A detailed multi-step reaction mechanism is developed for modeling steam reforming of methane over nickel-based catalysts. The mechanism also includes partial and total oxidation reactions, water-gas shift reactions, formation of carbon monolayers, and methanation reactions. A method is presented for ensuring thermodynamic consistency in the development of surface reaction mechanisms. The applicability of the mechanism is tested by simulating experimental investigations of SR of methane on a Ni-coated monolithic cordierite catalyst as well as experimental studies from literature. The reactive flow in the channels of the experimentally used monolithic structures is modeled by a two-dimensional flow field analysis of a single monolith channel coupled with the reaction mechanism developed. The gas composition and surface coverage with adsorbed species are calculated as function of the position in the channel. The model developed is able to properly describe steam reforming of methane over the nickel catalysts for wide ranges of temperature and steam/ methane ratio.
Ein detaillierter, auf dem elementaren Geschehen basierender Reaktionsme-chanismus für die Wasserdampfrefor-mierung von Erdgas wird aufgestellt. Da es sich um ein Stoffgemisch handelt, müssen die Reaktionsmechanismen der Einzelkomponenten berücksichtigt wer-den. Das Reaktionsverhalten mit und ohne Katalysator sowie die Faktoren, die zu Verkokung führen und der Einfluss von Verkokung sollen aufgeklärt wer-den. In den experimentellen Aufbau ist die Umschaltmöglichkeit zwischen einer großen Mischkammer, die auch als Ver-dampfer dient, und einer kleinen Misch-kammer integriert. Dies ermöglicht, so-wohl Reformierungsprozesse als auch Verkokungsexperimente durchführen zu können. Die Alkane Methan, Ethan, Propan und Butan sowie Erdgas werden zusammen mit Wasserdampf und in 75 %iger Verdünnung mit Argon mit einer Volumengeschwindigkeit von 40 000 h-1 in den Reaktor geleitet. Der Temperaturbereich bis 850 °C für kataly-tische bzw. 1000 °C für homogene Reak-tionen und Kohlenstoff-zu-Wasser-dampfverhältnisse von 2,5 bis 4 sind untersucht worden. Langzeitversuche unter Verwendung niedriger S/Cs zeigen eine deutliche Deaktivierung durch Verkokung z. B. bei Wasserdampfreformierung von Pro-pan mit einem S/C von 1 (s. Abb.). Um die Herstellungszeit definierter Verkokungsgrade zu verkürzen, wird Propan mit niedrigem Volumenstrom für 30 min bei verschiedenen Tempera-turen durch den Katalysator geleitet. Der abgelagerte Kohlenstoff wird im Sauerstoffstrom abgebrannt und als CO 2 mit einem Quadrupolmassenspek-trometer zeitaufgelöst gemessen. Als numerisches Simulationswerk-zeug für reaktive Strömungen steht das Programmpaket DETCHEM zur Ver-fügung. Die Simulationen wurden über-wiegend mit dem zwei-dimensionalen DETCHEM CHANNEL durchgeführt. Der anhand der Messungen an den einzelnen Alkanen entwickelte Reakti-onsmechanismus für Reaktionen auf der katalytischen Oberfläche ist in der Lage, alle Messergebnisse, auch die des Erdgases, wiederzugeben. Kombiniert werden kann dieser zuverlässig mit dem von Quinceno et al. veröffentlichten Mechanismus für Reaktionen in der Gasphase. Abbildung. Abnahme des Propanumsatzes durch Deaktivierung.
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