پایان نامه با کلید واژگان مدل‌سازی، دمای مشاهده شده، شبیه سازی، دمای بیشینه

و با مقادیر ثابت تعادل که از جدول ۳-۳ در دماهای یکسان بدست آمده است مقایسه شد. درصد خطای نسبی برای ثابت تعادلی که از این دو روش محاسبه شده است کمتر از ۴% بدست آمد. در نتیجه Hi برای واکنش دوم در تمام شبیه سازی ها برابرK 26285 درنظر گرفته شد.
رابطه سرعت پیش‌فرض در نرم‌افزار FLUENT، به شکل یک رابطه توانی است. برای در نظر گرفتن واکنش‌های ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست ۵% که دارای روابط سرعت غیر آرنیوسی هستند، از برنامه‌نویسی در محیط C++ استفاده شده است. این برنامه قابلیت استفاده برای روابط سرعت مشابه را دارد.
نتیجه‌گیری
در این فصل مشخصات راکتور مونولیتی مورد استفاده و نیز فرضیات حاکم بر مدل‌سازی ارائه شد. در ادامه نیز معادلات پیوستگی، ممنتوم، انرژی و بقای گونه‌های شیمیایی آورده شد. همچنین روابط سینتیکی و ضرایب آن‌ها برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست ۵% ارائه شد. این معادلات به کمک نرم‌افزار FLUENT حل شده است و نتایج آن با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شده است.
نتایج و بحث
مقدمه
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 ۵% 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 ۳ اشاره شد، در این مدل‌سازی تنها یک کانال مدل‌سازی شده است.
مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
برای بررسی صحت مدل‌سازی از دو دسته از داده‌های آزمایشگاهی گزارش شده توسط Rabe ]33[ و همکاران استفاده شده است. با فرض اینکه ارزش حرارتی پایین متان kJ/mol 7/802 باشد، شرایط آزمایشگاهی این داده‌ها شامل ترکیب درصد گاز در ورودی راکتور، دبی خوراک ورودی به یک کانال، شرایط دما و فشار گاز ورودی مطابق جدول (۴-۱) می‌باشد.
جدول (‏۴۱)- مشخصات خوراک ورودی به راکتور در کار آزمایشگاهی ]۳۳[
کار آزمایشگاهی (۲)
کار آزمایشگاهی (۱)
۹/۲
۹/۲
نسبت مولی H2O/C
۴۴۵/۰
۴۴۵/۰
نسبت مولی O2/C
۹۷/۰
۰۹/۱
توان حرارتی ورودی (kW) 24
۴۰/۱۹
۴۰/۱۹
ترکیب درصد مولی متان
۳۴/۶۳
۳۴/۶۳
ترکیب درصد مولی بخارآب
۲۶/۱۷
۲۶/۱۷
ترکیب درصد اکسیژن
۷-۱۰ * ۶۷/۱
۷-۱۰ * ۸۷/۱
دبی خوراک ورودی به یک کانال (kg/s)
۵۶/۴۷
۸۵/۵۴
دبی حجمی خوراک ورودی به یک کانال (ml/min)
۵۰۰
۵۰۰
دما (C )
۱/۲
۱/۲
فشار (bar)
با توجه به اینکه تنها اطلاعات گزارش شده توسط Rabe ]33[ و همکاران، ترکیب درصد خروجی از راکتور بر مبنای خشک (بدون آب) و پروفایل دمای درون آن می‌باشد، در جداول (۴-۲) و (۳-۴) داده‌های گزارش شده از کار آزمایشگاهی با داده‌های حاصل از مدل‌سازی ارائه و مقایسه ‌شده است. در دو جدول فوق، خطا بصورت زیر تعریف می‌شود:
جدول (‏۴۲)- مقایسه نتایج حاصل از مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی در شرایط توان حرارتی kW 09/1 ]33[
میزان خطا (۱)
مدل‌سازی (۱)
کار آزمایشگاهی (۱)
۴۵/۱۳%
۹۹/۲۰
۵/۱۸
ترکیب درصد خشک
CO2 در خروجی
۴۰%
۱۲/۳
۲/۵
ترکیب درصد خشک
CO در خروجی
۸۵/۱۵
۷۹/۵۴
۴/۶۵
ترکیب درصد خشک
H2 در خروجی
جدول (‏۴۳)- مقایسه نتایج حاصل از مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی در شرایط توان حرارتی kW 97/0 ]33[
میزان خطا (۲)
مدل‌سازی (۲)
کار آزمایشگاهی (۲)
۰۲/۴ %
۳۸/۱۹
۶/۱۸
ترکیب درصد خشک
CO2 در خروجی
۸۰/۲۳ %
۲۰/۴
۲/۵
ترکیب درصد خشک
CO در خروجی
۳۳/۱۱ %
۳۳/۵۶
۶۵
ترکیب درصد خشک
H2 در خروجی
بنا به آنالیز CFD، ترکیب درصد مولی متوسط برای H2، CO و CO2 در ناحیه ابتدایی راکتور سریعاً افزایش می‌یابد (شکل ۴-۱). در ادامه راکتور، ترکیب درصد مولی H2 و CO2 با سرعت کمتری افزایش می‌یابد و ترکیب درصد مولی CO به میزان کمی کاهش می‌یابد.
شکل( ‏۴۱)- پروفایل غلظت گونه‌های شیمیایی حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (۱)- توان حرارتی kW 09/1
به علت تغییرات سریع در غلظت گونه‌های شیمیایی در ابتدای راکتور، در شکل (۴-۲) پروفایل غلظت اجزاء در mm 5/2 ابتدایی کانال برای حالتی که توان حرارتی ورودی kW 09/1 باشد، نشان داده شده است. برای حالات دیگر هم روند مشابه‌ای دیده می‌شود.
شکل (‏۴۲)- پروفایل غلظت اجزاء در ۵/۲ میلی‌متر ابتدایی کانال (الف): بخارآب (ب): متان، اکسیژن، دی‌اکسیدکربن و هیدروژن (ج) مونواکسید کربن (توان حرارتی ورودی kW 09/1)
شکل (۴-۳) و (۴-۴) نیز مقایسه بین پروفایل دما در طول راکتور را برای داده‌های آزمایشگاهی و مدل‌سازی CFD برای دو شرایط آزمایشگاهی مورد استفاده، ارائه می‌دهند.
شکل (‏۴۳)- پروفایل دمای حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (۱)- توان حرارتی kW 09/1 ]33[
شکل (‏۴۴)- پروفایل دمای حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (۲)- توان حرارتی kW 97/0 ]33[
بنا به نتایج CFD، دما در فاصله بسیار کمی از ابتدای ناحیه مونولیتی اول به بیشینه مقدار خود می‌رسد و سپس شروع به کاهش می‌کند. افزایش شدید دما در ابتدای راکتور به علت واکنش‌ احتراق متان است و کاهش دمای متعاقب آن، ناشی از واکنش‌های گرماگیر ریفرمینگ است. دمای حاصل از مدل‌سازی کمی بیشتر از دمای کار آزمایشگاهی است؛ اما درصد خطای این مدل‌سازی در ابتدای راکتور که واکنش احتراق در آن صورت می‌گیرد کمتر از ۲۴% و در ادامه راکتور که واکنش‌های گرماگیر ریفرمینگ با بخارآب صورت می‌گیرند، کمتر از ۷% است (برای توان حرارتی ورودی kW 09/1(. همچنین موقعیت دمای بیشینه در ابتدای راکتور در نتایج مدل‌سازی و کار آزمایشگاهی متفاوت است. در توجیه این خطا باید اشاره کرد که Rabe ]33[ و همکاران در مقاله خود گزارش کردند که در راکتور مورد استفاده آن‌ها، ترموکوپلی استفاده شده است که خود هادی حرارتی خوبی می‌باشد و اظهار نمودند که این ترموکوپل، نمی‌تواند پروفایل دمای واقعی گاز را به‌ خوبی نمایش دهد و پروفایل دمای ثبت شده در ترموکوپل پهن‌تر از آنچه درون راکتور اتفاق می‌افتد را نشان می‌دهد. همچنین آن‌ها در مقاله خود به این نکته اشاره کردند که بر خلاف نتایج ثبت شده برای دما در فواصل ابتدایی راکتور، این تغییرات دمایی بصورت خطی نمی‌باشد و دما در ابتدی راکتور به سرعت افزایش می‌یابد. با در نظر گرفتن این موارد، خطای مشاهده شده در مورد پروفایل دما قابل قبول به نظر می‌رسد.
همان‌طور که نتایج ترکیب درصد خشک گاز خروجی و نیز پروفایل‌های دما و غلظت‌های گونه‌های شیمیایی نشان‌ می‌دهند، داده‌های حاصل از مدل‌سازی با خطای قابل قبولی با داده‌های آزمایشگاهی مطابقت دارد. بنابراین از این مدل‌سازی برای بررسی تأثیر پارامترهای دیگر بر روی عملکرد راکتور استفاده می‌شود.
اثر میزان اکسیژن ورودی
همان‌طور که پیش از این اشاره شد، فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا ترکیب فرآیندهای ریفرمینگ با بخار آب و اکسایش است. بنابراین میزان اکسیژن ورودی به راکتور، روی عملکرد راکتور تأثیر گذار است. با توجه به اینکه، Rabe ]33[ و همکاران، نحوه تأثیر اکسیژن ورودی به راکتور را تنها بر روی میزان تبدیل متان و پروفایل دمای مشاهده شده در راکتور بررسی کردند، در این بخش به بررسی اثر اکسیژن ورودی بر روی پروفایل غلظت گونه‌های شیمیایی و پروفایل دمای درون راکتور پرداخته ‌شده است.
در این تحقیق میزان اکسیژن ورودی به راکتور که بصورت نسبت مولی اکسیژن به متان (O2/CH4) بیان می‌شود، از ۳۴۵/۰ تا ۴۴۵/۰ تغییر داده شده است. بقیه شرایط عملیاتی نظیر حالت اول از جدول (۴-۱) است. بدیهی است که دبی خوراک ورودی به راکتور و نیز ترکیب درصد گونه‌های شیمیایی در ورودی راکتور متناظر با نسبت O2/CH4، تغییر می‌کنند.
شکل (۴-۵) تا (۴-۸) پروفایل غلظت H2، CO، CO2 و CH4 در طول راکتور و شکل (۴-۹) میزان تبدیل متان را به ازای تغییر نسبت O2/CH4 از ۳۴۵/۰ تا ۴۴۵/۰ نشان داده است. در شکل (۴-۱۰) نیز پروفایل دمای متناظر با این تغییرات نمایش داده شده است.
شکل (‏۴۵)- پروفایل غلظت هیدروژن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1)
شکل (‏۴۶) – پروفایل غلظت مونو‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ = H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1)
شکل (‏۴۷) – پروفایل غلظت دی‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1)
شکل (‏۴۸)- پروفایل غلظت متان در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1)
شکل (‏۴۹)- اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی بر روی میزان تبدیل متان (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1)
شکل (‏۴۱۰)- پروفایل دما در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1)
همان‌طور که از شکل (۴-۸) و (۴-۹) مشاهده می‌شود، با افزایش میزان اکسیژن ورودی به راکتور، متان بیشتری در راکتور مصرف می‌شود و میزان تبدیل متان بیشتر می‌شود. با توجه به اینکه توان حرارتی ورودی در این بررسی‌ها ثابت فرض شده است (kW 09/1)، میزان متان ورودی به راکتور ثابت است. در نتیجه با افزایش میزان اکسیژن ورودی به راکتور، اکسیژن بیشتری در اختیار واکنش اکسایش قرار می‌گیرد و در نتیجه متان بیشتری هم مصرف می‌شود. در نتیجه دمای عملیاتی درون راکتور نیز بیشتر می‌شود (شکل ۴-۱۰). همچنین با افزایش میزان اکسیژن ورودی به راکتور، میزان هیدروژن تولیدی نیز بیشتر می‌شود (شکل ۴-۵). این اثر ناشی از آن است که در نسبت O2/CH4 بالاتر، حرارت تولید شده از واکنش اکسایش، بیشتر است که در نتیجه می‌تواند باعث پیشرفت بیشتر واکنش‌های گرماگیر ریفرمینگ و گرادیان دمایی بیشتر شود. با توجه به آنکه هیدروژن در دو واکنش ریفرمینگ با بخار آب و واکنش شیفت آب – گاز تولید می‌شود، روند غلظت هیدروژن در تمام طول راکتور، افزایشی است.
همچنین با پیشرفت واکنش‌های ریفرمینگ، میزان CO تولیدی نیز افزایش می‌یابد. از طرفی با

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

دیدگاهتان را بنویسید