Autothermal reformer design and modelling
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2011
Department
Major/Subject
Kemian laitetekniikka
Mcode
Kem-42
Degree programme
Language
en
Pages
xiii + 112 + [1]
Series
Abstract
The objective of this Master's thesis was to design a gas distribution system for an oxygen-blown auto thermal reformer (ATR). The performance of an ATR depends significantly on the mixing of the gases, and therefore, a careful burner and combustion chamber design is a necessity for a well-functioning ATR. The literature part reviewed the production of synthesis gas, the different reforming technologies and the designs of an ATR reactor and different burner alternatives. It also discussed the use of computational fluid dynamics (CFD) in ATR and combustion modelling. In the applied part, different factors affecting the gas and temperature distribution in the ATR combustion chamber were studied with CFD using Fluent 13.0 and Gambit 2.4 simulation programs. The aim was to design a burner and combustion chamber configuration which provides homogeneous gas distribution to the entrance of the catalyst bed and enables sufficient reactor lifetime. The effects of swirl, gas inlet velocities, and chamber geometry and burner nozzle shape were investigated. A coaxial single injector burner with an oxidiser inlet in the middle was chosen for the simulation cases. The turbulent fluctuations were modelled with Standard k-epsilon model and the combustion reactions with Eddy Dissipation Model. The simulations were carried out mostly in 2-dimension to reduce calculation times. It was emphasised in literature that for sufficient ATR reactor lifetime, the flame should be aligned to the middle of the chamber, at a distance from the chamber walls, catalyst bed and burner nozzle. It was concluded that in order to achieve this, the gases should circulate downwards along the axis of the chamber and upwards along the chamber walls (outwards directed external recirculation). The simulations showed that feeding the gases with high velocity along the chamber axis and providing space near the chamber walls promoted this outwards directed gas recirculation. Swirl in the outer stream (hydrocarbon stream) disturbed outwards directed external recirculation, and therefore should not be applied. It was also concluded that high hydrocarbon inlet velocities and directing the hydrocarbon stream towards the oxidiser jet increased combustion intensity and resulted in shorter flame lengths. Furthermore, swirl in the oxidiser stream induced internal recirculation and enhanced the mixing, resulting in shorter flame lengths. This provided a more uniform gas and temperature distribution to the catalyst bed surface. As a result, a potential burner and combustion chamber design was proposed for further investigation.Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella happisyötöllisen autotermisen reformerin (ATR) kaasunjakojärjestelmä. Tasainen kaasunjako vaikuttaa merkittävästi ATR:n toimintaan ja siksi sekä polttimen että polttokammion perusteellinen suunnittelu on edellytys toimivalle ATR-reaktorille. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin lyhyesti synteesikaasun valmistus ja reformointiteknologiat. Lisäksi tarkasteltiin ATR-reaktorin rakennetta ja eri poltinvaihtoehtoja sekä virtauslaskennan (CPO) hyödyntämistä ATR:n ja palamisen mallintamisessa. Työn soveltavassa osassa tutkittiin tekijöitä, jotka vaikuttavat kaasujen ja lämpötilan jakautumiseen ATR:n polttokammiossa. Virtaussimuloinnit suoritettiin Fluent 13.0 ja Gambit 2.4 ohjelmilla. Työn tavoitteena oli suunnitella poltin ja polttokammio, jotka jakavat kaasun tasaisesti katalyyttipedin pinnalle ja samalla mahdollistavat pitkän reaktorin eliniän. Työssä tutkittiin pyörivän syöttövirtauksen, kaasujen syöttönopeuksien, kammion geometrian ja suuttimen muodon vaikutusta kaasunjakoon. Simulointeihin valittiin poltin, jossa happisyöttö oli suuttimen keskellä. Turbulenssin mallintamiseen käytettiin Standard k-epsilon mallia ja palamisreaktioiden mallintamiseen Eddy dissipation mallia. Simuloinnit suoritettiin pääosin kaksiulotteisina laskenta-ajan lyhentämiseksi. Kirjallisuudessa painotettiin reaktorin kestävyyden merkittävyyttä polttimen ja polttokammion suunnittelussa. Liekki tulisi ohjata peittokammion keskelle, kauas reaktorin seinämistä, katalyyttipedistä ja polttimesta. Tässä diplomityössä todettiin, että kammion keskellä alas virtaava ja seiniä pitkin ylös virtaava kaasukierto ohjasi liekin hallitusti kammion keskelle. Simuloinnit osoittivat, että tätä ulospäin virtaavaa ulommaista paluuvirtausta voidaan edistää syöttämällä kaasut suurella nopeudella kammion akselia pitkin ja jättämällä kammion seinämille tilaa paluuvirtauksen muodostumiselle. Polttimen ulommaista virtaa (hiilivetyvirtaa) ei tulisi syöttää reaktoriin pyörteellä, koska simuloinneissa se häiritsi ulospäin virtaavan kaasukierron muodostumista. Todettiin myös, että suuret hiilivedyn syöttönopeudet ja hiilivetyvirran suuntaaminen kohti happisuihkua kasvattivat palamisnopeutta, jolloin liekki paloi lyhyempänä. Lisäksi happivirran syöttäminen pyörteellä muodosti liekin sisäisen paluuvirtauksen ja tehosti kaasujen sekoittumista, johtaen lyhyempiin liekkeihin. Lyhyillä liekeillä saavutettiin tasaisempi kaasuja lämpötilajakauma katalyyttipedin pinnalle. Työn tuloksena yhtä potentiaalista kaasunjakojärjestelmää suositeltiin jatkotutkimuksia varten.Description
Supervisor
Alopaeus, VilleThesis advisor
Toppinen, SamiKeywords
ATR, poltin, burner, polttokammio, combustion chamber, liekki, flame, CFD