razzaghi 1
  • Sattar Ghader 2
  • Mohammad Ali Torangi 3
1 Department of Chemical Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Department of Chemical Engineering, University of Shahid Bahonar Kerman, Kerman, Iran
3 Department of Polymer Engineering, University of Golestan, Gorgan, Iran
چکیده [English]

In this research, mathematical model and simulation of two consecutive reactors of Oxidative Coupling of Methane (OCM) and Fischer Tropsch synthesis (FTS) was investigated that FT reactor was analysed in two different ways: fixed bed conventional reactor and membrane dual type fixed bed reactor (The combination of two reactors of conventional fixed bed reactor and membrane fixed bed reactor). In this structure, feedstock of FT reactor (second reactor) is provided via OCM process. This model is used to produce valuable hydrocarbons such as ethylene from methane. The model was solved numerically by using the finite difference approximation and a set of first order ordinary differential equations (ODE) in the axial direction. The results are indicated that by placing the FT reactor after OCM reactor, we can use the by-products of OCM reactor, as a result increase the production of ethylene and other valuable hydrocarbons. Moreover, results showed that the use of dual type membrane fixed bed FT reactor after OCM caused the hydrogen permeation via membrane and improved the yield of ethylene up to 3% and also caused a decrease in the production of by-products of FT reactor (reduction in carbon dioxide yield up to 6%) compared to the conventional fixed-bed FT reactor.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dual type membrane fixed bed Fischer Tropsch reactor modelling
  • Oxidative Coupling of Methane
  • Ethylene yield
  • Consecutive reactors
  • Ethylene selectivity
  • Methane yield

[1]. Lee J. S. and Oyama S. T., “Oxidative coupling of methane to higher hydrocarbons”, Catalysis Reviews Science and Engineering, 30, 249-280, 1988.##

[2]. Amenomiya Y., Birss V. I., Goledzinowski M., Galuszka J. and Sanger A. R., “Conversion of methane by oxidative coupling,” Catalysis Reviews—Science and Engineering, 32, 163-227,1990.##

[3]. Wolf E. E., “Methane conversion by oxidative processes”, 1992##

[4]. Fox J. III M., “The different catalytic routes for methane valorization: an assessment of processes for liquid fuels,” Catalysis Reviews—Science and Engineering, 35, 169-212, 1993.##

[5]. Santamaria J. M., Eduardo E. M. and Eduardo E. W., “Reactor simulation studies of methane oxidative coupling on a sodium/nickel-titanium oxide (NiTiO3) catalyst,” Industrial & Engineering Chemistry Research, 30, 1157-1165, 1991.##

[6]. Hoebink J. H. B. J., Couwenberg P. M. and Marin G. B., “Fixed bed reactor design for gas phase chain reactions catalyzed by solids: the oxidative coupling of methane,” Chemical engineering science, 49, 5453-5463, 1994.##

[7]. Lu Y., Dixon A. G., Moser W. R. and Ma Y. H., “Analysis and optimization of cross-flow reactors with staged feed policies—isothermal operation with parallel-series, irreversible reaction systems,” Chemical engineering science, 52, 1349-1363, 1997.##

[8]. Lu Y., Dixon A. G., Moser W. R. and Ma Y. H., “Analysis and optimization of cross-flow reactors for oxidative coupling of methane,” Industrial & engineering chemistry research, 36, 559-567, 1997. ##

[9]. Santamaria J. M., Eduardo E. M. and Eduardo E. W., “Reactor simulation studies of methane oxidative coupling on a sodium/nickel-titanium oxide (NiTiO3) catalyst,” Industrial & Engineering Chemistry Research, 30, 1157-1165, 1991.##

[10]. Santamaria J., Menendez M., Pena J. A., and Barahona J. I., “Methane oxidative coupling in fixed bed catalytic reactors with a distributed oxygen feed. A simulation study,” Catalysis today, 13, 353-360, 1992.##

[11]. Atwood H. E. and Bennett C. O., “Kinetics of the Fischer-Tropsch reaction over iron,” Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 18, 163-170, 1979.##

[12]. Bub G., Baerns M., Büssemeier B. and Frohning C., “Prediction of the performance of catalytic fixed bed reactors for Fischer-Tropsch synthesis,” Chemical Engineering Science, 35, 348-355, 1980. ##

[13]. Jess A., Popp R. and Hedden K., “Fischer–Tropsch-synthesis with nitrogen-rich syngas: fundamentals and reactor design aspects,” Applied Catalysis A: General, 186, 321-342, 1999.##

[14]. Marvast M. A., Sohrabi M., Zarrinpashne S. and Baghmisheh G., “FischerTropsch Synthesis: Modeling and Performance Study for FeHZSM5 Bifunctional Catalyst,” Chemical Engineering & Technology, 28, 78-86, 2005.##

[15]. Park N., Kim J. R., Yoo Y., Lee J. and Park M. J., “Modeling of a pilot-scale fixed-bed reactor for iron-based Fischer–Tropsch synthesis: Two dimensional approach for optimal tube diameter,” Fuel, 122, 229-235, 2014.##

[16]. Moazami N. , Wyszynski M. L. , Mahmoudi H. , Tsolakis A. , Zou Z. , Panahifar P. and Rahbar K., “Modeling of a fixed bed reactor for Fischer–Tropsch synthesis of simulated N2-rich syngas over Co/SiO2: hydrocarbon pro duction,” Fuel, 154, 140-151, 2015.##

[17]. Dittmeyer R., Höllein V. and Daub K., “Membrane reactors for hydrogenation and dehydrogenation processes based on supported palladium,” Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 173,135-84, 2001.##

[18]. Buxbaum R. E. and Kinney A. B., “Hydrogen transport through tubular membranes of palladium coated tantalum and Niobium,” Industrial & Engineering Chemistry Research, 35, 530-537, 1996.##

[19]. Stansch Z., Mleczko L. and Baerns M., “Comprehensive kinetics of oxidative coupling of methane over the La2O3/CaO catalyst,” Industrial & engineering chemistry research, 36, 2568-2579, 1997.##

[20]. Rahmati M., Mehdi M. and Bargah‐Soleimani M., “Rate equations for the FischerTropsch reaction on a promoted iron catalyst,” The Canadian Journal of Chemical Engineering, 79, 800-804, 2001.##

[21]. Tye C. T., Mohamed A. R. and Bhatia S., “Modeling of catalytic reactor for oxidative coupling of methane using La2O3/CaO catalyst,” Chemical Engineering Journal, 87, 49-59, 2002.##