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Methane pyrolysis in packed bed reactors: Kinetic modeling, numerical simulations, and experimental insights

Mokashi, Manas 1; Shirsath, Akash Bhimrao 1; Çelik, Ahmet 1; Lott, Patrick ORCID iD icon 1; Müller, Heinz 1; Tischer, Steffen ORCID iD icon 2; Maier, Lubow 2; Bode, Johannes; Schlereth, David; Scheiff, Frederik 3,4; Flick, Dieter; Bender, Michael; Ehrhardt, Kai; Deutschmann, Olaf ORCID iD icon 1,2
1 Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
3 Engler-Bunte-Institut (EBI), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
4 Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik (CIW), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

Pyrolysis of hydrocarbon feeds such as methane (CH$_4$) and natural gas emerges as a pivotal carbon dioxide-free
large-scale hydrogen (H$_2$) production process combined with capturing the carbon as solid material. For
fundamental understanding and upscaling, the complex kinetics and dynamics of this process in technically
relevant reactors such as packed and moving beds still need to be explored, particularly concerning carbon
formation and its impact on reactor performance. This study integrates kinetic modeling, numerical simulations,
and experimental findings to comprehensively understand CH$_4$ pyrolysis under industrially relevant conditions
and its implications for efficient H$_2$ production and carbon capture. The investigation covers temperatures from
1273 K to 1873 K, H$_2$ addition with H$_2$:CH$_4$ ratios of 0 to 4, and hot zone residence time of 1 to 7 s. Two distinct
pathways lead to carbon formation: soot formation and carbon deposition. Each pathway originates from
different gas-phase precursors. An elementary-step-based gas-phase reaction mechanism is coupled with a soot
formation model from polycyclic aromatic hydrocarbon and a newly developed deposition model from light
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Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000169531
Veröffentlicht am 05.04.2024
Originalveröffentlichung
DOI: 10.1016/j.cej.2024.149684
Scopus
Zitationen: 5
Web of Science
Zitationen: 4
Dimensions
Zitationen: 6
Cover der Publikation
Zugehörige Institution(en) am KIT Engler-Bunte-Institut (EBI)
Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT)
Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsdatum 01.04.2024
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 1385-8947
KITopen-ID: 1000169531
HGF-Programm 38.03.02 (POF IV, LK 01) Power-based Fuels and Chemicals
Weitere HGF-Programme 38.05.01 (POF IV, LK 01) Anthropogenic Carbon Cycle
Erschienen in Chemical Engineering Journal
Verlag Elsevier
Band 485
Seiten Art.-Nr.: 149684
Vorab online veröffentlicht am 19.02.2024
Nachgewiesen in Web of Science
Dimensions
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