Hidrojen Bazlı Amonyak Sentez Reaktörünün Bir Boyutlu İzotermal Olmayan Modellemesi ve Parametrik Analizi

Abstract

Amonyak sentezi, özellikle gübre üretimi ve gelişmekte olan hidrojen temelli enerji sistemleri açısından küresel kimya endüstrisinin temel süreçlerinden biridir. Yeşil hidrojene olan ilginin artmasıyla birlikte amonyak, hem bir enerji taşıyıcısı hem de kimyasal bir hammadde olarak önem kazanmıştır. Bu nedenle, farklı işletme koşulları altında reaktör davranışının anlaşılması büyük önem taşımakta olup, matematiksel modelleme; performansın analiz edilmesi ve parametre etkilerinin kapsamlı deneysel çalışmalara ihtiyaç duyulmadan değerlendirilmesi için etkili bir araç sunmaktadır. Bu çalışmanın amacı, hidrojen bazlı amonyak sentezi için bir boyutlu, izotermal olmayan bir paket yataklı reaktör modeli geliştirmek ve giriş bileşimi, basınç ve katalizör miktarı gibi temel parametrelerin reaktör performansı üzerindeki etkilerini incelemektir. Model, tür kütle dengeleri, enerji dengesi ve basınç düşüşünün Ergun denklemi ile ifade edilmesine dayanmaktadır. Reaksiyon kinetiği, amonyak sentez sistemlerinde yaygın olarak kullanılan Temkin–Pyzhev hız ifadesi ile temsil edilmiştir. Elde edilen diferansiyel denklemler MATLAB ortamında bir ODE çözücüsü kullanılarak sayısal olarak çözülmüştür. Model, reaktör boyunca sıcaklık, basınç, molar akış hızları, mol kesirleri ile azot ve hidrojen dönüşümlerinin eksenel değişimini tahmin etmektedir. Daha sonra giriş hidrojen–azot bileşimi, giriş basıncı ve katalizör miktarı sistematik olarak değiştirilerek parametrik bir analiz gerçekleştirilmiştir. Temel işletme koşulları altında (Tin = 700 K; Pin = 55 bar; yH₂ = 0.75; yN₂ = 0.25; mcat = 3 g; ε = 0.40), model reaktör çıkışında azot ve hidrojen dönüşümlerini yaklaşık 0.1161 olarak öngörmekte, amonyak molar akış hızı ise 3.84 × 10⁻⁵ mol/s değerine ulaşmaktadır. Sonuçlar, ekzotermik reaksiyonun ilerlemesine bağlı olarak amonyak oluşumunun reaktör boyunca arttığını göstermektedir. İncelenen parametreler arasında, giriş basıncının amonyak üretimi üzerinde en belirgin etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. En yüksek üretim, giriş basıncının 100 bar olduğu durumda elde edilmiş olup, bu koşulda çıkış amonyak molar akış hızı 9.02 × 10⁻⁵ mol/s değerine ulaşmış ve azot ile hidrojen dönüşümleri yaklaşık 0.1500 seviyesine yükselmiştir. İncelenen aralıkta en uygun besleme bileşimi, stokiyometrik orana yakın değerlerde (yH₂ = 0.75; yN₂ = 0.25) bulunmuştur. 1–5 g aralığında değiştirilen katalizör miktarının performans üzerindeki etkisinin sınırlı olduğu, ancak 2–3 g civarında hafif bir iyileşme gözlendiği belirlenmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen bir boyutlu izotermal olmayan reaktör modeli, hidrojen bazlı amonyak sentez reaktörünün eksenel davranışını başarılı bir şekilde tanımlamakta ve işletme ile yatak parametrelerinin etkileri hakkında değerli bilgiler sunmaktadır. Model, reaktör analizi ve amonyak üretimini artırmaya yönelik uygun işletme koşullarının belirlenmesi için faydalı bir araç olarak kullanılabilir.

Keywords

• Amonyak üretimi
• izotermal olmayan modelleme
• dolgulu yataklı reaktör
• hidrojen bazlı prosesler

One-dimensional non-isothermal modeling and parametric analysis of a hydrogen-based ammonia synthesis reactor

Abstract

Context—Ammonia synthesis is a key process in the global chemical industry, especially for fertilizer production and emerging hydrogen-based energy systems. With growing interest in green hydrogen, ammonia has gained attention as both an energy carrier and a chemical feedstock. Therefore, understanding reactor behavior under different operating conditions is essential, and mathematical modeling provides an effective tool for analyzing performance and evaluating parameter effects without extensive experimental work.

Objective—The objective of this study is to develop a one-dimensional non-isothermal packed-bed reactor model for hydrogen-based ammonia synthesis and to evaluate the effects of key parameters, including inlet composition, pressure, and catalyst loading, on reactor performance.

Method—The model is based on species mass balances, an energy balance, and pressure drop described by the Ergun equation. The reaction kinetics were represented using the Temkin–Pyzhev rate expression, which is widely used for ammonia synthesis systems. The governing differential equations were solved numerically in MATLAB using an ODE solver. The model predicts the axial variation of temperature, pressure, molar flow rates, mole fractions, and the conversions of nitrogen and hydrogen along the reactor length. A parametric analysis was then performed by systematically varying inlet hydrogen–nitrogen composition, inlet pressure, and catalyst amount.

Results—Under the base operating conditions (T_in = 700 K, P_in = 35 bar, y_H2 = 0.75, y_N2 = 0.25, m_cat = 3 g, ɛ = 0.40), the model predicts outlet nitrogen and hydrogen conversions of approximately 0.1161, while the ammonia molar flow rate at the reactor outlet reaches 3.84 × 10^-5 mol/s. The results show that ammonia formation increases along the reactor length due to the progress of the exothermic reaction. Among the investigated parameters, inlet pressure has the most pronounced effect on ammonia production. The highest formation was observed at an inlet pressure of 100 bar, where the outlet ammonia molar flow rate reached 9.02 × 10^-5 mol/s and the nitrogen and hydrogen conversions increased to approximately 0.1500. The optimal feed composition within the investigated range was found near the stoichiometric ratio (y_H2 = 0.75, y_N2 = 0.25). Catalyst loading in the range of 1–5 g produced only minor changes in performance, with slightly higher ammonia production observed around 2–3 g.

Conclusion—In conclusion, the developed one-dimensional non-isothermal reactor model successfully describes the axial behavior of a hydrogen-based ammonia synthesis reactor and provides valuable insights into the influence of operating and bed parameters. Unlike many previous studies, the present work provides a simple integrated framework for evaluating the effects of operating and packed-bed parameters on hydrogen-based ammonia synthesis reactors.

Keywords

• Ammonia production
• non-isothermal modeling
• packed-bed reactor
• hydrogen-based processes

References

1. [1] D. K. Madheswaran, S. Vengatesan, S. Jegadheeswaran, M. Thangamuthu, H. Togun, B. Duraisamy, O. Y. Chun, M. W. Khan, “Ammonia as a hydrogen carrier: A comprehensive analysis of electrolysis efficiency and its potential in sustainable energy systems”, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 221, 115915, 2025. https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115915.
2. [2] M. Aziz, A. T. Wijayanta, A. B. D. Nandiyanto, “Ammonia as Effective Hydrogen Storage: A Review on Production, Storage and Utilization”, Energies, 13(12), 3062, 2020. https://doi.org/10.3390/en13123062.
3. [3] M. Pinzón, R. García-Carpintero, A. R. de la Osa, A. Romero, D. Abad-Correa, P. Sánchez, “Ammonia as a hydrogen carrier: An energy approach”, Energy Conversion and Management, 321, 118998, 2024. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118998.
4. [4] A. Valera-Medina, H. Xiao, M. Owen-Jones, W. I. F. David, P. J. Bowen, “Ammonia for power”, Progress in Energy and Combustion Science, 69, 63-102, 2018. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2018.07.001.
5. [5] F. B. Juangsa, A. R. Irhamna, M. Aziz, “Production of ammonia as potential hydrogen carrier: Review on thermochemical and electrochemical processes”, International Journal of Hydrogen Energy, 46(27), 14455-14477, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.01.214.
6. [6] Y. Kojima, M. Yamaguchi, “Ammonia as a hydrogen energy carrier”, International Journal of Hydrogen Energy, 47(54), 22832-22839, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.096.
7. [7] J. C. Morud, S. Skogestad, “Analysis of instability in an industrial ammonia reactor“, AIChE Journal, 44(4), 888-895, 1998. https://doi.org/10.1002/aic.690440414.
8. [8] A. Dashti, K. Khorsand, M. A. Marvast, M. Kakavand, “Modeling and simulation of ammonia synthesis reactor”, Petroleum & Coal, 48(2), 15-23, 2006.

9. [9] D. S. S. Jorqueira, A. M. B. Neto, M. T. M. Rodrigues, “Modeling and numerical simulation of ammonia synthesis reactors using compositional approach”, Advances in Chemical Engineering and Science, 8(3), 124-143, 2018. https://doi.org/10.4236/aces.2018.83009.
10. [10] A. Shamiri, N. Aliabadi, “Modeling and performance improvement of an industrial ammonia synthesis reactor”, Chemical Engineering Journal Advances, 8, 100177, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ceja.2021.100177.
11. [11] M. Farsi, N. Chabi, M. R. Rahimpour, “Modeling and optimization of ammonia process: Effect of hydrogen unit performance on the ammonia yield”, International Journal of Hydrogen Energy, 46(79), 39011-39022, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.160.
12. [12] E. P. Carvalho, C. Borges, D. Andrade, J. Y. Yuan, M. A. S. S. Ravagnani, “Modeling and optimization of an ammonia reactor using a penalty-like method”, Applied Mathematics and Computation, 237, 330-339, 2014. https://doi.org/10.1016/j.amc.2014.03.099.
13. [13] M. J. Palys, A. McCormick, E. L. Cussler, P. Daoutidis, “Modeling and optimal design of absorbent enhanced ammonia synthesis”, Processes, 6(7), 91, 2018. https://doi.org/10.3390/pr6070091.
14. [14] M. El-Shafie, T. Yajima, T. Naito, K. Sato, S. Tsuda, K. Inazu, K. Nagaoka, Y. Kawajiri, “Comprehensive kinetic analysis of ammonia synthesis over a Co/BaO/MgO catalyst under milder conditions: Integral reactor modeling via Langmuir–Hinshelwood mechanism”, Chemical Engineering Journal, 523, 168922, 2025. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168922.
15. [15] I. Gargiulo, G. Anello, S. Richard, F. Gallucci, “Modeling of a packed bed membrane reactor for ammonia synthesis: on the role of membrane performance and operating conditions”, International Journal of Hydrogen Energy, 166, 150995, 2025. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.150995.
16. [16] M. Malmali, Y. M. Wei, A. McCormick, E. L. Cussler, “Ammonia synthesis at reduced pressure via reactive separation”, Industrial & Engineering Chemistry Research, 55(33), 8922-8932, 2016. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b01880.
17. [17] S. S. S. Ganti, P. K. Roy, N. Wagh, K. N. S. S. Sai, S. Kumar, “Strategically designed catalysts for ammonia synthesis under mild conditions: recent advances and challenges”, Journal of Materials Chemistry A, 13(21), 15361-15426, 2025. https://doi.org/10.1039/D4TA08232J.
18. [18] D. Nemec, J. Levec, “Flow through packed bed reactors: 1. Single-phase flow”, Chemical Engineering Science, 60(24), 6947-6957, 2005. https://doi.org/10.1016/j.ces.2005.05.068.
19. [19] A. Nielsen, J. Kjaer, B. Hansen, “Rate equation and mechanism of ammonia synthesis at industrial conditions”, Journal of Catalysis, 3(1), 68-79, 1964. https://doi.org/10.1016/0021-9517(64)90094-6.
20. [20] H. S. Fogler, “Elements of chemical reaction engineering”, 3rd Edition, Upper Saddle River, NJ, USA, Prentice-Hall Inc., 1999.
21. [21] P. Linstrom, “NIST Chemistry WebBook-SRD 69”, National Institute of Standards and Technology, 2025. https://doi.org/10.18434/T4D303.
22. [22] J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott, M. T. Swihart, “Introduction to chemical engineering thermodynamics”, 9th Ed., Singapore, McGraw-Hill. 2022.
23. [23] S. Ergun, “Fluid flow through packed columns”, Chemical Engineering Progress, 48(2), 89, 1952.
24. [24] G. F. Froment, K. B. Bischoff, J. De Wilde, “Chemical reactor analysis and design,” 2nd Edition, New York – Chichester, USA, John Wiley & Sons, 1990, pp. 104-127.