Modeling and simulation of technical processes for hydrogen production

Abstract

Diese Studie bietet einen Überblick über die Prozesse der Wasserstoffherstellung. Die betrachteten Prozesse sind Dampf- und/oder Sauerstoff - Reforming von Methan und leichten Kohlenwasserstoffen; Teilweise Oxidation von schweren Kohlenwasserstoffen; Methanol Dampf- und/oder Sauerstoff-Reforming von Methanol; Ethanol Dampf- und/oder Sauerstoff-Reforming von Ethanol; Wasserspaltung durch Elektrolyse und Vergasung und Fermentationsprozesse von Biomasse.<br />Die Studie stellt Daten basierend auf verschiedenen Prozessen für die Wasserstoffherstellung zur Verfügung. Es wird Vergleiche und Abschätzungen der Resultate in Bezug auf die Effizienz der Energieumwandlung, des Verbrauches und der Investitionskosten angestellt. Homogene Daten sind für diesen Vergleich notwendig.<br />Für die höchste Energieeffizienz wird der Methan Dampf Reforming Prozess (SMR) für detaillierte Simulationsstudien gewählt.<br />Die Auswahl eines Reaktors ist der erste Schritt für das Entwickeln einer Simulation in ASPEN plus. Das Reaktormodell wurde verwendet um die Änderungen der Betriebsbedingungen auf das chemische Gleichgewicht zu untersuchen. Es berechnet die Gleichgewichtskonstante und die Reaktionswärme für den SMR Prozess. Für die Simulation des SMR Prozesses wurde der RGibbs Reaktor gewählt.<br />Die Modelleinheiten und Betriebsbedingungen basieren auf vereinfachten Industrieprozessen. Die Simulationsergebnisse sind: die Wärme, Massenbilanz und der Wärmebedarf des gesamten Prozesses. Die ausreichend homogenen Simulationsdaten beinhalten einfache Wärmeintegration über Pinch Analyse um den minimalen Energiebedarf für den Gesamtprozess zu bestimmen.<br />Die Resultate des Wärmebedarfs des Simulationsmodells wurden mit Literaturwerten für den Wärmebedarf verglichen und evaluiert.<br />Basierend auf theoretischen Betrachtungen kann die maximale Energieumwandlungseffizienz (µconv) von 82% basierend am unteren Heizwert aus dem SMR Prozess erhalten werden.<br />Unter Betrachtung der Reaktionswärme ist eine Energieumwandlungseffizienz (µconvHr) von 71% möglich. Im realen Prozess ohne Wärmeintegration, berechnet mit dem entwickelten Aspen plus Modell, wurde eine Energieumwandlungseffizienz ohne Wärmeintegration (µconv without heat integration) von nur 56% beobachtet. Durch die Anwendung optimaler Wärmeintegration (minimaler Wärmebedarf) kann die Energieumwandlungseffizienz (µconv with heat integration) auf 62% erhöht werden.<br />Die Entwicklung dieser Studie ist notwendig um andere Modelle für die Wasserstoffproduktion wählen zu können und Modelle zu verbessern damit diese mehr Information über den gesamten Wärmehaushalt liefern.<br />

This study offers an overview of the processes for hydrogen production. The processes discussed are steam and /or oxygen reforming of methane and light hydrocarbon; partial oxidation of heavy hydrocarbon; methanol steam and/or oxygen reforming of methanol, ethanol steam and /or oxygen reforming of ethanol; splitting of water by water electrolysis and gasification and fermentation processes from biomass. The study provides data based on different processes for hydrogen production. It also compares and evaluates the results in terms of energy conversion efficiency, energy demand and investment cost.<br />Homogeneous data are necessary to perform the research.<br />For highest energy conversion efficiency, the steam methane reforming SMR process is selected for detailed simulation studies.<br />Selection of a reactor is the first step for developing a simulation model in Aspen plus program. The reactor has been used to examine the effect of changes in operating condition at chemical equilibrium. It calculates the equilibrium constant and heat of reaction for the SMR reactions. The RGibbs reactor is selected for the simulation model of the SMR process.<br />The model units and operating conditions are based on a simplified process from industry. The simulation results are the heat and mass balance as well as heat demand of overall process. The results include simple heat integration by pinch analysis method to calculate the minimum heat demand of the overall process.<br />The results of heat demand of the simulation model has been compared and evaluated against literature data.<br />Based on theoretical considerations, maximum energy conversion efficiency (mconv) of 82% based on lower heating value can be determined for the SMR process. Considering heat of reaction an energy conversion efficiency (mconvHr) of 71% is possible. For the real process without heat integration calculated by the developed Aspen plus model, energy conversion efficiency without heat integration (mconv without heat integration) of only 56% can be observed. By applying optimum heat integration (minimum energy demand) the energy conversion efficiency (mconv with heat integration) can be increased to 62%.<br />Further development is required to select other models for hydrogen routes production, and to improve models to provide more detailed information on overall heat demand and heat integration.<br />