مصرف انرژی در ریفورمر تیوب احیای هیدروژن و بررسی نقش دمای خروجی و فشار عملیاتی بر آن

مصرف انرژی در ریفورمر تیوب،تبدیل واکنش، عمر کاتالیست تیوب و انتشار CO₂ نشان دهنده عوامل اصلی موثر بر عملکرد این واحد است و به طور مستقیم تحت تاثیر دما و فشار بالای عملیاتی قرار دارد. ریفرمینگ با بخار از نظر صنعتی یک فرآیند بسیار مهم است زیرا در چندین فرآیند شیمیایی اصلی از جمله تولید آمونیاک، متانول، هیدروژن و اکسو الکل ­ها(OX-alchohol) نقشی حیاتی را ایفا می­ کند. با توجه به ماهیت شدیداً گرماگیر فرآیند، مقدار زیادی گرما از طریق احتراق سوخت (معمولا گاز طبیعی) در محفظه کوره تامین می­ شود. این مطالعه شبیه‌سازی عملکرد ریفورم ​​متان در یک ریفورمر اولیه را از طریق یک رابطه تجربی توسعه ‌یافته ارائه می‌کند که امکان بررسی اثرات پارامترهای عملیاتی مانند فشار، دما و نسبت بخار به کربن بر هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب و همچنین کسر متان تبدیل نشده را فراهم می‌کند. از این تجزیه و تحلیل به نظر می رسد که دمای خروجی، فشار عملیاتی و همچنین نسبت بخار به کربن تأثیر مهمی بر اصلاح متان دارند.

مقاله پذیرفته شده در هشتمین کنفرانس بین المللی فناوری و مدیریت انرژی

مقدمه

ریفورمر بخار یک تجهیز فرآیندی بسیار مهم است که در تولید آمونیاک از طریق هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب استفاده می­ شود. ریفورمر مصرف کننده اصلی انرژی است و کارایی بخش ریفورمینگ تأثیر عمده­ ای بر مصرف انرژی کلی نیروگاه دارد.

اما به دلیل مصرف زیاد انرژی توسط این واحد از یک سو و به دلیل حفظ محیط زیست (کاهش انتشار CO₂) از سوی دیگر بیشتر تحقیقات واقعی به سمت یافتن راه‌هایی برای کاهش مصرف انرژی در ریفورمر تیوب از طریق افزایش نرخ واکنش متان است.

بهینه سازی این پارامترها نیازمند بررسی دقیق ریفورمرتیوب­ ها و کاتالیست­ های آن­ها دارد که پارامترهای فرآیند و معادلات مربوط به آن را شامل می­ شود. مقاله حاضر پروفیل­ های مختلفی از درصد هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب و متان تبدیل نشده را با توجه به چندین پارامتر فرآیند مانند دما، فشار عملیاتی و نرخ جریان بخار، در طول اصلاح بخار متان ارائه می­ دهد.

شرح ریفورمر اولیه و بررسی مصرف انرژی در ریفورمر تیوب

ریفورمر اولیه (Primary Reformer) یک کوره حاوی مشعل ­ها و تیوب­ هایی با کاتالیست نیکل است. آمونیاک با ترکیب شیمیایی هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب و نیتروژن تحت فشار در حضور یک کاتالیست سنتز می شود. نیاز هیدروژن با واکنش کاتالیزوری مخلوطی از بخار و هیدروکربن­ ها، معمولاً متان در دمای بالا برای تشکیل مخلوطی از هیدروژن و اکسیدهای کربن برآورده می ­شود. گاز خروجی از ریفورمر اولیه شامل مقدار کمی متان و همچنین هیدروژن H₂، نیتروژن N₂، مونوکسید کربن CO، دی اکسید کربن CO₂، بخار آب H₂O و گازهای بی اثر (آرگون) است. این مخلوط گازی که به واکنش ریفورمر ثانویه (A) جریان می ­یابد گرماگیر است مصرف انرژی در ریفورمر تیوب به صورت اساسی در دماهای بالا (800 تا 900 درجه سانتی­ گراد) ادامه می­ یابد. نسبت زیاد بخار به هیدروکربن (Z) و فشار کم به طور کلی نرخ بالاتری از هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب و مونوکسید کربن تولید می ­کند.

مدل سازی مصرف انرژی در ریفورمر تیوب

الف. مقدمه

دو بخش مجزا در ریفورمر اولیه وجود دارد، ناحیه تابشی و ناحیه همرفتی. بنابراین مدل سازی مصرف انرژی در ریفورمر تیوب باید هر دو بخش را در نظر بگیرد. ناحیه تابشی نشان دهنده بخشی است که متان در داخل تیوب کاتالیست به مونوکسید­کربن و هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب تبدیل می­ شود. منطقه همرفتی برای جمع آوری­ گرما از گاز خروجی از ناحیه تابشی استفاده می­ شود. برای بررسی اثرات پارامترهای عملیاتی بر متان تبدیل نشده در ریفرمر، لازم است که ریفورمر اولیه شبیه سازی شود. این شبیه سازی بر اساس تعادل انرژی، جرم و تکانه(Momentum) در طول تیوب صورت می­ گیرد.

شبیه سازی بر اساس مفروضات زیر است:

– فرض بر این است که تمام تیوب ­ها (لوله ­ها) در ریفرمر اولیه مشابه هستند و بنابراین یک تیوب می ­تواند نشان دهنده همه تیوب ­ها باشد.

-فرض بر این است که خواص فیزیکی گاز در راستای مصرف انرژی در ریفورمر تیوب در جهت شعاعی ثابت بماند.

– سیال مخلوطی از گونه ­های شیمیایی در نظر گرفته می ­شود. و ترکیب هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب با ادامه واکنش تغییر می­ کند.

ب. موازنه انرژی

گرمای واکنش در دمای T به صورت زیر محاسبه می­ شود:

همانطور که مخلوط تحت یک واکنش شیمیایی قرار می­ گیرد، آنتالپی جزء “i” از طریق واکنش 2 به دست می ­آید:

که در آن  گرمای استاندارد تشکیل جزء “I” است.

ج. موازنه جرم

بکارگیری اصول بقای جرم برای بررسی مصرف انرژی در ریفورمر تیوب:

که در آن  نرخ واکنش جزء I،  مجموع جرم جزء ‘i’ در داخل مرزهای ریفورمر تیوب،   چگالی جزء ‘i’ هستند.

معادله (3) را می ­توان به صورت زیر نیز بیان کرد:

د. ثابت های تعادل، K

ثابت تعادل واکنش های مورد بررسی در مصرف انرژی در ریفورمر تیوب به صورت زیر تعریف می شود:

که در آن  و  به ترتیب، ضریب استوکیومتری و ضریب اکتیویته ­ی جزء i هستند. بنابراین برای واکنش ­های حاضر، ثابت­ های تعادل را می ­توان به صورت زیر تعیین کرد:

ثابت K_PCH4 به دما بستگی دارد و از طریق روابط زیر قابل محاسبه است:

یک همبستگی تجربی بر اساس روش حداقل مجذورات      (least squares method) برای تعیین اثرات پارامترهای عملیاتی مانند دما، فشار و نسبت بخار به کربن بر درصد متان تبدیل نشده (XCH4) و مصرف انرژی در ریفورمر تیوب در واکنش ریفورمر اولیه ایجاد شده است.

IV.نتایج و بحث

این مقاله تاثیر پارامترهای فرآیندی مانند نسبت بخار به کربن (Z)، فشار گاز خروجی (P)، دمای گاز خروجی و ورودی (Ts, Te) (Z) را بر درصد متان تبدیل نشده (XCH4) و همچنین یک همبستگی تجربی بر اساس روش حداقل مجذورات      (least squares method) برای تعیین اثرات پارامترهای عملیاتی مانند دما، فشار و نسبت بخار به کربن بر درصد متان تبدیل نشده (XCH4) و مصرف انرژی در ریفورمر تیوب در واکنش ریفورمر اولیه ایجاد شده است.

الف. اثر فشار عملیاتی  (P) در هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب، H₂

شکل 2 (a)-(c) اثر فشار گاز خروجی را برای دماهای گاز خروجی مختلف Ts و دمای گاز ورودی ثابت (Te=520 C) و همچنین 3 مقدار مختلف Z به ترتیب برابر با مقادیر 2، 5/2، 6/3 را نشان می­ دهد. در مورد مصرف انرژی در ریفورمر تیوب مشاهده می­ شود که هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب با فشار برای همه موارد مورد مطالعه به طور معکوس متناسب است، در حالی که مقدار هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب متناسب با دمای خروجی و نسبت بخار به کربن (Z) متفاوت است.

ب. اثر (Z) بر XCH₄.

شکل 3 (a)-(c) اثر نسبت بخار به کربن (Z) را برای سه فشار گاز خروجی مختلف (27، 33 و 39 بار) و دمای خروجی متفاوت Ts برای دمای گاز ورودی Te (520 درجه سانتی­ گراد) بر روی مقدار کسر تبدیل نشده متان و مصرف انرژی در ریفورمر تیوب، XCH₄. را نشان می­دهد.

این شکل‌ها نشان می‌دهند که XCH₄ نسبت معکوس با Z برای هر مقدار P تغییر می‌کند و همچنین با افزایش P کاهش می‌یابد، در حالی که با Ts متناسب است. شکل این تغییر را می ­توان با یک تابع نمایی به بهترین شکل نشان داد:

ج. اثر Z بر H₂

شکل 4 (a)-(c) اثر نسبت بخار به کربن (Z) را برای سه فشار گاز خروجی مختلف (27، 33 و 39 بار) و دمای خروجی متفاوت Ts برای دمای گاز ورودی Te (520 درجه سانتی گراد) را نشان می‌دهد. از مصرف انرژی در ریفورمر تیوب از این ارقام می توان دریافت که مقدار H₂ به ازای هر افزایش نسبت بخار به کربن (Z) برابر با 5/0 در فشار کم (27 بار) و خروجی زیاد، 8.2 درصد افزایش می یابد. دما (Ts). این مقدار برای همان افزایش Z (0.5) در دمای خروجی پایین (Ts)، برای همان فشار (27 بار) به12.4٪ افزایش می یابد. در فشارهای بالاتر و Ts بالاتر، مقدار H₂ به میزان 9.4 درصد افزایش می ­یابد تا نسبت S/C به میزان 0.5 افزایش یابد. از سوی دیگر، در فشار بالا و Ts پایین، مقدار H2 به ازای هر 0.5 افزایش در نسبت S/C  12.7 درصد افزایش می­یابد. این می تواند به ما منجر شود که افزایش نسبت بخار/کربن در Ts بالا تأثیر قابل توجهی بر تولید H₂ ندارد. با این حال، با افزایش دمای خروجی (TS) از 740 به 900 درجه سانتی گراد در فشار کم و Z بالا، تولید H₂ به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

نتیجه گیری

این مقاله قادر به تعیین اثر پارامترهای عملیاتی بر درصد متان تبدیل نشده و همچنین مصرف انرژی در ریفورمر تیوب در یک ریفورمر اولیه آمونیاک است. بنابراین تحلیل حاضر نشان می­ دهد که:

– نسبت بخار به کربن (Z) یک عامل مهم در عملکرد ریفرمر اولیه آمونیاک و مصرف انرژی در ریفورمر تیوب است. مقدار بالاتر Z باعث تولید بیشتر هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب، کاهش مقدار متان تبدیل نشده و همچنین تشکیل کربن می شود که می تواند کارایی کاتالیزور را کاهش دهد.

– دمای خروجی بالاتر Ts، مقدار متان تبدیل نشده را کاهش می­ دهد. با این حال، توصیه می­ شود این دما را به 900 درجه سانتی گراد محدود کنید تا از ذوب کاتالیزور جلوگیری شود، بار انرژی و همچنین انتشار CO₂ کاهش یابد.

– دمای مخلوط گاز ورودی Te تأثیر مستقیمی بر مقدار متان تبدیل نشده ندارد، اما مستقیماً بر انرژی مصرف شده توسط ریفرمر تأثیر می ­گذارد.

-فشار عملیاتی بر هیدروژن تولیدی با ریفورمر تیوب در دمای گاز خروجی بالا تأثیر دارد.

نویسندگان: متین پاشاخانلو، عباس پارسا، امیرحسین یوسف بیگی

جهت کسب اطلاعات بیشتر با ما در تماس باشید.