پایان نامه با کلید واژگان مدل‌سازی، دمای بیشینه، نویسندگان، دینامیکی

راکتورهای مونولیتی
Veser و همکاران ]۲۰[ اکسایش کاتالیستی متان را بر روی کاتالیست پلاتین در یک راکتور مونولیتی بصورت یک بعدی مدل‌سازی کردند. مدل آن‌ها تنها شامل موازنه جرم و انرژی برای فاز گاز و کاتالیست مونولیتی بود. آن‌ها در بررسی خود فقط واکنش صورت گرفته در سطح کاتالیست را در نظر گرفتند. مکانیزم واکنش در نظر گرفته شامل جذب و دفع شش گونه‌ی CH4، O2، CO، CO2، H2 و H2O بود. عملکرد راکتور در مطالعه صورت گرفته بیشتر تحت تأثیر دمای واکنش و دبی گاز بود. قابل ذکر است که تخمین آن‌ها از yield هیدروژن و مونواکسید کربن با داده‌های تجربی تطابق خوبی نداشتند. این شرایط عدم تطابق در حالتی که دمای گاز ورودی زیاد باشد، بیشتر بود.
Canuو همکاران ]۲۱[ احتراق کاتالیستی متان را بر روی پلاتین در یک راکتور مونولیتی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مدل‌سازی کردند. معادلات موازنه جرم، انرژی و ممنتوم در این کار تحقیقاتی به کمک نرم‌افزار CFX حل شده اند. در بررسی آن‌ها مشخص شد که واکنش فاز گاز تأثیر کمی روی درصد تبدیل متان دارد. در نتیجه آن‌ها واکنش‌ها را روی سطح کاتالیست در نظر گرفتند. به علت آنکه نسبت حجمی O2 به CH4 حدود ۳/۵ بود، آن‌ها واکنش احتراق کامل را در نظر گرفتند.
Ghadrdan و همکاران ]۲۲[ یک مدل دو بعدی را برای احتراق کاتالیستی متان درون یک کانال راکتور مونولیتی بررسی کردند. آن‌ها مدل‌سازی خود را با مدل تجربی مقایسه نکردند و تنها به بررسی اثر پارامترهای مختلف نظیر دمای گاز ورودی، سرعت و غلظت آن بر روی عدد ناسلت پرداختند؛ با این وجود نویسندگان مقاله تأکید کردند که نتایج از نظر تئوری درست است. آن‌ها همچنین در مقاله خود ذکر کردند که شرط مرزی دما ثابت و فلاکس حرارتی ثابت به درستی بیانگر شرط مرزی واقعی روی دیواره نمی‌باشد.
Stutz و همکاران ]۲۳[ معادلات موازنه جرم، انرژی و ممنتوم را برای جریان سیال درون یک کانال یک راکتور مونولیتی و با فرض دیواره آدیاباتیک کردند کردند. آن‌ها برای مدل‌سازی واکنش شیمیایی، ۳۸ واکنش سطحی را با در نظر گرفتن ۷ گونه گازی شکل و ۱۲ جزء جذب شده به سطح ۸ در نظر گرفتند. کاتالیست استفاده شده در این تحقیق رودیم (Rh) بود.
معادله پیوستگی و موازنه جرم برای هر گونه شیمیایی به صورت زیر تعریف شده است:
معادله (‏۲۴۳)
معادله (‏۲۴۴)
معادله موازنه ممنتوم با صرفنظر از نیروهای حجمی بصورت زیر می‌باشد:
معادله (‏۲۴۵)
تنسور تنش برشی برای سیال نیوتنی با صرفنظر کردن از ویسکوزیته بالک ۹ بصورت زیر تعریف شده است:
معادله (‏۲۴۶)
معادله موازنه انرژی استفاده شده در حالت پایا و با صرفنظر از نیروهای حجمی و اتلاف حرارتی ناشی از ویسکوزیته بصورت معادله (۲-۴۶) می‌باشد:
معادله (‏۲۴۷)
پارامترهای استفاده شده در مدل‌سازی، در مرجع ]۲۳[ ارائه شده‌اند.
مدل‌سازی صورت گرفته در این مطالعه دو بعدی بود. آن‌ها دو مدل را توسعه دادند؛ مدل اول، مدل دیواره عایق (ICM)10 بود که فقط جریان داخل کانال را در نظر می‌گرفت و مدل دوم، مدلی بود که علاوه بر جریان داخل لوله، هدایت حرارتی از دیواره را نیز در نظر می‌گرفت (CWM)11.
آن‌ها در این مطالعه، اثر تغییر در هدایت حرارتی دیواره راکتور و تغییر در ترکیب درصد گاز ورودی را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که هرچه هدایت حرارتی دیواره کمتر باشد، دمای بیشینه برای دمای دیواره و نیز بیشینه دمای متوسط گاز، بیشتر می‌باشد. در ابتدای راکتور، تولید هیدروژن در هدایت حرارتی کمتر، بیشتر است ولی در ادامه‌ی راکتور، حرارت انتقال یافته از دیواره، واکنش ریفرمینگ با بخار آب را که تولید هیدروژن می‌کند تقویت می‌کند. در نتیجه هرچقدر که هدایت حرارتی افزایش می‌یابد، تولید هیدروژن در نواحی انتهایی راکتور افزایش می‌یابد. همچنین بیشترین درصد تبدیل متان درصورتی حاصل می‌شود که دیواره کانال هادی حرارت نباشد. درصورتی‌که دیواره کانال هادی حرارت باشد، درصد تبدیل متان در بیشترین حالت، ۱۶% کاهش می‌یابد. آن‌ها Yield هیدروژن و نسبت اکی‌والان۱۲ را که بصورت زیر تعریف می‌شود در حالت‌های مختلف بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که Yield هیدروژن برای هدایت حرارتیk=0.0276 W m-1 K-1 و ۸/۰ = بیشترین است و با افزایش هدایت حرارتی، Yield هیدروژن در بیشترین حالت، ۲۰% کاهش می‌یابد. هرچه نسبت اکی‌والان کمتر باشد، دمای خروجی راکتور بیشتر می‌شود. همچنین آن‌ها مشاهده کردند که در نسبت اکی‌والان کمتر، درصد تبدیل متان در هدایت حرارتی ثابت دیواره بیشتر است.
(هیدروژن Yield)
معادله (‏۲۴۸)
(نسبت اکی‌والان)
معادله (‏۲۴۹)
Chaniotis و همکاران۲۴] [ از واکنش اکسایش جزئی متان برای تولید هیدروژن درون یک کانال یک راکتور مونولیتی استفاده کردند. کانال در نظر گرفته شده mm 1 قطر و mm 10 طول داشت. سطح داخلی کانال با کاتالیست Rh پوشانیده شده بود. گاز ورودی، مخلوط متان و هوا بود که توسط نسبت اکی‌والان، ترکیب درصد گاز ورودی به راکتور مشخص می‌شد. آن‌ها در مطالعه خود ضخامت دیواره راکتور را ناچیز گرفتند و از هدایت حرارتی در جهت شعاعی صرفنظر کردند. در نتیجه آن‌ها شرایط آدیاباتیک را برای شرایط مرزی خود در نظر گرفتند.
آن‌ها در مدل‌سازی خود دو مدل را برای بررسی دمای راکتور، تشکیل دوده، درصد تبدیل متان و yield هیدروژن انتخاب کردند؛ مدل راکتور کاملاً درهم آمیخته (SPSR) 13 و مدل ناویر- استوکس ۱۴. مدل SPSR بر این فرض استوار است که اختلاط مواد واکنش‌دهنده بقدری کامل است که تبدیل واکنش‌دهنده‌ها به محصولات از طریق سرعت‌های واکنش‌های شیمیایی تعیین می‌شوند تا از طریق نفوذ، جابجایی یا سایر مکانیزم‌های انتقال. آن‌ها برای بررسی صحت نتایج حاصل از مدل SPSR، از محاسبات بر مبنای معادلات ناویر- استوکس نیز سود بردند. آن‌ها معادلات ناویر- استوکس را که شامل معادلات بقای جرم، ممنتوم، انرژی و بقای گونه‌های شیمیایی بود به کمک نرم‌افزار CFD-ACE+ حل کردند. در هر دو مدل مکانیزم واکنش در نظر گرفته شده شامل ۳۸ واکنش سطحی ابتدایی بود که ۷ گونه گازی و ۱۲ گونه جذب شده در سطح را در بر می‌گرفت و قادر بود اکسایش جزئی و کامل متان را بر روی Rh توصیف کند.
آن‌ها در بررسی‌های خود به این نتیجه رسیدند که تولید هیدروژن به شدت به نسبت اکی‌والان بستگی دارد. در محدوده نسبت اکی‌والان بین ۶/۰ تا ۱، میزان هیدروژن تولید شده بالا بوده و yield هیدروژن حدود ۷۰-۸۰% است (سرعت گاز ورودی ms-1 1 و دمای آن K 875 می‌باشد). همچنین در این محدوده، دمای عملیاتی و تشکیل دوده روی سطح کاتالیست نسبتاً کم می‌باشد.
نتایج حاصل از دو مدل ناویر استوکس و مدل SPSR برای yield هیدروژن، اختلاف کمی را نشان می‌دهد که ناشی از استفاده از مکانیزم دقیق برای واکنش‌های صورت گرفته در راکتور و نیز تخمین دقیق زمان اقامت برای مدل SPSR است.
Shi و همکاران ]۲۵[ ریفرمینگ با بخارآب ایزو‌اکتان را بر روی کاتالیست Rh در یک راکتور مونولیتی به کمک مدل‌سازی سه بعدی CFD بررسی کردند. آن‌ها عملکرد همه‌ی کانال‌ها را در راکتور مونولیتی مورد مطالعه یکسان فرض کردند و تنها یک کانال از راکتور را به عنوان دامنه محاسباتی خود برگزیدند. آن‌ها تولید هیدروژن را در سه شرایط حرارتی بررسی کردند. در حالتی که دیواره‌ی کانال در دمای ثابت در محدوده‌ی C 625-750 باشد، آن‌ها به این نتیجه رسیدند که عمده هیدروژن در یک چهارم ابتدایی راکتور تولید می‌شود. در شرایطی که دیواره‌ی کانال در شرایط آدیاباتیک باشد، افزایش سریع در تولید هیدروژن و کاهش سریع در دمای راکتور، در یک دهم ابتدایی راکتور صورت می‌گیرد؛ این نتایج در حالی است که دمای خوراک ورودی به راکتور، در محدوده C 900-600 باشد. درصورتیکه شرایط در روی دیواره به‌گونه‌ای انتخاب شود که مقداری شار حرارتی ثابت بر روی دیواره وجود داشته باشد، تولید هیدروژن در طول راکتور صورت می‌گیرد. بیشینه اختلاف دما در طول راکتور در حالت شار حرارتی ثابت- برای تولید میزان هیدروژن یکسان نسبت به شرط مرزی آدیاباتیک بر روی دیواره- بسیار کمتر است.
Hayes ]26[ و همکاران یک مدل دو بعدی از یک کانال راکتور مونولیتی را برای بررسی مقادیر اعداد ناسلت و شروود تحت شرایط وقوع واکنش توسعه دادند. آن‌ها در این مطالعه به نتایج زیر رسیدند:
اعداد ناسلت و شروود برای حالتی که واکنش شیمیایی بر روی دیواره اتفاق می‌افتد با حالتی که دمای دیواره ثابت است یا حالتی که فلاکس حرارتی ثابتی روی دیواره وجود دارد، یکسان نمی‌باشد.
یک درونیابی ساده به کمک عدد Damkohler محاسبه شده در شرایط ورودی راکتور بین مقادیر ناسلت برای حالت دمای ثابت بر روی دیواره و حالت فلاکس حرارتی ثابت، نمی‌تواند مقدار ناسلت مشاهده شده را بصورت دقیق تخمین بزند. به هنگام محاسبه‌ی مقادیر ناسلت و شروود، باید اثرات توسعه هم‌زمان لایه مرزی حرارتی، غلظت و هیدرودینامیکی را در نظر گرفت.
Di Benedetto 27] [ و همکاران رفتار حرارتی یک میکروراکتور مونولیتی – بخصوص یک میکروراکتور با سه و پنج کانال- را به کمک مدل‌سازی بررسی کردند. مدل توسعه داده شده، یک مدل دو بعدی بود و از احتراق پروپان به عنوان واکنش صورت گرفته درون راکتور استفاده کردند. آن‌ها نمودارهای پارامترهای عملیاتی را برحسب سرعت گاز ورودی رسم کردند و با نمودارهای متناظر یک کانال مقایسه کردند. آن‌ها همچنین به ازای یک دبی کلی ثابت ورودی به راکتور، دبی‌های متفاوتی را به کانال‌های میکروراکتور دارای پنج کانال تزریق کردند تا بیشترین میزان تبدیل سوخت و دانسیته توان خروجی را بدست آورند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که به علت نقش اتلافات حرارتی، رفتار ساختار دارای چند کانال از رفتار یک کانال قابل برون‌یابی نیست و باید کل میکروراکتور مونولیتی مدل‌سازی شود؛ هرچند که زمان لازم برای مدل‌سازی یک راکتور با سه و پنج کانال، بترتیب حدود سه و پنج برابر زمان لازم برای مدل‌سازی یک کانال است.
Deutschmann ]28[ و همکاران اکسایش جزئی متان بر روی کاتالیست رودیم را درون یک کانال یک راکتور مونولیتی بصورت دو بعدی مدل‌سازی کردند. آن‌ها در بررسی خود، مکانیزم واکنش پیچیده‌ای را که شامل ۱۷ واکنش ابتدایی بود برای توصیف رفتار اکسایش جزئی متان درون راکتور کاتالیستی با زمان اقامت کوتاه برگزیدند. آن‌ها متوجه شدند که در ابتدای راکتور، تغییرات سریع دما، سرعت و ضرایب انتقال اتفاق می‌افتد. آن‌ها همچنین رقابت بین واکنش‌های اکسایش کامل و جزئی متان را که مطابق آن CO2 و H2O در ناحیه ابتدایی راکتور کاتالیستی تشکیل می‌شود، به کمک میزان پوشش سطح محاسبه شده ۱۵

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

دیدگاهتان را بنویسید