• No results found

Simulation of a lab-scale methanation reactor

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Simulation of a lab-scale methanation reactor"

Copied!
33
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

       

Simu ulation 

De

R

of a lab

egree Proje Seyedeh 

Prof.

PhD stu

Energy pr Royal Insti

b‐scale        

ect in Chem Guilnaz M

Supervis

. Mats Wes udent Farza

   

rocesses dep tute of Tech June 201

 

e metha

mical Engine Mirmoshtag

sor 

stermark  ad Mohsen

partment (E hnology (K 11 

anation

eering  ghi 

ni 

EP)  KTH) 

n reacto or 

(2)

Preface 

 

This  is  the  degree  project  in  chemical  engineering  which  is  held  in  Energy  processing  section since June 2010. It has started as a project like a complimentary part to a PhD work and  then continued as master thesis. 

                                   

   

(3)

Abstract 

 

By  the  everyday  increasing  enthusiasm  for  using  renewable‐sustainable  sources  in  energy production area, focusing on one and optimizing it in the best possible way should be of  much interest.  

Biogas  production  from  anaerobic  digestion  of  wastes  is  a  well  known  energy  source  which could be applied more efficiently if the CO2 portion of it would be upgraded to CH4 as  well. There is a methanation reaction which could convert carbon dioxide to methane with the  use of hydrogenation. 

In this report, the effort is to simulate this methanation reactor which is a catalytic bed of  ruthenium  on  alumina  base.  The  temperature  change  and  its’  effect  on  reaction  kinetics  and  equilibrium,  also  deriving  designing  parameters  for  the  catalyst  bed  are  different  tasks  which  was tried to be covered in this thesis work. 

Based on calculations, the reactor can operate isothermally or adiabatically. The point is  that  each  method  has  its  own  cons  and  pros.  For  the  isothermal  case  finally  the  optimum  temperature to run the reaction is decided to be 600 K in 10 bar total pressure. In adiabatic case  then it is understood to work on interstage cooling strategy which in given conditions came to  the number of 6 for reactors and 5 for interstage cooling devices. 

Afterwards  it  is  thought  to  apply  some  technical  changes  to  conventional  adiabatic  method  and  recycle  some  part  of  the  product  to  the  entrance  of  the  reactor  and  assist  the  conversion. In this method number of reactors would be reduced to 2 and one heat exchanger in  the middle. 

Selecting the best process in large scale treatment, needs lots of economical analysis and  detail  design  while  in  small  scale  condition  the  most  preferred  method  to  run  the  reaction  is  isothermal. 

         

   

(4)

Notation 

 

P Partial pressur of component i, atm  T Temperature, °R 

T : Temperature, °K  t time, hr 

k reaction rate constant, hr atm   E activation energy, Btu

lbmolof reactant  n: catalyst coeffiecient, dimensionless  K Equilibrium constant, atm   H enthalpy, J/ mol. K  

R gas constant, J mol. K 

θ characteristic vibration temperatures of molecule i, K  Q Heat generated or released , kW 

H / Enthalpy of input and output stream, kJ/mol  F / Molar flowrate of reactants and products, mol/sec   h Heat transfer coefficient from gas to wall, W

m K  A Surface area of element exposed to coolant, m   D Diameter of the reactor, m 

length of element which is exposed to coolant   

   

   

(5)

Table of contents 

 

Preface ... 1 

Abstract ... 3 

Notation ... 4 

Table of contents ... 5 

Introduction ... 6 

The reaction ... 6 

Aim of the project ... 7 

Methodology ... 7 

1 Discussion and results ... 9 

1.1 Simulation and calculation data ... 9 

1.1.1 Input data ... 9 

1.1.2 Division of bed into 20 elements ... 10 

1.1.3 Cases for simulation ... 11 

1.1.4 Kinetic equation ... 11 

1.1.5 Equilibrium considerations ... 12 

1.2 Results of adiabatic case ... 13 

1.3 Results of Real case ... 20 

1.3.1 Theoretical formulation ... 20 

1.3.2 Analytical calculations and results ... 22 

1.3.2.1 Trial at 550 Kelvin as initial temperature ... 25 

1.3.2.2 Trial at 600 Kelvin as initial temperature ... 26 

1.3.2.2 Trial at 650 Kelvin as initial temperature ... 26 

1.4Comparison of adiabatic case with isothermal case ... 28 

2 Conclusion ... 31 

Bibliography ... 33   

   

(6)

Introduction 

 

Analysis  shows  that  fossil  fuel  sources  are  under  the  threat  of  fast  decrease.  Although  these  sources  are  highly  efficient  and  economically  beneficial,  they  have  high  level  of  environmental  risks  and  hazards  as  well.  Considering  these  important  facts,  encourages  different countries to change their energy policy and to focus more on non‐fossil fuels. To have  more  energy  security  and  less  environmental  problems,  lead  to  finding  as  much  renewable  sources as possible. 

One of the sustainable sources in the renewable category is biogas. Some authors define  biogas  as  those  gases  which  are  produced  through  anaerobic  digestion.  But  there  is  a  wider  definition that considers biogas as all combustible gases from biological sources (Taglia P.G 2010)  and  also  includes  gases  from  pyrolysis  or  thermal  gasification.  Biogas  is  mainly  methane  and  carbon dioxide together with some other inert gases. (Violeta Bescós 2008) Methane is the main  part of biogas which could be used as fuel and energy source, so companies are more interested  in optimizing the biogas production process in the way to have as much methane as possible. 

The reaction 

 

In order to increase the biogas supply, different methods can be used. One of them is to  use  Sabatier  reaction.  It  is  called  “Sabatier”  reaction  after  its  investigator  who  was  a  Belgian  chemist.  He  discovered  this  reaction  to  hydrogenise  carbon  compounds  in  a  catalytic  bed  at 

~480‐650 K which is called methanation. In this reaction the COwhich exists in biogas stream  reacts with H2 and produces CH4 again. Therefore the product would have more CH4 than the  biogas process itself (Lunde 1974) 

 

Hydrogen in  this  reaction could  be  prepared through  different  methods  such as  steam  reforming and water electrolysis. In order to have a complete renewable pathway for methane  production,  water  electrolysis  using  electricity  provided  by  wind  farms,  would  be  a  better  choice.  

Methanation  is  a  highly  exothermal  reaction  which  produces  ‐165 kJ/mol  produced  CH4  .This parameter should be considered in design of the reactor, so that the accumulation of the  heat does not destroy the catalysts. The equilibrium is more favorable at low temperature, but  the reaction rate is higher at high temperature so controlling the temperature in an applicable 

(7)

range  is  important.  In  industry,  using  heat  exchanger  around  the  reactor  wall  is  a  method  to  control temperature fluctuation in bed.  

Aim of the project 

 

In  this  thesis,  a  lab‐scale  Sabatier  reactor  is  simulated.  Studying  different  parameters  such  as  reactant  temperature,  coolant  temperature  and  pressure  in  this  project  gives  the  optimum point to run the reaction. Kinetics of reaction through the bed and temperature profile  are final results.  

Methodology 

 

The studied input gas contains 60 vol% CH4 and 40 vol% CO2 which is typical for the gas  leaves an anaerobic digester. Hydrogen is added then at stoichiometric ratio (4 H2 per CO2

In order to simulate the reaction, the methodology is to divide the bed in 20 hypothetical  elements in which a conversion of 4.5%/element is assumed. The final yield is thus assumed to  be 90% (expressed as reacted hydrogen/inlet hydrogen). The temperature in each cross section is  considered to be the same and so there is just temperature profile along the length of the bed. 

This simulation has been done all in excel, since the method was numerical based. 

             

   

Fig 1. Schematic figure of one element in bed  H2  CO2  CH4  H2

T1 

H2  CO2  CH4  H2O T2 

First Element

(8)

In fig 1, there is a schematic view of one element of the 20 ones in the reactor tube. As it  is clear, the streams with temperature T1 and with different volumetric flows enter the element. 

The heat  which is  produced in the reaction  can either  increase the temperature of  the effluent  stream  to  T2  or  be  released  from  the  wall  to  the  cooling  media.  In  reality  both  of  these  mechanisms  happen  in  parallel,  but  in  our  calculations  we  simulate  them  individually.  The  results of the isothermal and the adiabatic simulation then can be compared with one another. 

As  reactor  tubes,  the  inner  diameter  of  35  mm  was  chosen  since  this  is  a  standard  diameter  that  is  easily  available  and  is  used  in  laboratory  reactor.  Tube  length  up  to  6  m  is  available and it seems logical to design the reactor for single pass. A load of 1.94 mmol/sec CO2  and 90% conversion was assumed for tube and 10 bar pressure was chosen. 

   

(9)

1 Discussion and results 

1.1 Simulation and calculation data 

1.1.1 Input data 

 

There  are  some  initial  values  used  as  the  basis  of  calculations.  These  data  were  taken  mainly from Lunde work as the major source of information in this task. Based on Lunde paper  on  modeling  and  simulation  of  Sabatier  reactor,  the  estimated  inlet  flow  in  atmospheric  pressure is 0.638 ft3/min (18.1 lit/min) (Lunde 1974). This value could be changed in 10 atm case  easily, so the values for volumetric flow rate of each component in influent become as in table 1. 

Input parameter  Unit  value 

Reaction pressure  atm  10 

Inlet temp  550 

inlet flow of CO2 (20 ◦C, 10 atm)  lit/ min  0.28  inlet flow of CH4(20 ◦C, 10 atm)  lit/ min  0.42  inlet flow of H2(20 ◦C, 10 atm)  lit/ min  1.12 

inlet flow of vapor  mol/ min 

Reacted CO2 per stage  4.5 

Inner diameter of reactor tube   mm  35 

 

Table 1. Input data 

The  strategy  is  that  hydrogen  and  carbon  dioxide  enter  the  reactor  in  stoichiometric  ratio. In each hypothetical element 4.5% of the initial CO2 should be converted. For instance, in  the first  element 4.5% of 0.28 lit/min converts  and the rest flows to the second  element. In the  second element another 4.5% of 0.28 lit/min would convert and the rest gets to the third element  and this process continues till the 20th element. This assumption then gives us a fixed conversion  of 90% in all different cases under consideration 

The  described  mechanism  is  the  same  for  all  other  compounds  in  influent.  The  only  thing which is necessary to mention is considering the existence of CH4 from the beginning in  the  reactor.  This  stream  is  injected  to  the  reactor  separately  just  to  simulate  the  real  biogas  stream which consists of both CH4 and CO2 together. The inlet concentration of methane does  not change the equilibrium constant, but it is increasing the flow and the heat capacity.  

We can think of the conversion as the fixed parameter and size of the bed reactor as the  unknown parameter which should be calculated for different cases. Temperature profile along  the reactor could be the other unknown parameter which depends on changes in size of the bed  and other initial parameters. 

(10)

In order to use the correlations in different articles for further calculation it is needed to  change  the  flow  rate  unit  from  lit/min  to  mol/min.  This  is  easily  done  by  using  the  ideal  gas  equation. Pressure term in the correlation is equal to 10 atm which is the total pressure of the  system and temperature is equal to 293 K.  

1.1.2 Division of bed into 20 elements 

 

In  table  2,  there  are  molar  changes  along  the  bed  from  top  to  bottom.  The  first  row  in  this  table  is  the  input  flow  of  the  whole  reactor  and  first  element  as  well,  but  the  other  rows  could be interpreted as the outflow of the element which is mentioned in the same row of the  table. As it is shown, the total number of moles is reducing through the reaction. This is because  of  the  non‐equimolar  characteristics  of  the  reaction.  Also  the  relation  between  molar  flows  of  different components is based on stoichiometric ratio. 

No. of  elements 

n CO2  (mmol/min) 

n H2  (mmol/min) 

n CH4  (mmol/min) 

delta CH4  (mmol/min) 

nH2 (mmol/min) 

ntot  (mmol/min) 

116.45  465.8  174.7  756.95 

111.21  444.84  179.92  5.25  10.5  746.50 

106.00  424.00  185.16  10.50  21.00  736.16 

100.73  403.00  190.40  15.72  31.44  725.60 

95.50  382.00  195.64  21.00  41.92  715.06 

90.25  361.00  201.00  26.20  52.40  704.65 

85.00  340.00  206.12  31.44  63.00  694.12 

80.00  319.10  211.36  36.7  73.40  683.90 

74.53  298.11  216.60  41.92  83.85  673.10 

69.30  277.15  221.84  47.16  94.32  662.61 

10  64.05  256.20  227.10  52.40  104.80  652.15 

11  58.81  235.23  232.32  57.64  115.30  641.70 

12  53.56  214.30  237.56  62.88  125.80  631.122 

13  48.32  193.30  242.80  68.12  136.25  620.70 

14  43.08  172.35  248.04  73.36  146.73  610.20 

15  37.85  151.40  253.30  78.60  157.21  599.76 

16  32.60  130.42  258.50  84.00  167.70  589.22 

17  27.36  109.50  263.8  89.08  178.17  578.83 

18  22.12  88.50  269.00  94.32  188.67  568.30 

19  17.00  67.54  274.25  99.56  199.13  557.92 

20  11.65  46.60  279.50  104.80  209.61  547.40 

 

Table 2. Mole fractions in each element (4.5% conversion in each) 

(11)

1.1.3 Cases for simulation 

 

In this report there are two main cases considered. The first case is the adiabatic one in  which  all  the  generated  heat  is  used  to  increase  the  temperature  of  the  flows  downward  and  nothing  can  be  released  to  the  surrounding.  The  second  case  then  is  known  as  the  real  case  which  happens  in  reality.  The  attempt  in  this  case  is  to  control  temperature  in  the  bed  on  the  constant  amount  by  cooling  the  bed  in  a  heat  exchanging  mechanism  with  a  coolant  flows  around the reactor. 

1.1.4 Kinetic equation 

 

Emmett did a complete research on carbon dioxide methanation which was published as  a  book  named  “catalysis”.  He  believed  that  the  methanation  process  can  be  described  as  two  consecutive reactions (Emmett 1951)

      (a) 

      3       (b) 

Since  the  first  reaction  is  slow  at  the  used  reaction  temperature  (207‐371◦C)  and  the  second  one  is  more  rapid  than  the  (a),  more  in  equilibrium  form,  then  there  is  no  carbon  monoxide in the output stream. (Kester 1974) 

Knowing the real reactions which are happening helps finding the catalytic mechanism  and then formulating a model for the reaction. Since the reaction is in gas phase and reversible,  reaction rate is dependent both on partial pressure of reactants and products. Lunde has found  a correlation for calculating this parameter (Lunde 1974)

   (1) 

Lunde and Kester in the process of finding a well‐suited correlation for rate of reaction  did some experiments in laboratory reactors. Through these tests, they could estimate values for  k, Ea and n with a rather good liability. In their investigation the following values were found: 

k= 0.1769× 1010 

Ea= 16.84 kcal/gmol (30.320 btu/lbmol)   n= 0.225 

 

They  derived  these  values  from  curves  and  lines  of  experimental  results  in  different  H2/CO2  ratios and also in different temperatures. (Lunde, Peter J.,Kester, Frank L 1973)  

 

(12)

1.1.5 Equilibrium considerations 

 

The rate of reaction is also depending on the equilibrium constant (Ke ) and Ke itself is  temperature  dependent.  The  extended  equation  for  equilibrium  constant calculation  is  as  following (Lunde, 1974)

. . . .        (2) 

In  this  equation,  Tk  stands  for  Temperature  in  Kelvin  unit.  This  equation  is  derived  based on thermodynamic data by Wagman and et al in 1945 according to methods described by  Brewer  and  Pitzer  in  1961.  The  heat  capacities  that  were  used  in  this  equation  derived  from  Bureau of Mines Bulletins in 1949, 1950 and 1960 (Lunde, Peter J., Kester, Frank L. 1974) 

     

   

(13)

1.2 Simulation result for the adiabatic case with interstage cooling 

 

In this case, it is assumed that the heat which is generated through the reaction in each  element is not released from the reactor, but increases the temperature of the outflow instead. 

First of all it is needed to have some strategy for bed sizing, so then it could be modified  or  completed  with  temperature  and  enthalpy  considerations.  The  following  steps  are  used  to  calculate the length of bed: 

I. Calculating the rate of reaction by equation (1) 

II. Changing the unit atm./hr to mol/m3.min by simple using of ideal gas correlation  III. Calculating  volume  of  bed  by  dividing  produced  CH4  molar  flow  rate  in  each 

element with rate of reaction in that specific element. 

IV. Calculating length of each element by considering the fixed cross sectional area   V. The strategy in simulating this case is based on enthalpy changes along the bed.  

The  enthalpy  transformations  occur  because  of  temperature  increase  due  to  the  exothermic nature of reaction. The total enthalpy is constant, but chemical enthalpy is converted  to  thermal  enthalpy.  In  order  to  relate  the  enthalpy  of  components  to  temperature  changes,  there are some polynomial correlations in different articles. Constants in these correlations are  experimentally  determined  for  different  gases.  Frolov  and  et.al  (2009)  in  an  article  derived  different experimental correlations for enthalpy calculations of real gases.  

The molar enthalpy for CO2 with reference temperature of 0 K in ideal‐gas case is given  as follows in Frolov article: 

. . ∑ /         (3) 

In equation (3), θ for CO2 has different values. θ1 = 3380 K, θ2 = 1995 K and θ3 = θ4=960 K. 

In the same article, there is another correlation which would be applied for the thermal  enthalpy of H2 as an ideal gas. In this one the assumptions are the same as before and θ =  6323.26 K. 

. . /         (4) 

The given correlations are both for reactants, but in order to do the calculations for the  adiabatic case it is needed to have functions for product enthalpies as well. For H2O, there is a  correlation  in  the  same  article  as  well;  therefore  the  assumptions  are  nearly  similar  with  two  previous components. 

(14)

. . . ∑ /   (5)  In equation 5, the new parameter xi is just a simple θi to T ratio : ( xi = θi/T). For H2O the values  for θi are as follows: θ1 = 5260.73 K, θ2 = 2294.37 K, θ3 = 5403.36 K. 

To calculate the thermal enthalpy for CH4 there is another type of polynomial which is  given by Passut and Danner (1972). 

       (6) 

A,B,C,D,E and F are coefficients regarding to enthalpy in Btu/lb and temperature in R . For CH4  the values for A to F are as following:  

A  =  ‐5.58114,  B  =  0.564834,  C  =  ‐0.282973  ×  10‐3,  D  =  0.417399  ×  10‐6         E = ‐1.525576 × 10‐10, F = 1.958857 × 10‐14 

It is necessary to mention that since all the values in this report is in SI system, the enthalpy unit  from equation (5) should be changed into SI 

Now  having  the  enthalpy  function  of  all  components  in  the  reaction,  the  calculations  could be done properly and knowing the fact that in Sabatier reaction there is ‐165 kJ/mol produced  CH4 heat  production,  the  exit  temperature  of  each  element  can  be  calculated  by  the  following  equations. 

                (7) 

. %   (8) 

Based on equation (8), the value for Qgenerated is a fixed amount for all elements which in  this case is equal to 14.4 W per element. In equation (7) then, the left side is the same as equation  (8), the F values are changing through the bed from top to bottom and enthalpies are changing  due to the temperature changes, as well. Hin is a function of Tin and Hout is Tout dependent. The  output temperature of each element is the input one for the next element. The other point which  is necessary to mention is to assume the element temperature equal to input flow temperature. 

For example, in element number 1, the input flow temperature is 550K and it is assumed that the  reaction in this element happens in 550 K as well. 

In calculating the output temperature of each element, the temperature level increases to  the point that the equilibrium conversion is reached in the middle of reactor and so the reaction  could  not  go  further  and  get  to  the  assumed  conversion  of  90%.  In  table  3  there  are  results  of  adiabatic  simulation  on  temperature  and  enthalpy  aspects.  As  it  is  clearly  shown  the  critical  temperature happens somewhere around the 11thelement. The equilibrium conversion (Xe) in this 

(15)

case  is  47%  which  is  happening  somewhere  around  the  11th  element.  The  highest  possible  temperature which could be reached in adiabatic trial is 907.4469 K and in temperatures higher  than that, equation (1) gets to zero or negative values and so it means that there could not be any  reaction  in  temperatures  higher  than  this.  Therefore  the  12th  element  and  so  forth  ones  do  not  play any role in this reaction! 

Next step is to size each element and the whole bed respectively. The strategy has been  already  discussed,  but  there  is  some  more  to  consider  and  it  is  about  the  steep  increase  of  reaction rate by temperature rise. This fact then results in a very small volume for each element  and so almost 50% conversion happens just in the first 1cm of the bed! 

In table 3, there are calculation results of the 11 elements which reaction happens in them. 

It  is  clear  enough  that  the  volume  of  each  element  is  decreasing  sharply  and  also  the  rate  of  reaction is increasing in big steps even though the conversion is the fixed value of 4.5% in each  element. 

The graphical view of results in table 4 and 5 are given in following graphs. In figure 2,  there  are  changes  of  yield  and  equilibrium  conversion  changes  through  the  bed.  It  is  clearly  shown  that  in  conversion  around  50%  the  equilibrium  and  yield  curve  intercept  one  another. 

This  means  that  the  reaction  gets  to  equilibrium  at  this  point  and  so  it  cannot  go  further  and  increase the conversion of the reactants. 

 

No. of 

elements  Tgas K  Yield  H(kW)  CO2 

(mol/lit.hr)  L (mm) 

550  0.045  0.222  43.09  7.30 

586.4  0.09  0.237  100.72  3.12 

621.6  0.135  0.251  204.86  1.53 

658.3  0.18  0.265  389.40  0.81 

696  0.225  0.281  687.52  0.46 

731.5  0.27  0.295  1077.38  0.29 

767.1  0.315  0.310  1561.98  0.20 

803.6  0.36  0.325  2095.01  0.15 

838.6  0.405  0.340  2480.90  0.13 

10  873.2  0.45  0.353  2497.60  0.126 

11  907.4  0.495  0.368  1764.25  0.18 

12  941.3  0.54  0.382  ‐266.58  ‐1.18 

 

Table 3. Temperature changes along the bed and reactor sizing in the adiabatic case 

(16)

14.30, 0.47

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 5 10 15 20

Conversion

Length of the bed(mm)

yield equilibrium conversion In figure 3 then, there are the changes in temperature through bed. The sudden increase  in temperature in the very beginning of the reactor is something which is obvious in this figure.  

 

Fig 2. Conversion versus length of the bed in the adiabatic case 

There  is  another  point  in  figure  3  which  shows  the  point  which  the  curve  is  somehow  turning  back  to  the  left.  This  is  just  to  show  that  the  reaction  gets  to  equilibrium  and  stops  progressing further more. 

In  adiabatic  case  the  temperature  increase  occurs  which  has  negative  impact  on  the  efficiency  and  catalyst  activity,  therefore  engineers  thought  of  some  solutions;  an  Inter  stage  cooling system which is processing after each two or three elements.  

(17)

907.45

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16

temperature (K)

length of the bed (mm)

adiabatic case

 

Fig 2. Temperature versus length of the bed in the adiabatic case   

   

Fig 3. Reactor staging with interstage cooling (Fogler 2006) 

Regarding  figure  3  which  is  a  schematic  view  of  the  “interstage  cooling”,  the  influent  gets heated through the exothermic reaction. This flow then is needed to be cooled down in a  separate  heat  exchanger  to  keep  the  reaction  progressing  in  the  next  adiabatic  section.  This  cooling continues till getting to the specific needed conversion. 

           

 

Fig 4. Increasing conversion by interstage cooling (Fogler 2006) 

(18)

As  it  is  shown  in  figure  4,  the  interstage  cooling  increases  the  conversion  in  a  certain  temperature range by preventing the reaction to get to equilibrium conversion. 

In the current study the reaction is  highly exothermic, so in the adiabatic case  without  any interstage cooling the reaction gets to equilibrium conversion somewhere in the middle of  the reactor which stops reaction to move forward more. This phenomenon could be controlled  then by applying a strategy of intercooling. 

 

Fig 5. Increasing conversion by interstage cooling 

Referred to Lunde and Kester work which was published on 1974 and also their separate  efforts on this, there is a suitable temperature range for carbon dioxide methanation from 400‐

700°F (200‐371 °C or 473‐644 K). Sticking to this temperature range should be always considered  for temperature controlling. (Lunde, Peter J.,Kester, Frank L 1973) (Kester 1974) 

In  figure  5  the  interstage  cooling  mechanism  is  shown  by  black  arrows  and  dashes  which could be interpreted as using 5 heat exchangers in the reactor. In other words it is needed  to  divide  the  reactor  in  6  reactions  which  are  working  in  series  and  the  reactant  flow  passes  through the heat exchangers during the reaction period.  

Based  on  figure  5,  6  reactors  are  needed  for  this  type  of  operating  the  reaction.  The  sizing parameters of these reactors are the same as before. The inner diameter of all of them is  35 mm, but their lengths are varying which is given in table 4. 

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

550 650 750 850 950 1050

Conversion

Temperature, K

equilibrium  conversion yield

(19)

Reactors  Bed length (mm)  Reactor 1  12.00 

Reactor 2  13.15  Reactor 3  18.45  Reactor 4  24.43  Reactor 5  43.62  Reactor 6  85.22 

Total  196.87 

 

Table 4. adiabatic reactors in series sizing 

Based  on  this  calculation,  the  total  amount  of  catalyst  need  and  volume  of  reactors  is  0.189  ×  10‐3  m3  (189  mlit).  This  value  then  could  be  compared  with  other  methods  in  order  to  find  the  best  method  to  run  the  reaction  which  is  both  technically  efficient  and  economically  beneficial.  

As already mentioned, there is another way for Sabatier reaction to exist. In this report it  is called as the “real case” and would be explained in next section. 

   

(20)

1.3 Results of Real case 

1.3.1 Theoretical formulation 

 

Next strategy for simulating the reactor is to consider a cooling system around it. In this  way of thinking, the heat which is produced through reaction could be released and so keep the  temperature on a suitable level. 

The energy balance for one element considering both exothermic reaction and a coolant  flow around the reactor wall is as follows: 

                (9) 

This  is  almost  the  same  as  equation  (8),  but  with  an  additional  parameter  which  is  a  symbol for the amount of heat that is released to coolant. Qreleased should be calculated based on  heat transfer through reactor wall and coolant media.  

             

 

Fig 6. Schematic heat transfer from catalyst surface to coolant media 

Generally  talking,  there  are  three  main  heat  transfer  mechanism  in  this  reactor: 

convection,  radiation  and  conduction.  Based  on  fig  6  the  produced  heat  in  the  reaction  is  transferred to the coolant media in different steps. First, the reaction heat from catalyst surface  is  transferred  to  the  reactor  wall  by  conduction,  convection  and  radiation.  The  next  step  is  convection  from  the  wall  outer  surface  to  the  coolant  media (Lunde  1974). The  heat  transfer  to  ambient for the coolant media is not regarded, in this analysis.  

The  heat  transfer  coefficient  between  wall  and  external  coolant  is  chosen  as  164.5  W/m2.K  according  to  the  article  by  Lunde  (1974),  so  the  heat  transfer  resistance  within  the  catalyst side is dominating. External cooling temperature in all trials in this case is 500 K. 

       

       Reactant          Gas bulk         

 

Catalyst surface Reactor wall 

 

Coolant media 

Convection,  conduction, 

radiation

Conduction Convection

(21)

Regarding  the  existence  of  a  cooling  system,  the  released  heat  should  be  calculated  through some correlations directly. It could be assumed that heat transfer mechanism which is  more  dominant  in  this  case  is  the  convection  from  the  gas  to  the  wall  because  it  could  be  assumed that there is a same temperature in all parts of the wall and also the fixed temperature  in all cooling media. These assumptions then can result in following equation for Qreleased 

, ,              (10) 

In this equation, the heat transfer coefficient hwall is considered as a known value and the  reference for it is the article about Sabatie reactor modeling and simulation by Lunde (1974). In  this article the value for hw is 14 Btu/hr.ft2.◦F which is equivalent to 79.5 W/m2.K. The parameter  A  then  is  heat  transfer  area  which  is  the  area  of  the  element  wall  exposed  to  the  coolant  and  could be calculated as follows: 

                      (11) 

On  the  other  hand  it  is  important  to  have  some  idea  about  the  cooling  mechanism  as  well. The heat exchanging process around the reactor wall could be either co‐current or counter‐

current.  The  difference  between  these  two  categories  could  be  seen  qualitatively  in  different  literatures and references. For example there are some typical graphs in “Elements of chemical  reaction engineering” by Fogler which is about heat effects in PFR/PBR s.  

               

 

(a)       (b) 

Fig 7. Schematic graphs for exothermic reactions with cooling system (a).The  exothermic reaction with counter‐current cooling,(b) The exothermic co‐current  exchanger (Fogler 2006) 

(22)

1.3.2 Analytical calculations and results 

 

Considering  all  formulations  in  section  1.3.1,  there  should  be  some  analysis  prior  to  simulation.  Actually  size  of  each  element  is  one  of  the  important  parameters  since  it  directly  affects  the  amount  of  heat  release  through  reactor  wall.  Therefore,  element  length  has  key  influence on the gases temperature flowing through the bed. 

If the reactor should not be overheated, it is needed to have enough heat transfer area to  let the heat be released. To provide cooling surface, using some inert packings such as catalyst  support  material  are  definitely  needed.  Therefore  in  each  element  the  inert  packings  can  be  added to catalyst packings and to increase the length of element for achieving sufficient cooling. 

In this analysis, there are two different lengths, active length and physical length. The  active  length  is  just  referred  to  the  catalyst  amount,  but  physical  length  is  the  total  size  of  element which is the combination of both active catalysts and inert packings. In figure 8, there is  the schematic picture of what is thought to be done. 

To explain the strategy it could be started with describing figure 8 in detail. The process  starts  at  the  top  of  reactor  with  the  first  element.  The  active  length  of  this  element  has  the  smallest  one  among  the  other  elements  if  the  temperature  needed  to  be  controlled  in  a  fixed  value.  In  the  top  elements  which  the  conversion  is  around  50%,  the  cooling  process  is  rate  determining and the more cooling happens the better rate controlling could be done. Therefore  in order to eliminate temperature increase it is needed to increase heat transfer area. This is the  reason for two different sizing (Active and physical lengths) for top elements of the reactor  

On the other hand, the more reactants go further down in reactor the less would be the  impact  of  cooling  for  rate  determining  and  instead  the  reaction  itself  would  be  the  rate  determining parameter. In this strategy for the last two elements in which the reactants have the  least  concentration,  full  active  size  is  considered.  In  other  words,  these  final  elements  do  not  have any inert packings and are filled only by active catalysts.  

According  to  what  has  been  mentioned  above,  the  most  important  part  of  the  reactor  design is the last two elements. They have the major load of catalyst in them and so in order to  optimize technically and economically it is needed to optimize the amount of catalysts needed  for the whole process. 

If the reactor operates in high temperature, then the rate of the reaction increases and the  active  length  would  be  reduced  so  the  higher  temperature  gets  the  less  amount  of  catalyst  would be needed.  

 

(23)

                     

Fig 8. Schematic picture of the strategy in simulating real case 

On  the  other  hand,  it  is  important  to  consider  the  negative  impacts  of  very  high  temperature.  First  of  all  the  reaction  cannot  go  forward  in  high  temperatures  and  the  equilibrium  occurs  earlier  than  the  expected  conversion.  In  equilibrium  conditions,  as  already  discussed, there are reactions at both directions and it could be interpreted as “reaction stops”. 

The other side effect is sintering and deactivation of catalysts. Sintering happens in the case that  catalyst has too long exposure to high temperature and the support gets soft and flows, so the  active  pores  of  catalyst  get  narrow  and  close  inside  catalyst  pellet (Fogler  2006).  At  high  temperatures  the  catalysts  are  needed  to  be  regenerated  or  renewed  earlier  and  this  is  a  fact  which should be thought of in designing the reaction conditions. 

Regarding  stated  parameters,  there  should  be  an  operating  range  for  the  reaction  temperature in which there is definitely one point which could cover all aspects of concern. In  order to determine this specific point, calculations should be done for the whole bed, but before  that the operating range should be derived by focusing on last two elements. The procedure is  based  on  trial  and  error  method.  Sizing  of  the  last  element  would  be  done  in  different  temperatures and X‐Y coordinance of temperature‐size curve would be saved then. The initial  temperature in this trial is 550 K in the case that coolant has the fixed temperature of 500 K in all  the tests. The results are shown in table 6 and figure 8 respectively. 

1stelement physical length  1st element active size 

T °K 

2ndelement physical length  2nd element active size 

T °K 

3rdelement physical length  3rd element active size 

T °K 

20thelement physical length  20th element active size 

T °K  T °K

(24)

 

Initial  temperature 

(K) 

Last element  temperature (K) 

Last element  size (mm) 

550  537  104.57 

560  550.85  76.61 

600  606  27.72 

650  664.5  23.74 

656  670.86  27.97 

662  677.11  37.32 

670  685.15  95.94 

675  690.06  ‐354.88 

700  709  ‐11.2 

 

Table 5. Different trials to find operating temperature range for the last element 

  Fig 9. Changes on last element length by operating temperature 

According  to  table  5  and  figure  9,  the  temperature  increase  would  result  in  length  decrease. This temperature rise change its’ effect more than an amount and also from a level on  there is no more reaction happening. This fact could be viewed in the negative values appeared  in “last element size” column in table 6 and points on the right side of the red line in figure 9. 

Regarding these results, the smallest size for the last element would be resulted in 650K  as the initial temperature which has a bit of increase before the last element and gets to 664.5 K. 

The question is then if 650K is the optimum temperature for running the reactor in? In order to  find a proper answer for this one, it is needed to consider some other facts as well. In following 

(25)

pages  there  are  simulation  results  of  3  different  applicable  temperatures  which  then  could  be  analyzed to find the optimum temperature. 

1.3.2.1 Trial at 550 Kelvin as initial temperature 

 

The first  trial would  be  done  in 550 K. Table 6 is the result of simulation  in this  initial  temperature.  The  reactor  was  tried  to  be  isothermal,  but  the  last  two  elements  which  are  operating in 100% catalyst bed show a bit of temperature changing. 

No. of 

elements  Yield  Tgas K  L (mm)  Active size 

L (mm)  Inert packing 

size 

L (mm)  Physical size 

0.045  550  7.3  30.93  38.23 

0.09  550  7.6  30.63  38.23 

0.135  550  7.9  30.30  38.23 

0.18  550  8.3  29.94  38.23 

0.225  550  8.7  29.53  38.23 

0.27  550  9.16  29.06  38.23 

0.315  550  9.7  28.53  38.23 

0.36  550  10.3  27.93  38.23 

0.405  550  11.00  27.22  38.23 

10  0.45  550  11.84  26.4  38.23 

11  0.495  550  12.83  25.4  38.23 

12  0.54  550  14.04  24.2  38.23 

13  0.585  550  15.53  22.7  38.23 

14  0.63  550  17.43  20.8  38.23 

15  0.675  550  19.91  18.32  38.23 

16  0.72  550  23.3  14.94  38.23 

17  0.765  550  28.15  10.07  38.23 

18  0.81  550  35.72  2.50  38.23 

19  0.855  537.80  49.02  49.02 

20  0.9  491.37  100.51  100.51 

Total  408.25  429.4  837.64 

 

Table 6. Simulation results in 550 K initial temperature and coolant at 500 K 

In this case the whole reactor  would be almost 850 mm in  length which is occupied to  the  half  by  active  catalyst,  so  the  active  size  of  the  bed  is  412  mm.  Referred  to  the  mentioned  temperature  range  for  this  reaction,  the  gradient  is  fairly  acceptable  in  this  trial.  The  highest  level it gets is just 550 K when the lowest point is 491 K which both are good temperatures for  the process to occur. 

 

(26)

1.3.2.2 Trial at 600 Kelvin as initial temperature 

 

In this section simulation is done result considering the 600 K as the initial temperature  and the one which is tried to be fixed through the whole bed during reaction time. 

No. of 

elements  Yield  Tgas K  L (mm)  Active size 

L (mm)  Inert packing 

size 

L (mm)  Physical size 

0.045  600  2.21  17.01  19.23 

0.09  600  2.30  16.92  19.23 

0.135  600  2.41  16.82  19.23 

0.18  600  2.52  16.70  19.23 

0.225  600  2.65  16.57  19.23 

0.27  600  2.80 16.43 19.23 

0.315  600  2.96  16.26  19.23 

0.36  600  3.16  16.07  19.23 

0.405  600  3.38  15.84  19.23 

10  0.45  600  3.65  15.582  19.23 

11  0.495  600  3.97  15.26  19.23 

12  0.54  600  4.36 14.87 19.23 

13  0.585  600  4.84  14.38  19.23 

14  0.63  600  5.47  13.76  19.23 

15  0.675  600  6.29  12.93  19.23 

16  0.72  600  7.44  11.78  19.23 

17  0.765  600  9.13  10.09  19.23 

18  0.81  600  11.87  7.35  19.23 

19  0.855  606  17.04  17.04 

20  0.9  584.0626  27.78  27.72 

Total  126.20 264.66 390.87 

 

Table 7. Simulation results in 600 K initial temperature and coolant at 500 K 

Regarding  table  7,  the  active  and  physical  lengths  were  reduced  by  increasing  temperature. Also there is a little temperature increase in 19th element which was controlled in  the  last  one.  Nevertheless  600  Kelvin  is  likely  shortening  than  previous  trial  for  catalyst  life  time;  therefore  this  trial  would  be  kept  to  be  compared  in  all  aspects  with  other  trials  in  the  conclusion. 

1.3.2.2 Trial at 650 Kelvin as initial temperature 

 

This  test  is  done  in  650  Kelvin  which  is  tried  to  be  fixed  along  the  bed.  According  to  table 6, this temperature gives the smallest size for the last element and so it is worth enough to  be  checked  for  the  whole  reactor  once.  The  numbers  in  table  8  are  results  of  this  analysis  on 

(27)

reactor  at  this  certain  temperature.  All  sizes  reduced  so  much,  but  on  the  other  hand  the  temperature increase is more severe than other tests. 

No. of 

elements  Yield  Tgas K  L (mm)  Active size 

L (mm)  Inert packing 

size 

L (mm)  Physical size 

0.045  650  0.81  12.45  13.27 

0.09  650  0.85  12.47  13.27 

0.135  650  0.89 12.37 13.27 

0.18  650  0.93  12.33  13.27 

0.225  650  0.97  12.28  13.27 

0.27  650  1.04 12.22 13.27 

0.315  650  1.11  12.16  13.27 

0.36  650  1.18  12.08  13.27 

0.405  650  1.27  11.99  13.27 

10  0.45  650  1.38  11.88  13.27 

11  0.495  650  1.51  11.75  13.27 

12  0.54  650  1.67 11.60 13.27 

13  0.585  650  1.87  11.39  13.27 

14  0.63  650  2.13  11.13  13.27 

15  0.675  650  2.49  10.77  13.27 

16  0.72  650  3.01  10.26  13.27 

17  0.765  650  3.81  9.45  13.27 

18  0.81  650  5.22  8.05  13.27 

19  0.855  664.4514  8.32  8.32 

20  0.9  623.6476  23.80  23.75 

Total  64.27  206.61  270.89 

 

Table 8. Simulation results in 650 K initial temperature and coolant in 500 K   

   

(28)

1.4Comparison of adiabatic case with isothermal case 

 

Regarding all the challenges about the adiabatic and isothermal cases, each of them has  some  cons  and  pros.  Adiabatic  method  is  technically  possible,  but  there  are  some  economical  and operational concerns which make it a bit difficult.  

i. Maintenance  cost:  Using  small  heat  exchangers  instead  of  one  big  cooling  system  around  the  whole  reactor  increases  the  risk  of  operation  and  maintenance.  They  have their piping systems  each  which  add up to controlling  systems  of  the  process  on  the  plant  and  make  the  whole  package  more  complicated than isothermal case.  

 

ii. Occupied space: The other point is about size of the whole “reaction package”. 

The adiabatic case consists of five heat exchangers and six small reactors which  surely  occupy  more  space  than  one  big  reactor  with  one  heat  exchanger.  This  makes the method critical in the situation with “limited space” issue. 

 

iii. Energy cost: Running five  small heat  exchangers needs  more  energy  than a  big  one. This is categorized in economical concerns about adiabatic method. 

 

iv. Operation  cost: The  adiabatic  case  consumes  more  catalyst  in  comparison  with  almost all of the runs in isothermal case. This is considered surely in economical  concerns.  Also  in  the  adiabatic  method  each  reactor  works  in  high  temperature  which can reduce the lifetime of catalyst after some hours of operating, when in  isothermal case the temperature control in a fairly low temperature keeps the life  time span of catalyst in a better condition. This parameter leads to more catalyst  regenerating  or  changing  during  the  life  time  of  the  reactor  which  has  its  own  cost effects as well. 

On the other hand adiabatic case has some advantages compared to the isothermal case. 

For  example, the reaction could go on even if one or more reactors do not work.  Of course in  this situation the final conversion is not satisfying, but anyhow the reaction does not shutdown  completely.  This  is  the  same  with  heat  exchangers.  They  could  cover  one  another  role  in  the  system if there would be a fault in any of them, since in isothermal case there is just one heat  exchanger. 

In  order  to  increase  the  possibility  of  using  adiabatic  method,  there  is  a  modification  which could be done. This system is designed more to reduce the number of reactors and heat  exchangers in series, therefore it consists of a big reactor instead of first 5 ones, and one small 

(29)

reactor  as  the  last  one.  The  amount  of  conversion  in  this  system  is  the  same  as  conventional  adiabatic  and  also  the  temperature  limit  for  catalyst  activity  is  considered  similar  to  the  adiabatic method. 

The  mechanism  in  modified  adiabatic  system,  as  in  figure  9,  is  that  some  part  of  the  cooled  product  stream  would  be  recycled  to  the  entrance  of  the  reactor.  This  would  help  converting of influent before entering to the reactor to some extent. 

 

Fig 10. Modified adiabatic method 

The  flows  in  fig.  10  are  marked  with  letters.  The  amount  and  concentration  of  each line is shown in table 9.  

Total flowrate  (mmol/min) 

CO2  (mmol/min) 

H2  (mmol/min)

CH4  (mmol/min)

H2(mmol/min) 

Tgas (K) 

min = 757  116.45  465.8  174.7  0  550 

mʺ= 4167  252.85  1011.40  1777.40  1125.30  550 

mʹ= 3410  136.40  545.6  1602.7  1125.30  550 

m= 3978  159.13  636.53  1869.81  1312.84  653.23 

mout = 568  22.73  90.93  267.11  187.54  550 

 

Table 9. Modified adiabatic reaction design parameters 

The stream mout, then would be processed in the second reactor to get the conversion of  90%.  The  first  reactor,  which  is  a  substitute  for  5  first  reactors,  has  the  bigger  size  while  the  second one is exactly similar to reactor 6 in conventional adiabatic method. The sizing result is  shown in table 10 as follows. 

Recycled stream 

Cooled product stream  Influent 

Reactor 

m

m'  m" 

min 

mout 

(30)

       

Table 10. Modified adiabatic reactor sizing 

Although reactor size through this method shows an increase in the amount of catalyst  use  about  3.5  times  more  than  conventional  adiabatic,  reducing  the  risk  of  operation  and  maintenance and number of heat exchangers needed for reaction would balance the advantages  and disadvantages. Also the life time of catalysts in this method could be longer than adiabatic  method, because in that case the temperature for all reactors is ranging from 550‐650 K and this  is  repeated  6 times  while in  current method  temperature increase  happens  2 times  and  so  the  catalysts  are  less  under  the  risk  of  sintering  and  deactivation.  Also  the  system  simplicity  of  modified method in comparison with conventional adiabatic is the other important parameter. 

This would help in constructing and running the unit easier. 

   

  Lbed 

(mm)  First reactor  609.46  Second reactor  85.22 

total  694.70 

References

Related documents

Stöden omfattar statliga lån och kreditgarantier; anstånd med skatter och avgifter; tillfälligt sänkta arbetsgivaravgifter under pandemins första fas; ökat statligt ansvar

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

Data från Tyskland visar att krav på samverkan leder till ökad patentering, men studien finner inte stöd för att finansiella stöd utan krav på samverkan ökar patentering

Generally, a transition from primary raw materials to recycled materials, along with a change to renewable energy, are the most important actions to reduce greenhouse gas emissions

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

Närmare 90 procent av de statliga medlen (intäkter och utgifter) för näringslivets klimatomställning går till generella styrmedel, det vill säga styrmedel som påverkar