On-site pure hydrogen production in a catalytic membrane reactor by ethanol steam reforming

作者
Ali Hedayati
标识
DOI:10.5821/dissertation-2117-105557
摘要

Hydrogen is considered as a clean energy carrier that can be converted to electricity by fuel cell with high efficiency. To be economically feasible and comparable, hydrogen needs to be liquefied, compressed, or adsorbed in metallic hydrides in large scale prior to the transfer. This requires very high pressure or very low temperature, which make a very high risk during transfer and delivery. Hence, it is highly beneficial to produce and consume pure hydrogen at the same place/time. The use of renewable biofuels such as bio-ethanol as a source of hydrogen is highly beneficial due to the higher H/C ratio, lower toxicity, and higher safety of storage that distinguish ethanol over other substrates. Among the reforming processes, steam reforming of ethanol delivers the highest amount of hydrogen per mole of converted ethanol. Noble metal-based catalysts are well known for very high reactivity in terms of ethanol conversion and hydrogen selectivity together with nearly zero carbon deposition over the surface of the catalyst. Ethanol steam reforming (ESR) over noble metal-based catalysts can be considered as an efficient and reliable method for hydrogen production. The application of membrane reactors (MR) -in which production and separation of hydrogen (pure hydrogen production) occurs in the same reactor vessel- is highly beneficial to omit costly and complicated unit processes for hydrogen purification. Besides, by removal of one of the products (hydrogen) via permeation through the membrane, equilibrium limitations are overcome even at unbeneficial operating conditions, leading to higher production of hydrogen and higher efficiency of the process. In case of a palladium-based membrane, highly pure hydrogen is obtained, suitable for feeding a fuel cell online. In this work, in-situ production of pure hydrogen via catalytic ethanol steam reforming (ESR) in a membrane reactor (MR) was investigated. A mixture of pure ethanol and distilled was used as the fuel. ESR experiments were carried out over Pd-Rh/CeO2 catalyst in a Pd-Ag membrane reactor -named as the fuel reformer- at variety of operating conditions regarding the operating temperature, pressure, fuel flow rate, and the molar ratio of water-ethanol (S/C ratio). The performance of the catalytic membrane reactor (CMR) was studied in terms of ethanol conversion, pure hydrogen production rate, hydrogen yield, and hydrogen recovery. Thermodynamic evaluation of the CMR was presented as a supplement to the comprehensive investigation of the overall performance of the fuel reformer. Exergy analysis was performed based on the experimental results aiming not only to understand the thermodynamic performance of the fuel reformer, but also to introduce the application of the exergy analysis in CMRs studies. Exergy analysis provided important information on the effect of operating conditions and thermodynamic losses, resulted in understanding of the best operating conditions. The exergy efficiency of the CMR was evaluated considering both an insulated reactor (without heat loss), and a non-insulated reactor (with heat loss). The simulation of the dynamics of hydrogen permeation was performed. The simulation presented in this work is similar to the hydrogen flow rate adjustments needed to set the electrical load of a fuel cell, if fed online by the studied pure hydrogen generating system. A static model for the catalytic zone was derived from the Arrhenius law to model the production rate of the ESR species. The permeation zone (membrane) was modeled based on the Sieverts' law as the physical definition of hydrogen permeation through the membrane, and a block box model as a function of the fuel flow rate and the reactor pressure. Finally, a dynamic model was proposed under ideal gas law assumptions to simulate the dynamics of pure hydrogen production rate in the case of the fuel flow rate or the operational pressure set point adjustment (transient state) at isothermal conditions. Com a alternativa als combustibles fòssils, l'hidrogen es considera un vector energètic net que es pot convertir a electricitat amb una gran eficiència en una pila de combustible. Normalment, per ser econòmicament atractiu, cal liquar, comprimir o absorbir en metalls l'hidrogen a gran escala per a transportar-lo. Això requereix pressions molt altes o temperatures molt baixes, cosa que suposa riscos en el seu transport i emmagatzematge. Per aquest motiu resulta molt interessant el produir i consumir l'hidrogen al mateix lloc i en el mateix moment. L'ús de biocombustibles renovables com el bioetanol com a font d'hidrogen és molt avantatjós donada la seva relació H/C elevada, baixa toxicitat i elevada seguretat en l'emmagatzematge, aspectes difícils de trobar en altres substrats. Els catalitzadors que contenen metalls nobles mostren una alta activitat en la conversió d'etanol i alta selectivitat a hidrogen al temps que eviten la deposició de carboni a la seva superfície. Així, la reformació catalítica d'etanol (ESR) fent ús de catalitzadors que contenen metalls nobles es pot considerar un mètode eficient i robust per a produir hidrogen. L'ús de reactors de membrana (MR) en els que la producció i separació d'hidrogen té lloc en el mateix reactor resulta especialment útil a l'hora de simplificar i abaratir la purificació de l'hidrogen que es produeix. A més, mitjançant la separació d'un dels productes de la reacció a través de la membrana, l'hidrogen, es superen els límits termodinàmics i es pot treballar en condicions més suaus de reacció, el que comporta una producció més alta d'hidrogen i una millor eficiència del procés. En aquest treball s'investiga la producció in situ d'hidrogen pur per reformació catalítica d'etanol amb vapor d'aigua (ESR) en un reactor de membrana (MR). El combustible utilitzat ha estat una mescla d'etanol pur i aigua i els experiments s'han dut a terme amb un catalitzador Pd-Rh/CeO2 i una membrana Pd-Ag (reformador) sota diferents condicions d'operació de temperatura, pressió, cabal de combustible i relació molar d'aigua-etanol (relació S/C). El comportament del reactor catalític de membrana (CMR) s'ha avaluat en termes de conversió d¿etanol, producció d'hidrogen pur, rendiment d'hidrogen i recuperació d'hidrogen. La investigació exhaustiva del comportament del CMR s'ha complementat amb un estudi termodinàmic. S'ha dut a terme una anàlisi detallada de l'exergia en base als resultats experimentals amb la intenció, no només d'entendre el comportament del reformador, sinó també com a eina en l'estudi, per primer cop, de reactors catalítics de membrana. L'anàlisi energètica ha donat lloc a informació innovadora sobre les condicions de treball del CMR i les pèrdues termodinàmiques del sistema, cosa que permet entendre quines són les millors condicions d'operació. L'anàlisi energètica s'ha dut a terme considerant un reactor aïllat (sense pèrdues de calor) i un reactor no aïllat (amb pèrdues de calor). Per últim, s'ha modelat i simulat la dinàmica en la producció d'hidrogen (permeació) com a darrer pas en l'estudi de l'aplicabilitat del reformador. La simulació realitzada permet ajustar l'alimentació d'hidrogen pur d'una pila de combustible necessària per a garantir el subministrament elèctric en una aplicació. S'ha construït un model estàtic per a la zona catalítica del CMR a partir de la llei d'Arrhenius per a modelitzar la producció de les espècies de la ESR (CO, CO2, CH4, H2O i H2). La zona de permeació del CMR (membrana) s'ha modelitzat, bé amb la llei de Sieverts en base al fenomen físic de transport d'hidrogen a través de la membrana, o bé amb un model de caixa negre tenint en compte la producció d'hidrogen i la pressió. El model dinàmic s'ha realitzat assumint gasos ideals per a simular la dinàmica en la producció d'hidrogen pur quan hi ha canvis en l'alimentació de combustible o canvis en la pressió del CMR en condicions isotermals.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
NFS发布了新的文献求助10
1秒前
1秒前
HuangShuting发布了新的文献求助10
2秒前
zz应助mazijian采纳,获得10
3秒前
wz发布了新的文献求助10
3秒前
奋斗莫茗完成签到,获得积分20
3秒前
4秒前
小安发布了新的文献求助10
5秒前
FashionBoy应助wj采纳,获得10
5秒前
大香蕉发布了新的文献求助10
6秒前
gao0505完成签到,获得积分10
6秒前
zuoyikoala完成签到,获得积分10
6秒前
阿兹卡班完成签到 ,获得积分10
6秒前
7秒前
8秒前
nell发布了新的文献求助10
9秒前
10秒前
大香蕉完成签到,获得积分10
11秒前
思源应助黑夜的冰之歌采纳,获得10
12秒前
乐乐应助我不到啊采纳,获得10
13秒前
mehdi69发布了新的文献求助10
14秒前
冷酷的醉柳完成签到 ,获得积分10
15秒前
nell完成签到,获得积分10
16秒前
16秒前
17秒前
18秒前
18秒前
wj关闭了wj文献求助
18秒前
精明觅荷完成签到,获得积分10
19秒前
bkagyin应助太叔文博采纳,获得10
19秒前
传奇3应助泡泡采纳,获得10
20秒前
fei完成签到,获得积分10
21秒前
张777粒粒发布了新的文献求助10
22秒前
拾三发布了新的文献求助50
23秒前
我不到啊发布了新的文献求助10
23秒前
我是老大应助泷生采纳,获得10
24秒前
RuiXxxxx完成签到,获得积分10
24秒前
24秒前
fei发布了新的文献求助10
25秒前
桐桐应助雪糕采纳,获得10
26秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Autoparametric Resonance in Mechanical Systems 1000
Cosmos as Art Object: Studies in Plato's Timaeus and Other Dialogues 600
Management and the Arts 510
Matrix Methods in Data Mining and Pattern Recognition Second Edition 510
基于锂离子电池正极材料回收的绿色溶剂开发及工程化应用研究 500
Auslegungsgeschichte 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 内科学 物理 复合材料 催化作用 细胞生物学 无机化学 光电子学 物理化学 电极 基因
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7643661
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9216720
关于积分的说明 19773042
捐赠科研通 7209066
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3276704
关于科研通互助平台的介绍 2438276
邀请新用户注册赠送积分活动 2274494