AD ALTA 

 

JOURNAL OF INTERDISCIPLINARY RESEARCH

 

 

 

4 Results and discussion 
 
A modified design of hydrogen production system is studied and 
compared to the design of the Chunfeng Song et al. (2015) that 
used heat integration technology to reduce the energy 
consumption. In the original design eight heat exchangers were 
used in the SMR process to recover energy and evaporate water 
feedstock. Also, the outlet stream of LT-WGS reactor was 
compressed to establish an optimal heat pairing between the 
cold and hot streams. To optimize the PSA process, a heat pump 
was used to recover the heat released from adsorption column 
and reused it for sorbent regeneration. 
 
In this study, the energy required for desorption column is 
obtained by SMR process. Moreover, the energy released in the 
adsorption column is used to increase the latent and the sensible 
heat of the water feedstock in the SMR process. The S1 and S13 
are pressurized up to 1010 Kpa which is done via compressor 
(0.241 MW) and pump (1.61 KW). Similar to Chunfeng Song et 
al. (2015) simulation, heat exchangers of 1 and 4 (0.16 MW and 
0.003 MW) use the energy of extracted H2O from syngas to 
increase water feed temperature. The HX-2 (0.341 MW), HX-3 
(0.113 MW), HX-5 (0.81 MW) and HX-6 (094MW) are 
recovering the syngas heat to increase the latent and sensible 
heat of water feed stream. The mixture of vapor and methane is 
preheated to reach the right temperature for the reforming 
reaction. Therefore, HX-7 recovers 0.97 MW from the 
reformers outlet flow and heater-1 consumes 1.52MW to heat 
S4 up to 700°C. 
 
While the heat pump is omitted in the new design of the PSA 
process, adsorption heat is recovered via a heat exchanger (HX-
8) to prevent the heat loss in the conventional PSA process. 
Therefore, HX-8 transfers the heat of adsorption to S18 to 
increase the sensible and the latent heat of the water. The 
recovered heat is around 0.98 MW. The saved energy used by 
heat pump in the heat integrated PSA process in the Chunfeng 
Song et al. (2015) design, is 0.36 MW. However, a small 
difference in the amount of the recovered heat can be observed 
between the HX-8 in this design and the HX-5 in the Chunfeng 
Song et al. (2015) design. The difference causes an increase in 
the total consumed energy of Heater 1 and 2. It rises from 2 MW 
to 2.23 MW. Moreover, S12 provides the energy demands of the 
desorption column, which HX-9 transfers 0.98MW energy from 
S12 to S47.  
 
The percentage of the saved energy in the new design, does not 
meet the eye. Thus, to have a more energy efficient process, 
temperature of reformer in the SMR process is increased from 
700°C to 750°C. The temperature rise effects not only 
conversion of methane in reformer but also heat recovery of 
HX-7. While the HX-7 recovers more energy to preheat the feed 
for reformer, the energy load for the Heaters 1 and 2 decreases. 
Meaning, Heaters 1and 2 consume less energy (1.32 MW, 0.5 
MW). 
 
Figure 3 shows the minimum temperature difference in the heat-
integrated SMR process. It can be seen that the hot and cold 
stream lines are almost parallel which indicates that there is hot 
and cold streams are well paired. Also, there is a curve in the 
lines that shows the minimum temperature difference between 
the hot and cold streams. Figure 4 illustrates the pairing of the 
hot and cold streams in the new hydrogen production process. 
 
Generally, it can be observed that there is no energy loss or 
consumption in proposed PSA process. Whereas in conventional 
PSA process (9.71 Kj/mole H2) and heat integrated PSA process 
(3.7 Kj/mole H2) more energy were wasted or consumed. 
Furthermore, the energy consumption of the new SMR process 
is 34.55 Kj/ moleH2, while in the conventional process and heat 
integrated process was 92.4 Kj/mole H2 and 36.63 Kj/moleH2, 
respectively. 
 
 
 

 

 
Figure 3: Temperature – enthalpy diagram for the heat 
exchangers of proposed process 
 

 

 
Figure 4: Schematic diagram of cold and hot streams in 
proposed process 
 
4 Sensitivity analysis 
 
Reaction conditions are regarded as the key factors since their 
effect on the process performance is significant. The most 
relevant parameters are temperature and Steam/Carbon ratio 
(S/C) which crucially affect the process.  
 
Figure 5.A shows the variation of the hydrogen composition 
versus temperature. It can be observed that the composition of 
the outlet hydrogen stream increases while the temperature rises. 
Since steam methane reforming reaction is endothermic, a rise 
in temperature causes the reaction to move toward producing 
more hydrogen. 
 

 

 
Figure 5 
A) Diagram of hydrogen composition-temperature in heat-
integrated SMR process where the temperature of the H-WGS 
and L-WGS reactors are constant at 350°C and 200°C, 
respectively, S/C ratio is constant at 3 and pressure (1010 Kpa) 
is constant through the whole process. 
 
In Figure 5.B, the effects of the steam to carbon (S/C) ratio are 
analyzed. Based on the stoichiometry of the SMR and WGS 
reactions, increasing the steam will cause the reaction 1 to move 
further to the right side. Also, it causes methane in reaction 1 

- 243 -