Process Intensification of Hydrogen Production via Steam Methane Reforming with Palladium Membrane Technology. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS_Thesis_25_DEC.pdf Restricted to Repository staff only until 20 February 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

الهيدروجين عنصر أساسي في التحول العالمي للطاقة، حيث يقدم بديلاً أنظف للوقود الأحفوري. حاليًا، تُعد عملية إعادة تشكيل غاز الميثان بالبخار (SMR) التكنولوجيا الأكثر استخدامًا لإنتاج الهيدروجين، حيث يمثل أكثر من 90٪ من الإمدادات العالمية للهيدروجين. ومع ذلك، ينتج عن عملية الإصلاح البخاري للميثان انبعاثات كربونية كبيرة، مما يحد من فوائدها البيئية. وللتغلب على ذلك، برز دمج مفاعلات الأغشية (MR) في عمليات الإصلاح البخاري للميثان كحل واعد لإنتاج الهيدروجين مع تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة من خلال التقاط الكربون وفصله. تتناول هذه الدراسة تأثيرات مختلف الظروف التشغيلية والتصميمية على إنتاج الهيدروجين (MR) بتصميم غلافي انبوبي. تُسهل الحبيبات المحفزة في الجانب الغلافي التفاعلات لإنتاج الهيدروجين. تم تطوير نموذج ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) لمفاعل (SMR) معبأ بمحفز النيكل وتم التحقق من صحته مقابل نتائج مخبرية من الأدبيات العلمية. تم تحليل تحويل الميثان واسترداد الهيدروجين عبر درجات حرارة وضغوط وأقطار أنابيب الغشاء ومعدلات تدفق وتركيزات مزيج الميثان والبخار المختلفة. كما وجدت الدراسة تأثير اتجاه التدفق - المتعاكس والمتوازي - على أداء المفاعل. هدفت هذه الدراسة إلى تحسين تصميم وتشغيل مفاعل (SMR)، وتقديم رؤى حول التطبيقات الصناعية القابلة للتطوير لتعزيز كفاءة إنتاج الهيدروجين. أظهرت النتائج أن وجود تدفق لبخار الماء داخل أنبوب الغشاء يعزز معدل تحويل الميثان واسترداد الهيدروجين، حيث يتحقق أقصى تحويل للميثان عند معدل تدفق لبخار الماء مساوي لمعدل تدفق تغذية مزيج الميثان والبخار. يُلاحظ استرداد أعلى للهيدروجين عندما يتجاوز تدفق الاجتياح معدل تدفق التغذية. انخفض تحويل الميثان من 0.42 عند ضغط تغذية 5 بار إلى 0.29 عند 15 بار، بينما تحسن استرداد وانتقائية الهيدروجين مع الضغط، حيث بلغت قيمهما 0.12 و0.14 على التوالي عند 15 بار. تقل معدلات تحويل الميثان واسترداد الهيدروجين عند زيادة معدلات تدفق التغذية بسبب تقليل وقت التفاعل. يتفوق التدفق المتوازي لبخار الماء داخل الانبوب، ومزيج الميثان والبخار في الغلاف باستمرار على التدفق المتعاكس في تحويل الميثان خاصة عند الضغوط العالية. أظهرت الأنابيب الغشائية ذات الأقطار الأكبر أداءً أفضل، حيث حققت أعلى تحويل للميثان، بينما الأنابيب الغشائية ذات الأقطار الأصغر كان لديها اعلى استرداد للهيدروجين وانتقائية عند جميع الضغوط. يزيد حجم الغلاف الأكبر من استرداد الهيدروجين وتحويل الميثان، بينما يزيد حجم الغلاف الأصغر من انتقائية الهيدروجين.

English Abstract

Hydrogen is a critical element in the global energy transition, offering a cleaner alternative to fossil fuels. Currently, steam methane reforming (SMR) is the most widely used technology for hydrogen production, accounting for over 90% of global supply. However, the SMR process produces significant carbon emissions, limiting its environmental benefits. To address this, integrating SMR membrane reactors (MR) has emerged as a promising solution for producing hydrogen that minimizes greenhouse gas emissions through carbon capture and separation. This study investigates the impacts of various operation and design parameters on hydrogen production in a membrane-based steam methane reformer (SMR) with a shell-and-tube design. The catalytic bed on the shell side facilitates reforming reactions to produce hydrogen, and the membrane tubes are arranged in a square configuration to purify the produced hydrogen. A computational fluid dynamics (CFD) model of a nickel catalyst-packed SMR was developed and validated against experimental data from the literature. Methane conversion and hydrogen recovery were analyzed across a range of conditions, including different pressures, membrane tube diameters, feed gas flow rates, and concentrations. The study also examines the impact of flow configurations—counter-current and co-current—on reactor performance. Ultimately, this research aimed to optimize SMR design and operation, providing insights into scalable industrial applications to enhance hydrogen production efficiency. The results demonstrated that introducing sweep flow enhances methane conversion and hydrogen recovery, although maximum methane conversion is observed when the sweep flow rate is equal to feed flow rate. Higher hydrogen recovery is observed when sweep flow exceeds the feed flow rate. Methane conversion decreased from 0.42 at 5 bar feed pressure to 0.29 at 15 bar, while hydrogen recovery and selectivity improved with pressure, reaching values of 0.12 and 0.14, respectively, at 15 bar. Higher feed flow rates led to lower methane conversion and hydrogen recovery due to decreased reaction time. Co-current flow outperforms counter-current flow in methane conversion. Larger tube diameter configure has the highest methane conversion, and smaller tube diameter configure has the highest hydrogen recovery and selectivity across all pressures. Increasing the shell volume increases hydrogen recovery and methane conversion, while the smaller shell volume increases the hydrogen selectivity.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Ahmed, Usama
Committee Members:	Nemitallah, Medhat and ZAHID, UMER
Depositing User:	MINAS ALRSHDAN (g202211380)
Date Deposited:	27 Feb 2025 06:34
Last Modified:	27 Feb 2025 06:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143292