Zastosowanie reaktora membranowego w procesie wytwarzania gazu syntezowego – wyniki badań

Otrzymywanie gazu syntezowego jest jednym z najważniejszych procesów przemysłu chemicznego, ponieważ wodór i tlenek węgla stanowią podstawę wielu syntez chemicznych. Zagadnienia związane z otrzymywaniem gazów o dużej zawartości wodoru nabierają również dużego znaczenia w aspekcie ich zastosowania w turbinach gazowych czy też ogniwach paliwowych dla potrzeb sektora energetycznego. Szczególne zainteresowanie tego sektora gazami wodoronośnymi wynika z konieczności obniżenia emisji CO2, co powinien zapewnić w przyszłości rozwój tzw. energetyki wodorowej. W artykule przedstawiono wyniki badań procesu otrzymywania gazu syntezowego w reaktorze membranowym na drodze autotermicznego reformingu metanu (ATR). Dla określenia wpływu zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego reaktora na jakość otrzymywanego gazu syntezowego, wykonano również badania ATR przy zastosowaniu klasycznego reaktora przepływowego. W badaniach procesu autotermicznego reformingu metanu zastosowano zmienne udziały molowe tlenu i pary wodnej na wejściu do reaktora, które wynosiły odpowiednio O2/CH4 = 0,1; 0,2; 0,3 oraz H2O/CH4 = 0,5; 1,5; 2,0. Otrzymane wyniki badań wskazują na możliwość otrzymywania w reaktorze membranowym gazu syntezowego o wyższej zawartości składników pożądanych, tzn. H2 i CO w porównaniu do gazu otrzymywanego w tych samych warunkach procesowych w klasycznym reaktorze rurowym. Uzyskane stopnie konwersji metanu w przypadku zastosowania reaktora membranowego były niższe niż uzyskiwane w reaktorze rurowym, przy tych samych parametrach wejściowych do obu reaktorów. Najwyższe stopnie konwersji uzyskano dla udziałów O2/CH4 = 0,3 i H2O/CH4 = 2 i wynosiły one odpowiednio 89,9% dla klasycznego reaktora rurowego i 76% dla reaktora membranowego.

Synthesis gas produced from natural gas or coal is an important intermediate in the production of a range of chemicals. Commercially available today for synthesis gas production are steam reforming, autothermal reforming and partial oxidation of methane and coal gasification. In this paper, a membrane reactor study on the CH4 autothermal reforming is presented. Major application areas of membrane reactor can be classified into two types; i.e. yield enhancement and selectivity enhancement. Membrane reactors are mainly applied to reactions suffering from equilibrium conversions such as dehydrogenation reactions, decomposition and production of synthesis gas or in series-parallel reactions such as partial oxidation, partial hydrogenation, oxidative coupling and oxidative dehydrogenation by controlled addition of a reactant through a membrane [1, 10]. The results for the membrane reactor were compared to those for the tubular reactor to evaluate the effect of membrane application as oxygen distributor to the reaction zone on improvement in yields of the products. The experimental conversions of CH4 in the tubular and the membrane reactor were obtained as a function of various feed O2/CH4 and H2O/CH4 ratio. Results indicate that CH4 conversion increases with increasing O2:CH4 or/and H2O:CH4 ratio, but CH4 conversions reached in the tubular reactor was higher than the conversion obtained in the membrane reactor in all cases. The highest conversion achieved in tubular reactor was 89,9 % and 76% in membrane reactor for conditions: O2/CH4 = 0,3 and H2O/CH4 = 2. It was found that H2 and CO yield were considerably enhanced in the membrane reactor.