پایان نامه با کلید واژگان مدل‌سازی، گاز طبیعی، حمل و نقل، دینامیکی

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 ۵% در یک راکتور مونولیتی صورت نگرفته است. هدف این تحقیق، مدل‌سازی ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست ۵% به کمک دینامیک سیالات محاسباتی است. مزیت استفاده از کاتالیست ۵% 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 ۵% 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 ۵ 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 ۵% 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 ۵% 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.
مروری بر پیشینه تحقیق
مقدمه
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.
ریفرمینگ هیدروکربن‌ها
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 ۴۸% 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 ۱۰-۱۵ سال آینده اصلی‌ترین روش تولید هیدروژن خواهد بود] [۱. پایه تئوری این فرآیند بر واکنش کلی زیر استوار است:
معادله( ‏۲۱)
در صورتیکه سوخت مورد استفاده متان باشد، این واکنش به صورت زیر می‌باشد:
معادله (‏۲۲)
گرمای واکنش در فشار bar 1 و دمای K298 است. این واکنش در دو مرحله و به صورت زیر صورت می‌پذیرد:
معادله (‏۲۳)
معادله (‏۲۴)
درطی واکنش ریفرمینگ با بخارآب، واکنش تعادلی شیفت آب- گاز۶ (WGS) نیز به عنوان یک واکنش جانبی مطابق معادله زیر به وقوع می پیوندد:
معادله (‏۲۵)
این واکنش گرمازا بوده و درنتیجه با افزایش دما، جهت واکنش تعادلی به سمت چپ تغییر می‌کند.
حضور این واکنش مفید است چرا‌که از مونو‌اکسید کربن تولید شده در فرآیند ریفرمینگ با بخار آب برای تولید هیدروژن اضافی استفاده می‌کند ]۲[.
ریفرمینگ با بخارآب به کاتالیست متداولی نظیر نیکل با پایه آلومینا، نیازمند است که برای راندمان بیشتر و جلوگیری از نشست کربن بر روی کاتالیست از بخارآب به صورت اضافه بر مقدار استوکیومتری (۲ تا ۵ برابر) استفاده می‌شود.
نسبت بالای هیدروژن تولیدی به ازای هر مول سوخت مصرفی، باعث شده است که این فرآیند به عنوان یکی از مؤثر‌ترین روش‌های تولید هیدروژن در صنعت استفاده شود. با این وجود، گرماگیر بودن این واکنش و نیاز به یک منبع حرارتی برای پیشرفت واکنش، منجر به کاهش بازدهی کلی فرآیند ریفرمینگ با بخار آب می‌شود که استفاده از این روش را برای کاربردهای در مقیاس کوچک محدود می‌کند [۳].
ریفرمینگ اکسایش جزئی
اکسایش جزئی هیدروکربن‌ها برای تولید هیدروژن فرآیندی گرمازا است و نیازی به منبع حرارتی ندارد. فرآیند POX می‌تواند کاتالیستی و یا غیرکاتالیستی باشد. ریفرمر غیرکاتالیستی مجهز به یک مشعل بوده و شروع واکنش با شعله و درون یک راکتور خالی با دیوارههای پوشش داده شده با مواد دیرگداز صورت میگیرد ] ۱[.
فرآیند غیرکاتالیستی در دمای بین K 1400 و K 1700 و فشار بین ۳۰-۷۵ بار انجام می‌شود. فرآیند کاتالیستی در دماهای بین K 850 و K 1150 انجام می‌شود ]۳[.
واکنش‌های محتمل در این فرآیند به صورت زیر است:
معادله( ‏۲۶)
معادله (‏۲۷)
فرآیند اکسایش جزئی کاتالیستی مطابق با معادله (‏۲۷) 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 جداسازی۷ 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 ۵۰ 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. [۱ و ۳].
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 ]۲[.
در حال

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

دیدگاهتان را بنویسید