Design and Simulation of Steam Membrane Reforming Process for Hydrogen Production

Design and Simulation of Steam Membrane Reforming Process for Hydrogen Production. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MS_Thesis_Design_and_simulation_of_Steam_Membrane_Reforming_Process_for_Hydrogen_production.pdf
Restricted to Repository staff only until 1 March 2022.

Download (4MB)

Arabic Abstract

مع تزايد مخاوف تغير المناخ ، تحظى أنظمة الطاقة النظيفة القائمة على وقود الهيدروجين باهتمام كبير. هناك دراسات مكثفة ركزت على تقنيات إنتاج الهيدروجين بهدف تحسينها وجعلها أكثر كفاءة وموثوقية وأقل تكلفة. هذه الدراسة البحثية تقدم تحليلاً شامل لمحاكاة إنتاج الهيدروجين بواسطة عملية إعادة تشكيل الميثان بالبخار باستخدام غشاء مصنوع من البلاديوم والذهب. تتميز هذي التقنية بالقدرة على دمج عمليتي التفاعل و تنقية الهيدروجين في وحدة عملية واحدة مما يمكنها من تخطي حدود الديناميكا الحرارية. ونتيجة لذلك ستتحسن إنتاجية وتنقية الهيدروجين. تم تطوير نموذج متجانس أحادي البعد في Aspen Custom Modeler لمفاعل يحتوي على غشاء مصنوع من البلاديوم والذهب مع طبقة معبأة من محفز النيكل بين الغشاء وغلاف المفاعل الداخلي. وتم بعد ذلك استخدام النموذج لعمل محاكاة لعملية إنتاج الهيدروجين باستخدام برنامج Aspen Plus تم إجراء دراسة تحليلية لدراسة تأثير عوامل التشغيل على أداء الغشاء مثل استقطاب التركيز ودرجة الحرارة وضغط التغذية والنفاذ وطول الغشاء وسمكه. بعد ذلك تم إجراء مقارنة بين إعادة تشكيل الميثان بالبخار والنفثا المُعاد تشكيلها مسبقًا عند 580 درجة مئوية و 30 بارًا. وبعد ذلك ، تم إجراء دراسة مقارنة بين عمليات إعادة تشكيل غاز الميثان البخاري التقليدي والغشائي لإنتاج الهيدروجين على نطاق صغير. تم تقييم كلتا العمليتين في أفضل ظروف التشغيل. ضغط التشغيل ودرجة الحرارة الأمثل لعمليات إعادة تشكيل غاز الميثان البخاري التقليدي والغشائي هي 23 بار و 900 درجة مئوية و 30 بار و 550 درجة مئوية على التوالي. أظهرت نتائج المحاكاة أن عملية إعادة تشكيل غاز الميثان البخاري الغشائي أفضل من التقليدي بسبب زيادة في نسبة تحويل الميثان و زيادة في إنتاج الهيدروجين ، وكفاءة أعلى في الطاقة.

English Abstract

As climate change concerns grow, clean energy systems based on hydrogen fuels are receiving substantial attention. There are extensive studies that focused on hydrogen production technologies aiming for more efficient, reliable, and cost-effective processes. This study presents a simulation analysis for PdAu-based membrane steam methane reforming process using Aspen Plus. The membrane reforming process used for hydrogen production and it has the capability to integrate reforming reaction and hydrogen purification process into one single process unit. This will allow to shift the thermodynamic limitation, and as a result, will improve hydrogen yield and selectivity. A one-dimensional pseudo-homogenous model was developed in Aspen Custom Modeler for a packed bed PdAu membrane reactor with Ni-based catalyst packed between the membrane and the reactor shell. A sensitivity analysis study was conducted to study the effect of key operational parameters on the membrane performance such as concentration polarization, temperature, feed and permeate pressure, and membrane length and thickness. Then, a comparative analysis is made between steam methane reforming and pre-reformed naphtha at 580˚C and 30 bar. After that, a comparison study between conventional and PdAu-based membrane steam methane reforming processes for small-scale hydrogen production was conducted. Both processes were evaluated at their most optimum operational conditions. The optimum operating pressure and temperature for conventional and membrane SMR processes are 23 bar and 900˚C and 30 bar and 550˚C respectively. The simulation results revealed that the membrane SMR process has higher methane conversion, hydrogen yield, and process energy efficiency than the conventional SMR process.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Chemical Engineering
Department: College Of Engineering Sciences > Chemical Engineering Dept
Committee Advisor: Zahid, Umer
Committee Members: Al-Mutairi, Eid and Baaqeel, Hassan
Depositing User: FERAS AL-RASHED (g200960710)
Date Deposited: 29 Apr 2021 10:24
Last Modified: 29 Apr 2021 10:24
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141864