STUDY OF A CATALYTIC PLATE REACTOR DESIGNED WITH DISTRIBUTED COATINGS OF REFORMING AND COMBUSTION CATALYSTS FOR HYDROGEN PRODUCTION BY COMBUSTION ASSISTED METHANE STEAM REFORMING

Abstract

Syngas plays an important role in various catalytic processes such as Fisher-Tropsch synthesis, methanol synthesis and hydroformylation. Hydrogen from syngas is widely used in the production of ammonia, in petroleum industry and as a clean energy carrier in fuel cells. Increase in energy consumption due to population growth and the pressure of decarbonizing the earth's atmosphere demands the deployment of more clean energy technologies such as fuel cell. It is expected that fuel cell will play a key role in combating against global pollution while a transition from carbon economy to low-carbon economy takes place. Thus, the demand for hydrogen, the most important fuel for fuel cells and now emerging as a universal energy carrier, will also continue to rise. To produce hydrogen via reforming, methane is the desired fuel of choice due to its lowest carbon content and low cost. Due to the missing hydrogen infrastructure, on-board hydrogen production via methane steam reforming (MSR) in an efficient reformer is one of the most cost-effective solutions to increase the use of fuel cells. MSR is highly endothermic process, thus, requires an efficient way of supplying heat. This can be achieved by spatial segregation of MSR and heat exchanging medium (e.g. exothermic methane combustion (MC)) in a catalytic plate reactor (CPR). In a CPR design, MSR and the exothermic MC are carried out in alternating parallel channels. However, the use of highly exothermic MC creates large thermal gradients and hot-spot due to the imbalance of heat liberating at faster rate in MC and absorbing at relatively slower rate in MSR. Such imbalance of heat causes problems of catalysts delamination, material failure, reduction in catalytic surface area and low conversions in a conventional CPR where reforming and combustion catalysts are coated continuously. With the aim of making CPR design free from large thermal gradients and hotspot, this study proposes a novel concept of distributed coating design for both reforming and combustion catalysts. Detailed multiphysics 2-D steady-state numerical models of a CPR are developed to investigate the performance of distributed coatings of reforming and combustion catalysts compared to the conventional continuous coatings. It is found that the proposed distributed coating design not only improves the production of hydrogen but also reduces hotspot and thermal gradients significantly compared to the continuous coatings. As a result, it is concluded that the proposed distributed coatings of reforming and combustion catalysts can resolve the problems of catalysts delamination, material failure, reduction in catalytic surface area and low conversions. The thesis also determined that the distributed coatings improve the utilization of both reforming and combustion catalysts by saving the quantity of combustion-catalyst up to 74% and reforming-catalyst up to 28%. To make the MSR more energy efficient, this study also conducted an experimental investigation of MSR over nickel-spinel catalyst at low SC ratios in a packed bed reactor. To fit the experimental data, sensitive parameters of a surface microkinetic model of MSR over Ni catalyst are optimized. It is found that the microkinetic model predicts the experimental data quite well after optimizing only 12 out of 78 kinetic parameters.

Le gaz de synthèse joue un rôle important dans divers processus catalytiques tels que la synthèse de Fischer-Tropsch, la synthèse du méthanol et l'hydroformylation. L'hydrogène issu du gaz de synthèse est largement utilisé dans la production d'ammoniac, dans l'industrie pétrolière et comme vecteur d'énergie propre dans les piles à combustible. L'augmentation de la consommation d'énergie due à la croissance démographique et à la pression de la décarbonisation de l'atmosphère terrestre exige le déploiement de technologies plus propres telles que les piles à combustible. On s'attend à ce que la pile à combustible joue un rôle clé dans la lutte contre la pollution mondiale alors qu'une transition de l'économie de carbone vers une économie sobre en carbone a lieu. Ainsi, la demande l'hydrogène, le carburant le plus important pour les piles à combustible et qui émerge aujourd'hui en tant que vecteur énergétique universel, continuera également d'augmenter. Pour produire de l'hydrogène en le reformant, le méthane est le combustible de choix en raison de sa teneur en carbone la plus faible et de son faible coût. En raison de l'infrastructure d'hydrogène manquante, la production d'hydrogène embarquée par reformage à la vapeur de méthane (MSR) dans un reformeur efficace est l'une des solutions les plus rentables pour augmenter l'utilisation des piles à combustible. MSR est un processus hautement endothermique, donc, nécessite un moyen efficace de fournir de la chaleur. Ceci peut être réalisé par une ségrégation spatiale de MSR et de milieu d'échange de chaleur (par exemple, combustion de méthane exothermique (MC)) dans un réacteur à plaques catalytiques (CPR). Dans une conception de CPR, MSR et le MC exothermique sont effectués dans des canaux parallèles alternatifs. Cependant, l'utilisation de MC hautement exothermique crée de grands gradients thermiques et un point chaud en raison du déséquilibre de la chaleur libérée à un rythme plus rapide dans le MC et absorbant à un rythme relativement plus lent dans le MSR. Un tel déséquilibre de chaleur cause des problèmes de délaminage des catalyseurs, de rupture de matériau, de réduction de la surface catalytique et de faibles conversions dans un CPR classique où les catalyseurs de reformage et de combustion sont revêtus en continu. Dans le but de rendre la conception de CPR exempte de grands gradients thermiques et de hotspot, cette étude propose un nouveau concept de conception de revêtement distribué pour les catalyseurs de reformage et de combustion. Des modèles numériques multi-physiques détaillés à l'état d'équilibre 2D d'un CPR sont développés pour étudier la performance de revêtements distribués de catalyseurs de reformage et de combustion par rapport aux revêtements continus conventionnels. On trouve que la conception de revêtement distribué proposée améliore non seulement la production d'hydrogène, mais réduit également les gradients thermiques et les points chauds de façon significative par rapport aux revêtements continus. En conséquence, il est conclu que les revêtements distribués proposés des catalyseurs de reformage et de combustion peuvent résoudre les problèmes de délaminage des catalyseurs, v de défaillance des matériaux, de réduction de la surface catalytique et de faibles conversions. La thèse a également déterminé que les revêtements distribués améliorent l'utilisation des catalyseurs de reformage et de combustion en économisant jusqu'à 74% de catalyseur de combustion et 28% de catalyseur de reformage. Pour rendre le MSR plus économe en énergie, cette étude a également mené une étude expérimentale de MSR sur un catalyseur nickelspinelle à des rapports SC bas dans un réacteur à lit fixe. Pour ajuster les données expérimentales, les paramètres sensibles d'un modèle microkinésique de surface du catalyseur MSR sur Ni sont optimises. On trouve que le modèle microkinétique prédit assez bien les données expérimentales après l'optimisation de seulement 12 des 78 paramètres cinétiques.