A study on mathematical modeling of direct synthesis of dimethyl ether in structured membrane reactors

CO2'nin dimetil etere (DME) dimetil etere (DME) katalitik dönüşümü membranlı mikrokanal reaktörde modellenmiştir. Buharı ayrıştırabilen α-Al2O3 destekli SOD membran tabakası, reaktör mimarisinde reaksiyon ve süpürme kanalları arasında bulunmaktadır. Reaksiyon kanalları, sırasıyla metanolün oluşumu ve dehidrasyonundan sorumlu Cu–ZnO/Al2O3 (CZA) ve HZSM–5 katalizörlerinin fiziksel karışımıyla kaplanmıştır. CO2-H2 gaz karışımı (H2/CO2) reaksiyon kanalına 6×103 ml gk-1 sa-1 boşluk hızıyla gönderilmiş, eşit sıcaklık ve basınçtaki H2 gazı ise membrandan süzülen buharı uzaklaştırmak üzere süpürme kanalına beslenmiştir. Kütle ve momentum korunum denklemlerini baz alan izotermal yatışkın hal modeli ANSYS programında numerik olarak çözülmüştür. Hesaplanan performans metrikleri, 483–543 K ve 30–50 bar aralığında literatürde belirtilen deneysel verilerden minimal sapma göstermektedir. Enerji korunum denklemlerinin modele eklenmesiyle elde edilen neredeyse sabit sıcaklık profili ve değişmeyen reaktör performansı, izotermal koşulların geçerliliğini tasdik etmektedir. Membran entegrasyonu reaksiyon karışımına H2 girişi ve H2O çıkışı sağladığından, CO2 dönüşümünü (~60) ve DME verimini (~%30) membransız sonuçlara göre en az üç kat artırmaktadır. Sıcaklık ve basıncın artırılması membran işlevini ve faydalarını daha belirgin hale getirmektedir. Süpürücü H22 gazını zıt yönlü beslemek daha üstün H2O ayrımı sağlamaktadır. Süpürme kanalının oransal giriş hızı (vrat) membran kütle aktarımını önemli ölçüde etkilemektedir. Katalizör kütle oranını (CZA/HZSM-5) artırmak hem performans metriklerini hem de reaktör kapasitesini iyileştirmektedir. 1 MW'lık elektrolizörün gerekli hidrojeni sağlaması halinde, ~7 m3'lük reaktör sistemi yıllık 1×103 ton CO2'den 2.76×102 ton DME sentezleyebilmektedir.