Modeling of Sorption Enhanced Steam Methane Reforming Process in Dual Fluidized Bed Reactors. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Modeling of Fluidized Bed Sorption-Enhanced Steam Methane Reforming for Blue Hydrogen Effects of Sorbent Deactivation and Reactor Operation.pdf Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

يتطلب الاحتباس الحراري تحولاً سريعاً نحو الطاقة النظيفة، مما يجعل الهيدروجين وقوداً مهماً للمستقبل. ومع ذلك، فإن إنتاج الهيدروجين التقليدي يُطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. وتُعد عملية "إعادة تشكيل غاز الميثان بالبخار المعزز بالامتصاص" (SE-SMR) إحدى طرق إنتاج الهيدروجين الأزرق التي تحل هذه المشكلة، وذلك عن طريق استخدام مادة أكسيد الكالسيوم (CaO) لالتقاط ثاني أكسيد الكربون في الموقع، مما ينتج هيدروجينًا أكثر نقاءً من المفاعل. تستكشف هذه الأطروحة عملية (SE-SMR) في نظام مفاعل ذي طبقة مميعة مستمرة (Continuous Fluidized Bed)، مع التركيز على تحدٍ عملي رئيسي يتمثل في فقدان مادة أكسيد الكالسيوم (CaO) لقدرتها على استيعاب ثاني أكسيد الكربون بمرور الوقت. ولفهم ذلك، تمت محاكاة عملية الإنتاج باستخدام ثلاثة نماذج للمفاعل؛ وتشمل: نموذج التوازن (Equilibrium Model) الذي يقدّر التركيب عند التوازن الديناميكي الحراري، ونموذج مفاعل الخزان المقلب المستمر (CSTR) الذي يفترض ثبات تركيزات جميع العناصر، ونموذجًا أكثر دقة وهو نموذج الطبقة الفقاعية ثنائية الطور (Two-Phase Bubbling Bed Model)، والذي يأخذ في الاعتبار الديناميكا المائية للطبقة المميعة الفقاعية. تم التحقق من صحة النماذج باستخدام مجموعتين من البيانات التجريبية، إلى جانب إجراء دراسة بارامترية (Parametric Study) لمعرفة تأثيرات ظروف التشغيل. بعد ذلك، تم دمج النموذج ثنائي الطور مع نموذج يتتبع انخفاض فعالية المادة الممتصة، مع الأخذ في الاعتبار عملية الخلط في نظام الطبقة المميعة الدوارة. تُظهر النتائج أن العمر الافتراضي للمادة يحدد بشكل كبير حجم المفاعل المطلوب، ومعدل استبدال المواد الصلبة، ومدى سرعة تدوير المادة عبر النظام. وأخيرًا، كشف تحليل اقتصادي أن زيادة حجم المفاعل، ورفع كفاءة وحدة التجديد، وخفض تكاليف الطاقة، من شأنها أن تدعم العملية فيما يخص متطلبات استبدال المواد الصلبة

English Abstract

Global warming requires a rapid shift toward clean energy, making hydrogen an important fuel for the future. However, traditional hydrogen production releases large amounts of carbon dioxide. A method of producing blue hydrogen, Sorption Enhanced Steam Methane Reforming (SE-SMR) solves this problem by using a calcium oxide (CaO) material to capture CO2 in-situ, producing purer hydrogen from the reactor. This thesis explores the SE-SMR process in a continuous fluidized bed reactor system, focusing on a major practical challenge where the CaO material loses its CO2 capacity over time. To understand this, the production process was simulated using three models for the reactor which include the equilibrium model which estimates the composition at thermodynamic equilibrium, the CSTR model which considers the concentrations of all the species to be constant, and a more rigorous model which is the Two-Phase Bubbling Bed model, which accounts for the hydrodynamics of a bubbling fluidized bed. Validation was performed using two sets of experimental data, along with a parametric study on the effects of operating conditions. The Two-Phase model was then integrated with a model tracking the sorbent deactivation with consideration of the mixing in the circulating fluidized bed system. The results show that the material's lifespan heavily dictates the required reactor size, solid replacement, and how fast the material must be circulated through the system. Finally, an economic analysis revealed that a larger reactor, higher regenerator efficiency and lower energy costs would aid the process in terms of solid replacement requirements.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Vasilije Manovic,
Thesis Committee Members:	Mohammad Hossain, Umer Zahid,
Depositing User:	SUPHAKLIT WANGDEE (g202419840)
Date Deposited:	20 May 2026 11:33
Last Modified:	20 May 2026 11:33
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144389