انتخاب صفحه

فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه 

پیل‌های سوختی مستقیماً انرژی شیمیایی یک سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. پیل‌های سوختی، به علت دانسیته توان بالا، محصولات جانبی بی‌زیان برای محیط زیست و شارژ مجدد سریع، به عنوان یکی از تکنولوژی‌های نوین برای تولید انرژی در آینده و جایگزین مناسبی برای تولید انرژی از روش‌های مرسوم محسوب می‌شوند. مهم‌ترین مزیت پیل‌های سوختی، در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی و استرلینگ، امکان دستیابی به بازده بالاتر در تبدیل سوخت به الکتریسیته است که به ‌ویژه در مناطق آلوده مناسب است.

برای پیل‌‌های سوختی، هیدروژن سوخت ارجح است. مزیت استفاده از هیدروژن در پیل سوختی به واکنش‌پذیری زیاد آن برای واکنش الکتروشیمیایی آند و غیر آلاینده بودن آن برمی‌گردد. با این وجود، هیدروژن به صورت یک محصول گازی در طبیعت موجود نمی‌باشد. به همین جهت باید از آب، سوخت‌های فسیلی و سایر مواد با دانسیته هیدروژن بالا استفاده شود که می‌تواند فرآیند دشوار و پرهزینه‌ای باشد. همچنین ذخیره کردن هیدروژن، بخصوص برای استفاده در وسایل نقلیه و کاربردهای خانگی، هنوز به آسانی امکان‌پذیر نشده است. به همین منظور استفاده از سیستم‌های فرآوری‌ سوخت پیشنهاد شده است تا هیدروژن موردنیاز برای پیل‌های سوختی در محل تولید شود. استفاده از این سیستم‌های فرآوری سوخت، امکان ترکیب دانسیته انرژی بالای سوخت‌ها و دانسیته توان بالای پیل‌ سوختی را می‌دهد و در مجموع یک سیستم با بازده بالا را بوجود می‌آورد. تاکنون تحقیقات زیادی برای بررسی سیستم‌های فرآوری سوخت بصورت کار آزمایشگاهی و مدل‌سازی صورت گرفته است.

سه روش ریفرمینگ برای تولید هیدروژن وجود دارد که شامل ریفرمینگ با بخار آب (SR)[1]، اکسایش جزئی (POX) [2] و ریفرمینگ خودگرمازا (ATR) [3] است. ریفرمینگ با بخارآب، گرماگیر بوده و اکسایش جزئی یک فرآیند گرمازا می‌باشد. واکنش‌دهنده‌ها برای ریفرمینگ خودگرمازا شامل بخارآب، اکسیژن و سوخت می‌باشد. در واقع ریفرمینگ خودگرمازا، ترکیب ریفرمینگ با بخار آب و اکسایش جزئی می‌باشد. ریفرمینگ خودگرمازا به علت عدم نیاز به منبع حرارتی خارجی و تشکیل مقادیر کمتر از دوده، روش ارجح برای استفاده در یک وسیله نقلیه می‌باشد. در این مطالعه، با کمک دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) [4] ریفرمر خودگرمازای متان مدل‌سازی شده است.

مهم‌ترین هدف این تحقیق، مطالعه عددی فرآیند ریفرمینگ خودگرمازای متان به کمک مدل‌‌سازی سه بعدی می‌باشد. به کمک نتایج حاصل از مدل‌سازی می‌توان تغییرات دما و غلظت اجزاء را در هر نقطه درون راکتور مورد مطالعه قرار داد. اهمیت این مدل‌سازی به تأمین اطلاعات برای طراحی سیستم‌های ریفرمینگ برمی‌گردد که با کمک آن‌ها می‌توان از مشکلاتی نظیر تشکیل نقاط داغ درون راکتور که منجر به آسیب رسیدن به کاتالیست می‌شود، جلوگیری کرد. بنابراین مدل‌سازی CFD، به بهینه‌سازی طراحی راکتور و تعیین شرایطی که منجر به بهبود بازده تبدیل سوخت می‌شود، کمک می‌کند. همچنین زمان و هزینه لازم برای پیاده‌سازی ایده‌ها و طراحی‌های جدید کاهش می‌یابد.

تحقیقات زیادی برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست‌های مرسوم نظیر نیکل، پلاتین، پالادیم و … صورت گرفته است. در بسیاری از این تحقیقات، کاتالیست مورد استفاده برای بخش اکسایش جزئی و ریفرمنیگ با بخار آب، متفاوت است. مدل‌سازی‌های صورت گرفته در این تحقیقات هم عمدتاً بر مبنای رابطه‌‌ی سرعت‌های واکنش بر روی کاتالیست‌های مرسوم می‌باشد. در جستجوی انجام شده توسط نویسنده، تاکنون مدل‌سازی ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% در یک راکتور مونولیتی صورت نگرفته است. هدف این تحقیق، مدل‌سازی ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% به کمک دینامیک سیالات محاسباتی است. مزیت استفاده از کاتالیست 5% در آن است که می‌تواند هر دو واکنش اکسایش جزئی و ریفرمنیگ با بخار آب را پیش ببرد. در مدل‌سازی صورت گرفته نیز از معادلات سرعت اصلاح شده برای کاتالیست  5% استفاده شده است. راکتور انتخاب شده در این تحقیق، یک راکتور مونولیتی کاتالیستی است. راکتورهای مونولیتی، از تعداد زیادی کانال جریان موازی هم که توسط دیواره‌های جامد از هم جدا می‌شوند، تشکیل شده‌اند. راکتورهای مونولیتی به علت نسبت سطح به حجم بالا و افت فشار کم،‌ برای کاربردهای سیار مناسب می‌باشند.  با این وجود مدل‌سازی راکتورهای مونولیتی بسیار هزینه‌بر و زمان‌بر است. به همین منظور رفتار یک کانال از راکتور مونولیتی تقریباً مشابه رفتار کل راکتور مونولیتی فرض شده است و هندسه‌ی یک کانال به عنوان دامنه محاسباتی انتخاب شده است. این مدل‌سازی شامل مدلی سه بعدی برای راکتور که در برگیرنده‌ی معادلات بقای جرم، ممنتوم، انرژی و بقای گونه‌های شیمیایی می‌باشد و نیز مدلی برای در نظر گرفتن مکانیزم و رابطه سرعت واکنش‌ها است. این معادلات به کمک نرم‌افزار Fluent 6.3.26 که بر مبنای محاسبات حجم محدود [5] است، حل شده است. برای درنظر گرفتن رابطه سرعت واکنش‌ها از برنامه‌نویسی در محیط C++ استفاده شده است که این برنامه قابلیت استفاده برای کارهای مشابه را دارد. نتایج این مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی صورت گرفته برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست  5% مقایسه شده است. در ادامه اثر تغییر پارامترهای عملیاتی بر روی میزان هیدروژن و مونواکسیدکربن تولید شده و پروفایل دمای درون راکتور بررسی شده است. پارامترهای عملیاتی مورد بررسی شامل نسبت مولی اکسیژن به متان (O2/CH4)، نسبت مولی بخارآب به متان (H2O/CH4) و دمای گاز ورودی به راکتور می‌باشد.

نتایج تحقیق در گزارشی شامل پنج فصل ارائه شده است. بعد از ارائه مقدمات در فصل اول، در فصل دوم به بررسی فرآیندهای ریفرمینگ مورد استفاده برای تولید هیدروژن پرداخته شده است. در ادامه مدل‌های سینتیکی ارائه شده برای فرآیندهای ریفرمینگ متان ارائه شده اند و در نهایت مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی مرور ‌شده است. فصل سوم به ارائه مشخصات راکتور مونولیتی مورد استفاده برای مدل‌سازی پرداخته است. همچنین فرضیات و معادلات بقای جرم، انرژی، ممنتوم و بقای گونه‌های شیمیایی حاکم بر مدل‌سازی ارائه می‌گردد. در نهایت معادلات سینتیکی مورد استفاده برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست  5% آورده ‌شده است. در فصل چهارم نتایج حاصل از مدل‌سازی مورد بحث و بررسی قرار گرفته‌اند و بهینه‌ترین حالت (در محدوده مورد بررسی) که منجر به بیشترین مقدار تولید هیدروژن می‌شود ارائه شده است. در نهایت در فصل پنجم، راه‌کارهای پیش رو برای بهبود نتایج مدل‌سازی ارائه شده‌اند.

1-1- مقدمه………………………………………………………………………………….. 2

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل 2: مروری بر پیشینه تحقیق

کمبود ساختارهای تولید و توزیع هیدروژن برای استفاده در پیل‌های سوختی یکی از مهم‌‍‍‌ترین موانع برای تجاری‌سازی پیل‌های سوختی در صنعت حمل و نقل می‌باشد. در نتیجه تحقیقات بسیاری در سطوح مختلف در جهت توسعه سیستم فرآوری سوخت برای ریفرمینگ سوخت‌های فسیلی برای تولید هیدروژن در محل در حال انجام است. ریفرمینگ فرآیندی است که در آن یک سوخت هیدروکربنی به یک جریان گازی غنی از هیدروژن تبدیل می‌شود. سه نوع فرآیند ریفرمینگ مرسوم وجود دارد که برای تولید هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ ریفرمینگ با بخار آب، ریفرمینگ اکسایش جزئی و ریفرمینگ خودگرمازا . فرآیندهای ریفرمینگ عموماً در حضور کاتالیست مناسب انجام می‌گیرند. این فرآیندها عمدتاً در دو نوع راکتور صورت می‌گیرند: راکتورهای بستر پر شده و راکتورهای مونولیتی.در این فصل به مرور تحقیقات صورت گرفته برای ریفرمینگ سوخت پرداخته می‌شود. این مرور شامل بررسی روش‌های ریفرمینگ، مکانیزم‌ و روابط سینتیکی واکنش برای فرآیندهای ریفرمینگ متان در حضور کاتالیست‌های مختلف و مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی می‌شود.

-1-1- ریفرمینگ با بخار آب

متداول‌ترین روش برای تولید گاز سنتز از گاز طبیعی، فرآیند گرماگیر ریفرمینگ با بخار آب است که بطور وسیعی در مجتمع‌های پتروشیمی و پالایشگا‌هی مورداستفاده قرار می‌گیرد. در حال حاضر 48% تولید هیدروژن در جهان توسط ریفرمینگ با بخارآب صورت می‌گیرد که قسمت اعظم خوراک را گاز طبیعی تشکیل می‌دهد. ریفرمینگ با بخارآب گاز طبیعی، اقتصادی‌ترین فرآیند تولید هیدروژن است و تا 10-15 سال آینده اصلی‌ترین روش تولید هیدروژن خواهد بود] [[i]. پایه تئوری این فرآیند بر واکنش کلی زیر استوار است:

[i]] [ م. صفدرنژاد، مرور جامع روش‌های تولید و خالص‌سازی هیدروژن برای استفاده در محل در پیل‌های سوختی، سمینار کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، 1388.فرآیند اکسایش جزئی کاتالیستی مطابق با معادله (‏2‑7) می‌تواند با حضور کاتالیست انجام پذیرد. کاتالیست واکنش را بدون دخالت شعله امکان­پذیر ساخته و واکنش‌های آهسته­تر ریفرمینگ را برای حصول به تعادل ترمودینامیکی سرعت می‌بخشد.فرآیند اکسایش جزئی نیاز به مقادیر زیاد اکسیژن به صورت پیوسته (بیشتر از ریفرمینگ خودگرمازا ) دارد. در نتیجه نصب یک واحد گران جداسازی هوا برای تولید اکسیژن خالص و همچنین نگهداری آن سبب افزایش هزینه‌ها می‌شود. اگر فرآیند POX، از هوا به عنوان اکسنده استفاده کند، گاز خروجی به مقدار زیادی توسط نیتروژن رقیق شده و بنابراین نیاز به راکتور شیفت بزرگ‌تر و واحد خالص‌سازی گاز خواهد داشت. بنابراین اکسایش جزئی نمی‌تواند به اندازه ریفرمینگ با بخار آب تولید هیدروژن کند. با این وجود این فرآیند نیازی به پیش‌گرم‌کن و تجهیزات انتقال حرارت ندارد.

به طور معمول، در فرآیند POX، تشکیل نامطلوب دوده محتمل خواهد بود که بر عملکرد کاتالیست تأثیر منفی می‌گذارد. این دوده باید در یک سیستم جداسازی[1] در پایین دست راکتور، جداسازی شود. برای پرهیز از این پدیده، بایستی یا نسبت O2/CH4 را افزایش داد و یا اینکه با پیش­گرمایش خوراک‌های گازی، دمای واکنش را بالا برد. انجام این دو کار با مواردی چون بالا رفتن احتمال انفجار، دشوار شدن جداسازی محصولات، واکنش‌های ناخواسته در فاز گاز و کاهش گزینش­پذیری در تولید گاز سنتز همراه خواهد بود.  به همین دلیل، این فرآیند برای مدت 50 سال به فراموشی سپرده شد. بنابراین به نظر می‌رسد که فرآیند POX نمی‌تواند برای تولید هیدروژن در مقیاس‌های بزرگ و متوسط و نیز کوچک مناسب باشد و به همین علت، کارهای کمی در زمینه تولید هیدروژن برای پیل سوختی از طریق فرآیند POX صورت گرفته است. [1 و 3].

1-1-1- ریفرمینگ خودگرمازا

در ریفرمر خودگرمازا، از اکسایش جزئی سوخت جهت تأمین حرارت مورد نیاز واکنش‌های ریفرمینگ گرماگیر سوخت استفاده می­شود. بخارآب هم به خوراک ورودی اضافه می‌شود. در واقع میزان گرمای خالص تولیدی در فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا  نزدیک صفر می‌باشد. مزیت واکنش ریفرمینگ خودگرمازا در این است که هیدروژن بیشتری از طریق فرآیند ریفرمینگ بخار نسبت به واکنش اکسایش جزئی حاصل می‌شود و از سوی دیگر به علت وجود واکنش اکسایش جزئی، نیاز به دماهای ورودی کمتری برای جریان گاز ورودی در مقایسه با فرآیند ریفرمینگ بخار است. همچنین به علت وجود بخار آب، میزان دوده تشکیل شده کمتر خواهد بود.در نتیجه این فرآیند مزایای دو واکنش ریفرمینگ با بخار آب ( میزان هیدروژن تولیدی بالا) و واکنش اکسایش جزئی (عدم نیاز به پیش‌گرم‌کن‌ها در اثر گرمای زیاد تولیدی) را با هم ترکیب می‌کند و یک واحد تولید هیدروژن با بازده بالا را فراهم می‌کند . دمای عملیاتی پایین‌تر ریفرمینگ خودگرمازای کاتالیستی، مزایای زیادی دارد که از آن جمله می‌توان به طراحی آسان‌تر راکتور و انتخاب‌های بیشتر برای جنس راکتور اشاره کرد ]2[.

2-1- مقدمه………………………………………………………………………………… 7

2-2- ریفرمینگ هیدروکربن‌ها……………………………………………………………….. 7

2-2-1- ریفرمینگ با بخار آب………………………………………………………………… 7

2-2-2- ریفرمینگ اکسایش جزئی……………………………………………………. 9

2-2-3- ریفرمینگ خودگرمازا …………………………………………………………………11

2-3- مکانیزم واکنش برای ریفرمینگ متان……………………………………………….. 12

2-3-1- مدلهای سینتیکی برای ریفرمنیگ متان…………………………………… 13

2-3-2- مدلهای سینتیکی برای احتراق متان………………………………………. 18

2-3-3- مدلهای سینتیکی برای واکنش شیفت آب- گاز………………………….. 19

2-4- راکتورهای مورد استفاده برای فرآیند ریفرمینگ……………………………. 20

2-5- مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی……………….… 21

2-6- نتیجه گیری………………………………………………………………………..… 33

فصل 3: ارائه‌ی مدل‌سازی 

مدل‌های عددی صورت گرفته بر مبنای CFD را می‌توان برای مطالعه و طراحی راکتورهای کاتالیستی استفاده کرد. به طور کلی یک مدل CFD برای یک ریفرمر سوخت شامل دو مدل می‌شود. یک مدل برای راکتور و یک مدل برای مدل‌سازی واکنش. مدل مربوط به راکتور شامل معادلات بقای جرم، انرژی، ممنتوم و گونه‌های شیمیایی می‌باشد. مدل مربوط به واکنش، شامل مکانیزم واکنش‌های صورت گرفته و سینتیک هر یک از این واکنش‌ها می‌باشد. منظور از سینتیک در این مدل‌سازی، معادلات سرعت واکنش‌های صورت گرفته می‌باشد. در این فصل ابتدا مشخصات راکتور مونولیتی مورد استفاده برای مدل‌سازی شرح داده می‌شود و در ادامه معادلات استفاده شده در مدل‌سازی ارائه شده‌اند.

1-1- مشخصات راکتور مونولیتی مدل‌سازی شده

راکتور مونولیتی مورد استفاده توسط Rabe ] 33 [و همکاران، مجهز به یک ترموکوپل (TC) برای ثبت دما در طول راکتور است. در ناحیه ابتدایی این راکتور (قبل از ناحیه مونولیتی اول)، صفحه‌ای برای اختلاط هرچه بهتر گازها وجود دارد. این صفحه یک جریان یکنواخت را برای عبور از ناحیه مونولیتی فراهم می‌کند. این راکتور دارای سه ناحیه مونولیتی است. با این وجود تنها یکی از این سه ناحیه مونولیتی، کاتالیستی است و دو ناحیه‌ی دیگر بدون کاتالیست است. کاتالیست مورد استفاده در این کار آزمایشگاهی،  5% است. شایان ذکر است که آن‌ها اثر حضور دو ناحیه مونولیتی کاتالیستی را نیز بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که حضور ناحیه کاتالیستی دوم، تأثیر چندانی روی عملکرد راکتور ندارد. قطر و طول هر ناحیه مونولیتی cm 5/3 است. از آنجا که تعداد کانال‌های یک راکتور مونولیتی معمولاً بصورت تعداد کانال در واحد اینچ مربع تعریف می‌شود، برای راکتور استفاده شده این عدد برابر cpsi 400 [1] است که با درنظر گرفتن قطر راکتور مونولیتی، حدود 597 کانال می‌شود. آب توسط یک پمپ به یک تبخیر‌کننده وارد می‌شود و متعاقباً بخار آب با متان مخلوط می‌شود. مخلوط بخارآب/متان تا دمای C ˚ 275 پیش‌گرم می‌شود. اکسیژن نیز در دمای اتاق وارد راکتور می‌شود. برای شروع آزمایش، راکتور تا دمای احتراق کاتالیستی خوراک ورودی (حدود C ˚ 500) توسط یک گرم‌کن [2]، گرم می‌شود و بعد از احتراق واکنش، گرم کردن خارجی راکتور قطع می‌گردد. نمایی از این راکتور در شکل (3-1) نشان داده شده است.ز آنجا که مدل‌سازی کل این راکتور، بسیار هزینه‌بر و زمان‌بر است،  برای مدل‌سازی این راکتور فرض شده است که رفتار هر کانال یکسان و مشابه رفتار کل راکتور باشد. در نتیجه تنها یک کانال از این راکتور مدل‌سازی شده است. کانال‌های این راکتور مونولیتی، استوانه‌ای فرض شده اند و به همین علت از تقارن این نوع کانال‌ها استفاده شده و تنها یک چهارم از کانال مدل‌سازی شده است. قطر هر کانال مونولیت استفاده شده توسط Rabe ]33[، mm 9/0 و طول آن بر ای هر ناحیه مونولیتی cm 5/3 در نظر گرفته شده است. برای مدل‌سازی این مجموعه از ناحیه اختلاط اولیه صرفنظر شده است و فرض شده است که مخلوط گازی که وارد ناحیه‌ی مونولیتی اول می‌شود، کاملاً هموژن  باشد. با این فرض، در مدل‌سازی فقط سه ناحیه مونولیتی در نظر گرفته می‌شود که معادل طولی برابر cm 5/10 است. به علت آن که نسبت طول به قطر کانال بسیار بیشتر است، تنها بخشی از سطح مش‌بندی شده هندسه مورد استفاده در شکل (3-2) آورده شده است.

عداد مش‌های زده شده بر روی حجم، حدود 37500 است. با توجه به اینکه تغییرات دما و غلظت اجزاء، در ورودی راکتور سریع است، تعداد مش‌های در نظر گرفته شده در ابتدای راکتور، بیشتر است.

1-2- فرضیات و معادلات استفاده شده در مدل‌سازی

بنا به کار آزمایشگاهی Rabe ]33[ و همکاران، زمانی‌که WHSV [3] (نسبت جرم واکنش‌گر خورانده شده به راکتور در ساعت به جرم کاتالیست ،1/3 گرم % Ru-  Al2O35 به ازای هر مونولیت)، برابر hr-1 119 باشد، عدد رینولدز در یک کانال راکتور مونولیتی مورد استفاده برابر 32 بدست می‌آید که بیانگر آرام بودن جریان درون کانال است. جریان سیال داخل کانال، تراکم‌ناپذیر فرض شده است . مخلوط گازی نیز، ایده‌آل فرض شده است. از آن جا که فشار عملیاتی درون راکتور bar 1/2 می‌باشد و افت فشار در راکتور مونولیتی خیلی کم است، این فرضیات منطقی است. مدل‌سازی این سیستم، در حالت پایا صورت گرفته است. معادلات پیوستگی، ممنتوم، انرژی و گونه‌های شیمیایی در نظر گرفته شده بصورت زیر می‌باشند ][i][ که در ادامه نیز روش‌های محاسبه پارامترهای این معادلات که از مرجع ]34[ برگرفته شده است ارائه می‌شود. این معادلات به کمک نرم‌افزار FLUENT 6.3.26 حل شده‌اند.

3-1- مقدمه………………………………………………………………………………… 35

3-2- مشخصات راکتور مونولیتی مدل‌سازی شده……………………………... 35

3-3- فرضیات و معادلات استفاده شده در مدل‌سازی………………………….. 37

3-3-1- مدل‌سازی مکانیزم واکنش…………………………………………………. 43

3-3-2- روابط سینتیکی برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست روتنیم……………………………………………………………………………………..  44

3-4- نتیجه‌گیری………………………………………………………………………….. 47

فصل 4: نتایج و بحث

در این فصل به بررسی نتایج حاصل از مدل‌سازی پرداخته ‌شده است. ابتدا صحت نتایج مدل‌سازی صورت گرفته با نتایج کار آزمایشگاهی صورت گرفته توسط Rabe ]33[ و همکاران بررسی ‌شده است. در ادامه نتایج مدل‌سازی CFD ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست  5% ارائه شده است. پارامترهای در نظر گرفته شده شامل نسبت اکسیژن به متان و بخارآب به متان در ورودی راکتور و دمای خوراک ورودی است.

بررسی صحت مدل‌سازی

از کار آزمایشگاهی صورت گرفته توسط Rabe ]33[ و همکاران برای بررسی صحت مدل‌سازی صورت گرفته استفاده شده است. راکتور مورد استفاده شامل سه ناحیه‌ی مونولیتی بود که تنها یکی از این نواحی کاتالیستی بود. همچنین دیواره‌ی راکتور مورد استفاده عایق بود. دما در طول راکتور توسط یک ترموکوپل ثبت می‌شد و  گاز خروجی از راکتور به یک دستگاه کروماتوگرافی گاز وارد می‌شد و آنالیز ترکیب درصد روی آن صورت می‌گرفت. در نتیجه غلظت گونه‌های شیمیایی فقط در انتهای راکتور گزارش شده است. همان‌طور که در فصل 3 اشاره شد، در این مدل‌سازی تنها یک کانال مدل‌سازی شده است.

4-1- مقدمه……………………………………………………………………………….. 50

4-2- بررسی صحت مدل‌سازی…………………………………………………………. 50

4-1-1- مقایسه با نتایج آزمایشگاهی………………………………………………… 50

4-3- اثر میزان اکسیژن ورودی………………………………………………………… 57

4-4- اثر میزان بخارآب ورودی………………………………………………………..… 62

4-5- بررسی اثر دمای گاز ورودی……………………………………………………. 69

4-6- نتیجه‌گیری……………………………………………………………………………. 75

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل 5: جمع‌بندی و پیشنهادات

مدل ارائه شده در این تحقیق، یک مدل سه بعدی برای فرآیند ریفرمینگ خودگرمازای متان است که تغییرات غلظت و دما را در طول بستر کاتالیستی مونولیتی نشان می­دهد. در این تحقیق یک کانال از یک راکتور مونولیتی به عنوان دامنه محاسباتی انتخاب شده است و معادلات بقای جرم، انرژی و ممنتوم به کمک نرم‌افزار FLUENT در این دامنه محاسباتی حل شده است. سپس به بررسی صحت مدل‌سازی صورت گرفته پرداخته شده است. از مقایسه نتایج حاصل از این مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی صورت گرفته، این نتیجه حاصل شد که این مدل می‌تواند با تقریب قابل قبولی عملکرد سیستم آزمایشگاهی را پیش‌بینی کند. در نتیجه از این مدل جهت ارزیابی یک واحد ریفرمینگ خودگرمازا  استفاده شد. بعد از بررسی اثر نسبت  O2/CH4 و  H2O/CH4 ورودی به راکتور  و همین‌طور دمای خوراک ورودی، این نتیجه حاصل شد که برای دستیابی به بیشینه مقدار هیدروژن در محدوده مورد بررسی از نظر پارامترهای عملیاتی، باید نسبت O2/CH4 و  H2O/CH4 ورودی به راکتور را بترتیب 445/0 و 8/3 انتخاب کرد. همچنین دمای گاز ورودی به راکتور نیز باید C ° 600 باشد.نوآوری صورت گرفته در این تحقیق به انجام مدل‌سازی برای کاتالیست  5% برمی‌گردد.  در بررسی صورت گرفته توسط محقق، در بیشتر مدل‌سازی‌های صورت‌ گرفته از کاتالیست‌های صنعتی جداگانه برای فرآیند احتراق و ریفرمینگ با بخارآب استفاده شده است و نمونه مشابهی برای انجام مدل‌سازی سه بعدی فرآیند ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% در یک راکتور مونولیتی مشاهده نشده است.

پیشنهادها

در این مدل‌سازی به علت زمان‌بر بودن مدل‌سازی کل راکتور، از یک کانال به عنوان دامنه محاسباتی استفاده شده است. با این وجود در یک راکتور با تعداد زیادی کانال موازی، ممکن است رفتار یکسانی بین همه کانال‌ها وجود نداشته باشد. به عنوان مثال ممکن است دبی ورودی به هر کانال متفاوت باشد و در نتیجه رفتار یکسانی بین همه کانال‌ها وجود نداشته باشد. همچنین این کانال‌های جریان نیز می‌توانند بر روی همدیگر اثر بگذارند. به عنوان مثال دیواره‌ی جداکننده‌ی کانال‌ها، بسته به مقدار ضریب هدایت حرارتی، می‌تواند بر پروفایل دمای درون آن‌ها اثرگذار باشد. برای دستیابی به نتایج دقیق‌تر، انجام مدل‌سازی بر روی کل راکتور پیشنهاد می‌شود.همچنین دیواره هر کانال از این راکتور مونولیتی، عایق حرارت در نظر گرفته شده است. با توجه به اینکه در واقعیت، کل راکتور را معمولاً عایق حرارتی می‌کنند و امکان عایق کردن یک کانال بسیار کم است، این فرض منجر به کمی خطا می‌شود. در نتیجه بررسی اثر سایر شرایط مرزی ممکن نظیر دمای ثابت در دیواره و یا شار حرارتی ثابت بر روی دیواره توصیه می‌شود.در این مدل‌سازی، تشکیل دوده کربن بررسی نشده است. با وجود اینکه مقدار دوده معمولاً کم است، اما حضور آن بر روی سطح فعال کاتالیست، فعالیت آن را کاهش می‌دهد. نظر به اینکه اندازه‌گیری دقیق دوده تشکیل شده در راکتور از طریق آزمایش دشوار است، مدل‌سازی CFD که شامل مکانیزم‌های تشکیل دوده باشد، در تخمین مقدار دوده تشکیل شده مؤثر می‌باشد.

5-1- مقدمه………………………………………………………………………………. 77

5-1-1- پیشنهادها…………………………………………………………………….. 78

مراجع …………………………………………………………………………………….  79

 

Abstract:

With increased application of fuel cells in industary and in portable usage, necessity of developing onboard hydrogen production units is increasing. In this study, a three dimensional model is developed for a catalytic monolith reformer in which methane autothermal reforming occurs in it. Catalyst is selected to be 5% Ru-  Al2O3. In this simulation, conservation equations are solved considering reactions occurring. A single channel of the monolith reformer is selected as the computational domain. Simulation results can satisfactorily predict the experimental data in literature. Consequently, this model is used for prediction of reformer performance in other operating conditions. Investigated parameters include molar ratio of oxygen to methane (O2/CH4), molar ratio of steam to methane (H2O/CH4) and the feed gas temperature. After studying the effects of these parameters, it is understood that in the studied region, for achieving maximum hydrogen concentration, O2/CH4 and H2O/CH4 should be equal to 0.445 and 3.8, respectively. In addition, feed gas temperature should be 600 °C.



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان