高级检索

  • ISSN 1006-3080
  • CN 31-1691/TQ

甲烷催化双重整过程模拟

庄炜杰 仇鹏 曾泽李 代正华 王辅臣

庄炜杰, 仇鹏, 曾泽李, 代正华, 王辅臣. 甲烷催化双重整过程模拟[J]. 华东理工大学学报(自然科学版), 2022, 48(3): 290-296. doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20210313004
引用本文: 庄炜杰, 仇鹏, 曾泽李, 代正华, 王辅臣. 甲烷催化双重整过程模拟[J]. 华东理工大学学报(自然科学版), 2022, 48(3): 290-296. doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20210313004
ZHUANG Weijie, QIU Peng, ZENG Zeli, DAI Zhenghua, WANG Fuchen. Simulation of Methane Catalytic Bi-Reforming Process[J]. Journal of East China University of Science and Technology, 2022, 48(3): 290-296. doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20210313004
Citation: ZHUANG Weijie, QIU Peng, ZENG Zeli, DAI Zhenghua, WANG Fuchen. Simulation of Methane Catalytic Bi-Reforming Process[J]. Journal of East China University of Science and Technology, 2022, 48(3): 290-296. doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20210313004

甲烷催化双重整过程模拟

doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20210313004
基金项目: 新疆生产建设兵团南疆重点产业创新发展支撑计划(2019DB002);国家自然科学基金(21776087);上海市优秀技术带头人(19XD1434800)
详细信息
    作者简介:

    庄炜杰(1996—),男,上海人,硕士生,研究方向为甲烷双重整过程。E-mail:zwjstc0016@163.com

    通讯作者:

    代正华,E-mail:chinadai@ecust.edu.cn

  • 中图分类号: TE646

Simulation of Methane Catalytic Bi-Reforming Process

  • 摘要: 以甲烷重整转化炉为研究对象,基于动力学模型,考察了温度、压力与进料物质的量之比对甲烷双重整反应过程的影响。结果表明:在压力3.2 MPa下,甲烷、水蒸气与二氧化碳的转化率均随温度的升高而增大。与甲烷水蒸气重整反应相比,甲烷二氧化碳重整反应的反应温度更高,二氧化碳于650 ℃开始进行转化。随着压力的增大,甲烷、水蒸气和二氧化碳的转化率都快速下降。当压力达到3.5 MPa时,甲烷、水蒸气与二氧化碳的转化率均小于40%,但压力对氢气与一氧化碳的物质的量之比的影响不明显。反应体系中二氧化碳的增加有利于提高甲烷转化率,但会使水蒸气转化率大幅度降低。 因此可以通过调节温度和进料中水蒸气和二氧化碳的物质的量之比来调整反应产物中氢气与一氧化碳的物质的量之比。

     

  • 图  1  甲烷双重整反应器示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of methane bi-reforming reactor

    图  2  甲烷双重整反应过程模拟图

    Figure  2.  Simulation diagram of methane bi-reforming reaction process

    图  3  温度对甲烷双重整反应产物的影响

    Figure  3.  Effect of temperature on the products of methane bi-reforming reaction

    图  4  压力对甲烷双重整反应产物的影响

    Figure  4.  Effect of pressure on the products of methane bi-reforming reaction

    图  5  不同n(CO2)∶n(CH4)对甲烷双重整反应产物的影响(n(CH4)∶n(H2O)=1∶1)

    Figure  5.  Effect of different n(CO2)∶n(CH4) on the products of methane bi-reforming reaction (n(CH4)∶n(H2O)=1∶1)

    图  6  不同n(H2O)∶n(CH4)对甲烷双重整反应产物的影响(n(CH4)∶n(CO2)=1∶1)

    Figure  6.  Effect of different n(H2O)∶n(CH4) on the products of methane bi-reforming reaction (n(CH4)∶n(CO2)=1∶1)

    表  1  化学平衡常数[12]

    Table  1.   Chemical equilibrium constants[12]

    Keq,1Keq,2Keq,3
    ${10}^{\left(-11\;650/T+13.076\right)}$${10}^{\left(-9\;740/T+11.312\right)}$${ {10}^{\left(1\;910/T-1.764\right)} }$
    下载: 导出CSV

    表  2  反应速率常数[12]

    Table  2.    Reaction rate constants[12]

    k1k2k3
    $ 2.69\times {10}^{16}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{-226\;400}{{R}T}\right) $$ 3.44\times {10}^{15}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{-210\;400}{{R}T}\right) $$ 1.95\times {10}^{9}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{-67\;130}{{R}T}\right) $
    下载: 导出CSV

    表  3  组分吸附常数[12]

    Table  3.   Adsorption constants of the components[12]

    $K_{\rm{ {{CH}_4} } }$$K_{\rm{{CO}}} $$K_{\rm{{H_{2}}}} $$K_{\rm{{H_{2}O}}} $
    $ 2.68\times {10}^{-4}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{38\;280}{{R}T}\right) $$ 8.23\times {10}^{-5}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{70\;650}{{R}T}\right) $$ 6.12\times {10}^{-9}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{82\;900}{{R}T}\right) $$ 2.09\times {10}^{5}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{-88\;680}{{R}T}\right) $
    下载: 导出CSV

    表  4  进料气的基本条件

    Table  4.   Basic conditions of feed gas

    Feed gasφ/%Flow rate/(m3·h−1
    CH4C2H6C3H8C4H10CO2H2N2ArO2
    Natural gas87.323.571.370.281.521.824.020.1831468
    Fuel gas92.593.791.370.301.400.553132
    Air1.0078.0021.00
    下载: 导出CSV

    表  5  甲烷水蒸气重整模拟结果与工厂数据对比

    Table  5.   Comparion of simulation results and plant data of methane steam reforming

    Itemφ(CH4)1)/%Tube pressure drop/MPaToutlet
    Simulation value27.60.241697
    Literature[23]29.40.223695
    1) Volume fraction of CH4 in dry gas at the outlet
    下载: 导出CSV

    表  6  甲烷双重整模拟结果与实验数据对比[24]

    Table  6.   Comparion of simulation results and experimental data of methane bi-reforming

    Item$X_{\rm{CH_{4}}} $/%$X_{\rm{CO_{2}}} $/%n(H2)∶n(CO)
    Simulation value97.779.21.95
    Literature[24]98.283.51.98
    下载: 导出CSV
  • [1] 中华人民共和国统计局. 中国统计年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 2020.
    [2] 杨曹立, 高瑞, 代正华, 等. 气态烃非催化部分氧化烧嘴端面传热过程研究[J]. 华东理工大学学报(自然科学版), 2021, 47(1): 11-16.
    [3] 厉勇, 张英, 王元华. 甲烷水蒸气重整技术研究现状及进展[J]. 炼油技术与工程, 2019, 49(7): 1-7. doi: 10.3969/j.issn.1002-106X.2019.07.001
    [4] 李文兵, 齐智平. 甲烷制氢技术研究进展[J]. 天然气工业, 2005, 25(2): 165-168. doi: 10.3321/j.issn:1000-0976.2005.02.053
    [5] 于遵宏, 朱炳辰, 沈才大. 大型合成氨厂工艺工程分析[M]. 北京: 中国石化出版社, 1993.
    [6] 米建新, 刘丹, 张晓欠, 等. 甲烷二氧化碳干气重整催化剂研究进展[J]. 煤化工, 2019, 47(1): 6-9.
    [7] 徐军科, 李兆静, 汪吉辉, 等. 甲烷干重整催化剂Ni/Al2O3表面积炭表征与分析[J]. 物理化学学报, 2009, 25(2): 253-260. doi: 10.3866/PKU.WHXB20090210
    [8] ESTEPHANE J, AOUAD S, HANY S, et al. CO2 Reforming of methane over Ni-Co/ZSM5 catalysts: Aging and carbon deposition study[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(30): 9201-9208. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.05.147
    [9] FAROOQI A S, YUSUF M, ABDULLAH B. A comprehensive review on improving the production of rich-hydrogen via combined steam and CO2 reforming of methane over Ni-based catalysts[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2021, 46(60): 31024-31040.
    [10] 李春林, 伏义路, 屠兢. 水蒸气对Ni/Ce-Zr-Al-OX催化剂上CO2重整CH4的影响[J]. 催化学报, 2004, 25(6): 450-454. doi: 10.3321/j.issn:0253-9837.2004.06.007
    [11] OEZKARA S. Thermodynamic equilibrium analysis of combined carbon dioxide reforming with steam reforming of methane to synthesis gas[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35(23): 12821-12828. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.08.134
    [12] JANG W J, JEONG D W, SHIM J O, et al. Combined steam and carbon dioxide reforming of methane and side reactions: Thermodynamic equilibrium analysis and experimental application[J]. Applied Energy, 2016, 173: 80-91. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.04.006
    [13] WU K T, YU C T, CHEIN R Y. Numerical modeling on catalytic tri-reforming reaction of methane for syngas production[J]. Energy Procedia, 2017, 105: 4198-4203. doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.895
    [14] MINETTE F, WILDE J D. Multi-scale modeling and simulation of low-pressure methane bi-reforming using structured catalytic reactors[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 407: 127218.
    [15] ITKULOVA S S, ZAKUMBAEVA G D, NURMAKANOV Y Y, et al. Syngas production by bireforming of methane over Co-based alumina-supported catalysts[J]. Catalysis Today, 2014, 228: 194-198. doi: 10.1016/j.cattod.2014.01.013
    [16] 任盼盼. 新型镍基甲烷水蒸气-二氧化碳双重整催化剂的制备与性能研究[D]. 辽宁大连: 大连理工大学, 2016.
    [17] SHAKOURI M, HU Y, LEHOUX R, et al. CO2 Conversion through combined steam and CO2 reforming of methane reactions over Ni and Co catalysts[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2020, 99(1): 153-165.
    [18] 黄德明. 合成氨生产工艺学[M]. 北京: 烃加工出版社, 1989.
    [19] XU J G, FROMENT G F. Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics[J]. AIChE Journal, 1989, 35(1): 88-96. doi: 10.1002/aic.690350109
    [20] DONAZZI A, BERETTA A, GROPPI G, et al. Catalytic partial oxidation of methane over a 4% Rh/α-Al2O3 catalyst: Part II. Role of CO2 reforming[J]. Journal of Catalysis, 2008, 255(2): 259-268. doi: 10.1016/j.jcat.2008.02.010
    [21] HE Z, WILDE J D. Numerical simulation of commercial scale autothermal chemical looping reforming and bi-reforming for syngas production[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 47(1): 153-165.
    [22] MOK L F. Sensitivity study of energy consumption in ammonia plant operation[D]. USA: Berkeley University of California, 1982.
    [23] YU Z, CAO E, WANG Y, et al. Simulation of natural gas steam reforming furnace[J]. Fuel Processing Technology, 2006, 87(8): 695-704. doi: 10.1016/j.fuproc.2005.11.008
    [24] LI W, ZHAO Z, REN P, et al. Effect of molybdenum carbide concentration on the Ni/ZrO2 catalysts for steam-CO2 bi-reforming of methane[J]. Rsc Advances, 2015, 5: 100865-100872. doi: 10.1039/C5RA22237K
  • 加载中
图(6) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  530
  • HTML全文浏览量:  338
  • PDF下载量:  69
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-13
  • 网络出版日期:  2021-06-22
  • 刊出日期:  2022-06-30

目录

    /

    返回文章
    返回