پایان نامه با کلید واژگان مدل‌سازی، دمای مشاهده شده

توضیح دادند. آن ها به این نتیجه رسیدند که درصد تبدیل متان و انتخاب‌پذیری گاز سنتز با افزایش دما، افزایش می‌یابد. همچنین افزایش فشار راکتور، درصد تبدیل متان را کاهش می‌دهد؛ درحالیکه انتخاب‌پذیری گاز سنتز تنها کمی کاهش می‌یابد.
Ding ]29[ و همکاران با کمک مدل‌سازی CFD به بررسی احتراق جزئی متان بر روی مونولیت با پوشش رودیم پرداختند. در این مدل‌سازی دو بعدی، اثرات انتقال حرارت هدایتی از دیواره، قطر کانال و سطح ویژه کاتالیستی بر روی عملکرد راکتور در نظر گرفته شده است و بر مبنای نتایج حاصل از مدل‌سازی، روش‌هایی برای کاهش بیشینه دمای دیواره – بدون آنکه درصد تبدیل متان و انتخاب‌پذیری گاز سنتز کاهش قابل توجهی یابد- پیشنهاد دادند. آن‌ها گزارش کردند که بیشینه دمای دیواره، با افزایش هدایت حرارتی دیواره از صفر تا W/m.K 180، K 300- 400 کاهش می‌یابد؛ بدون آنکه درصد تبدیل متان کاهش قابل توجهی داشته باشد. در مقابل نسبت کم از C/O منجر به درصد تبدیل بالای CH4 می‌شود. بنابراین استفاده از دیواره با هدایت حرارتی بالا در کنار استفاده از نسبت کم از C/O، می‌تواند درصد تبدیل مناسب متان را همراه با دمای دیواره کمتر به ارمغان بیاورد که برای پایداری کاتالیست مناسب می‌باشد. همچنین آن‌ها گزارش کردند که در مقدار سطح ویژه ثابت کاتالیست، بیشینه دمای دیواره با افزایش قطر کانال کمتر خواهد بود و در قطر کانال ثابت، سطح ویژه بالای کاتالیست منجر به درصد تبدیل بالاتر متان و انتخاب‌پذیری بیشتر برای گاز سنتز و کاهش بیشینه دمای دیواره می‌شود.
Mei و همکاران ]۳۰[ یک راکتور مونولیتی فلزی استوانه‌ای را برای ریفرمینگ خودگرمازای متان برگزیدند. آن‌ها برای ترکیب دو فرآیند ریفرمینگ با بخار آب و اکسایش، راکتور را به دو بخش تقسیم کردند؛ بخش درونی راکتور و بخش حلقوی بین دیواره خارجی راکتور و بخش درونی. مواد ورودی به راکتور برای هر فرآیند از بخش‌های جداگانه وارد راکتور می‌شود. فرض شده است که فرآیند ریفرمینگ با بخارآب و احتراق کاتالیستی متان بترتیب بر روی Ni/MgAl2O3 و Pd/Al2O3 صورت می‌گیرد. واکنش‌های در نظر گرفته شده در این مدل‌سازی، واکنش‌های (۲-۹) تا (۲-۱۲) می‌باشند.
آن‌ها برای جلوگیری از اتلاف حرارتی، مخلوط گازی برای واکنش احتراق (مخلوط متان/هوا) را از بخش درونی راکتور و مخلوط مواد واکنش‌دهنده برای واکنش ریفرمینگ بخار (مخلوط متان و بخار آب به همراه کمی CO2، H2 و N2) را از بخش حلقوی شکل عبور دادند. در این مطالعه، یک مدل سه بعدی بر مبنای مدل‌سازی کل راکتور برای جریان هم‌سوی مواد واکنش‌دهنده استخراج شده است که در آن انتقال حرارت جابجایی ۱۶، موازنه جرم گاز، جریان گاز و انتقال حرارت هدایتی جامد در نظر گرفته‌ شده است. در این مدل، اثرات نسبت سرعت خوراک دو بخش، دمای ورودی، غلظت خوراک و ساختار راکتور بررسی شده است؛ هرچند که بهینه‌سازی پارامترها در این مطالعه صورت نگرفته است. برای دستیابی به توان حرارتی مورد نیاز فرآیند ریفرمینگ، نسبت سرعت‌ بالاتر بخش ریفرمینگ به احتراق، دمای ورودی بالاتر و آرایش مناسب برای توزیع کاتالیست پیشنهاد شده است.
Shi و همکاران ] [۳۱، یک مدل عددی را برای بررسی عملکرد یک ریفرمر مونولیتی کاتالیستی که در آن ریفرمینگ خودگرمازای نرمال هگزادکان ۱۷ صورت می‌گرفت توسعه دادند. در این مدل‌سازی، آن‌ها به جای مدل‌سازی کل کانال‌ها، کل راکتور را به عنوان یک محیط متخلخل در نظر گرفتند. با این فرض، محیط محاسباتی، شامل دیواره‌های جامد راکتور و فضای خالی کانال‌ها برای عبور جریان می‌باشد. در این حالت، درصدی از حجم که برای عبور جریان اختصاص می‌یابد از طریق ضریب تخلخل مشخص می‌شود. کاتالیست استفاده شده در مطالعه Shi ]31[ و همکاران شامل اکسید سریم، اکسید گادولینیوم و ۱% وزنی پلاتین بود.
آن‌ها در مطالعه خود، اثر هدایت حرارتی ماده جامدی را که راکتور از آن ساخته می‌شود مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که هدایت حرارتی ماده سازنده راکتور روی پروفایل دمای درون راکتور تأثیر می‌گذارد ولی اثر آن بر روی درصد مولی H2، CO و CO2 ناچیز است. بیشینه دمای مشاهده شده در راکتور با افزایش هدایت حرارتی از ۷۶/۲ به W/m.K 4/202 تنها C 30 کاهش یافته است. کانتورهای دما برای تغییر هدایت حرارتی از ۷۶/۲ به W/m.K 4/202 در شکل (۲-۲) نمایش داده شده است:
شکل (‏۲۲): کانتورهای دما بر روی سطح متقارن در x=0 در (a): W/m.K76/2= k، W/m.K6/27= k، W/m.K2/55= k، W/m.K4/202= k، بر حسب درجه سانتیگراد
همچنین آن‌ها اثر دبی ورودی را روی عملکرد راکتور بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که افزایش دبی ورودی به راکتور، منجر به کاهش بازده ریفرمینگ -که بصورت ارزش حرارتی هیدروژن به ارزش حرارتی سوخت مورد استفاده تعریف می‌شود- خواهد شد. این اثر در شکل (۲-۳) نمایش داده شده است. همچنین افزایش دبی ورودی به راکتور، پروفایل غلظت محصولات و پروفایل دمای درون راکتور را نیز تغییر داد؛ بگونه‌ای که برای دستیابی به میزان هیدروژن یکسان، طول راکتور در دبی‌های بالاتر، باید بیشتر باشد.
شکل (‏۲۳): بازده ریفرمینگ بر مبنای هبدروژن و گاز سنتز در اثر تغییر توان حرارتی ورودی
Liu ]32[ و همکاران راکتور مونولیتی را طراحی کردند که میزان انتقال جرم در آن بیشتر می‌باشد. آن‌ها برای دستیابی به انتقال جرم بهتر، یک ماده‌ی متخلخل با هدایت حرارتی بالا را روی دیواره داخلی پایه مونولیتی قرار دادند. در واقع در کانال راکتور مونولیتی مورد مطالعه، دو لایه استفاده شده است. یک لایه پایه فلزی است که راکتور از آن ساخته می‌شود و لایه دیگر، فلزی است که بر روی پایه نشانده می‌شود. این نوع طراحی مزایای زیر را دارد: (۱) هدایت حرارتی بالای ماده‌ی سازنده راکتور انتقال حرارت شعاعی بین کانال‌ها را مؤثرتر می‌کند (۲) لایه دوم شامل ذرات فعال کاتالیستی می‌باشد (۳) این طراحی می‌تواند انتقال جرم خارجی و نفوذ درون لایه دوم را مؤثرتر کند.
آن‌ها برای بررسی راکتور طراحی شده، احتراق کاتالیستی متان را به عنوان واکنش انتخاب کردند و یک رابطه سرعت درجه اول برای واکنش درون لایه متخلخل و دیواره جامد را استفاده کردند. آن‌ها دو مجموعه معادله‌ی ۲ بعدی را برای بالک گاز و ماده جامد متخلخل در نظر گرفتند که این معادلات شامل معادلات ممنتوم، حرارت و انتقال جرم بود. بعد از حل این معادلات آن‌ها به نتایج زیر رسیدند: (۱) با این طراحی، سطح ویژه‌ی بیشتری برای واکنش فراهم می‌شود. همچنین آن‌ها از مدل‌سازی خود متوجه شدند که انتقال جرم بین بالک گاز و ماده جامد متخلخل در این نوع طراحی به علت کاهش مقاومت خارجی فیلم بین بالک و لایه کاتالیست، افزایش می‌یابد. (۲) اثرات دمای گاز ورودی، غلظت ورودی متان و سرعت ورودی مخلوط گازی بر روی انتقال جرم خارجی این کانال دو لایه ناچیز است.
نتیجه گیری
همان‌طور که مشاهده شد بسیاری از تحقیقات صورت گرفته برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست‌های مرسوم صورت گرفته است. در این تحقیق به بررسی عملکرد فرآیند ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست ۵% در یک راکتور مونولیتی کاتالیستی پرداخته می‌شود. علاوه بر این در بسیاری از تحقیقات صورت گرفته از هوا برای فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا استفاده شده است. با توجه به اینکه حضور نیتروژن موجب رقیق شدن محصولات می‌شود، در این مدل‌سازی از اکسیژن خالص استفاده شده است. در نهایت نتایج حاصل از مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی صورت گرفته توسط Rabe ]33[ و همکاران مقایسه شده است و اثر دمای گاز ورودی به راکتور و غلظت اکسیژن و بخارآب ورودی مورد بررسی قرار گرفته است.
ارائه‌ی مدل‌سازی
مقدمه
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.
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، ۵% 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 18 است که با درنظر گرفتن قطر راکتور مونولیتی، حدود ۵۹۷ 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 ˚ ۲۷۵ پیش‌گرم می‌شود. اکسیژن نیز در دمای اتاق وارد راکتور می‌شود. برای شروع آزمایش، راکتور تا دمای احتراق کاتالیستی خوراک ورودی (حدود C ˚ ۵۰۰) توسط یک گرم‌کن ۱۹، گرم می‌شود و بعد از احتراق واکنش، گرم کردن خارجی راکتور قطع می‌گردد. نمایی از این راکتور در شکل (۳-۱) نشان داده شده است.
شکل (‏۳۱)- راکتور استفاده شده توسط Rabe ]33[
از 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

این نوشته در No category ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید