پایان نامه با کلید واژگان مدل‌سازی، وسیله نقلیه، محیط زیست

دانشکده مهندسی شیمی
تاریخ:
امضا:
تقدیم به:
پدر و مادر مهربانم که همواره پشتیبان محکمی برایم بودند و همسر دلسوز و صبورم که بسیار در انجام این پروژه مرا یاری کرد. .
تشکر و قدردانی:
با سپاس از پروردگار هستی که هر چه داریم از اوست و با سپاس و قدردانی از اساتید ارجمند:
سرکار خانم دکتر روشن‌ضمیر
و
جناب آقای دکتر ایکانی
که با راهنمایی‌های سازنده و بی‌دریغ خود اینجانب را در طول انجام این تحقیق بهره‌مند ساختند.
همچنین از سازمان بهینه‌سازی مصرف سوخت به جهت حمایت مالی در طول این تحقیق تشکر و قدردانی می‌شود.
چکیده
با افزایش کاربرد پیل‌های سوختی در صنعت و به صورت کاربرد در محل، نیاز به توسعه واحدهای تولید در محل هیدروژن وجود دارد. در این تحقیق یک ریفرمر کاتالیستی مونولیتی که در آن فرآیند ریفرمینگ خودگرمازای متان صورت می‌گیرد، بصورت سه بعدی مدل‌سازی می‌شود. کاتالیست مورد استفاده در این مدل‌سازی، ۵% می‌باشد. این مدل‌سازی شامل حل هم‌زمان معادلات بقاء می‌باشد که در آن واکنش‌های صورت گرفته نیز اثر داده می‌شود. یک کانال از این راکتور مونولیتی به عنوان دامنه محاسباتی استفاده شده است. نتایج حاصل از این مدل‌سازی‌ تطابق خوبی با داده‌های آزمایشگاهی موجود در منابع دارد. از این مدل برای تخمین عملکرد ریفرمر در سایر شرایط عملیاتی استفاده شده است. پارامترهای مورد بررسی شامل نسبت مولی اکسیژن به متان ورودی (O2/CH4)، نسبت مولی بخارآب به متان ورودی (H2O/CH4) و دمای گاز ورودی به ریفرمر می باشد. در نهایت بعد از بررسی اثر پارامترهای ذکر شده، این نتیجه حاصل شد که برای دستیابی به بیشینه مقدار هیدروژن در محدوده مورد بررسی از نظر پارامترهای عملیاتی، باید نسبت‌های مولی O2/CH4 و H2O/CH4 ورودی به راکتور را بترتیب ۴۴۵/۰ و ۸/۳ انتخاب کرد. همچنین دمای گاز ورودی به راکتور نیز باید C 600 باشد.
واژه‌های کلیدی: هیدروژن، ریفرمینگ خودگرمازا، متان، راکتور مونولیتی
فهرست مطالب
فصل ۱: مقدمه ۱
۱-۱- مقدمه ۲
فصل ۲: مروری بر پیشینه تحقیق ۶
۲-۱- مقدمه ۷
۲-۲- ریفرمینگ هیدروکربن‌ها ۷
۲-۲-۱- ریفرمینگ با بخار آب ۷
۲-۲-۲- ریفرمینگ اکسایش جزئی ۹
۲-۲-۳- ریفرمینگ خودگرمازا ۱۱
۲-۳- مکانیزم واکنش برای ریفرمینگ متان ۱۲
۲-۳-۱- مدلهای سینتیکی برای ریفرمنیگ متان ۱۴
۲-۳-۲- مدلهای سینتیکی برای احتراق متان ۱۸
۲-۳-۳- مدلهای سینتیکی برای واکنش شیفت آب- گاز ۲۰
۲-۴- راکتورهای مورد استفاده برای فرآیند ریفرمینگ ۲۱
۲-۵- مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی ۲۲
۲-۶- نتیجه گیری ۳۳
فصل ۳: ارائه‌ی مدل‌سازی ۳۴
۳-۱- مقدمه ۳۵
۳-۲- مشخصات راکتور مونولیتی مدل‌سازی شده ۳۵
۳-۳- فرضیات و معادلات استفاده شده در مدل‌سازی ۳۷
۳-۳-۱- مدل‌سازی مکانیزم واکنش ۴۳
۳-۳-۲- روابط سینتیکی برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست روتنیم ۴۴
۳-۴- نتیجه‌گیری ۴۷
فصل ۴: نتایج و بحث ۴۹
۴-۱- مقدمه ۵۰
۴-۲- بررسی صحت مدل‌سازی ۵۰
۴-۱-۱- مقایسه با نتایج آزمایشگاهی ۵۰
۴-۳- اثر میزان اکسیژن ورودی ۵۷
۴-۴- اثر میزان بخار‌آب ورودی ۶۲
۴-۵- بررسی اثر دمای گاز ورودی ۶۹
۴-۶- نتیجه‌گیری ۷۵
فصل ۵: جمع‌بندی و پیشنهادات ۷۶
۵-۱- مقدمه ۷۷
۵-۱-۱- پیشنهادها ۷۸
مراجع ۷۹
پیوست ۹۰
فهرست اشکال
شکل (‏۲۱)- نمایی از یک راکتور مونولیتی ۲۱
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 ۳۱
شکل (‏۲۳): بازده ریفرمینگ بر مبنای هبدروژن و گاز سنتز در اثر تغییر توان حرارتی ورودی ۳۲
شکل (‏۳۱)- راکتور استفاده شده توسط Rabe ۳۶
شکل (‏۳۲)- سطح مش‌بندی شده هندسه مورد استفاده در مدل‌سازی ۳۷
شکل( ‏۴۱)- پروفایل غلظت گونه‌های شیمیایی حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (۱)- توان حرارتی kW 09/1 ۵۳
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) ۵۴
شکل (‏۴۳)- پروفایل دمای حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (۱)- توان حرارتی kW 09/1 ۵۵
شکل (‏۴۴)- پروفایل دمای حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (۲)- توان حرارتی kW 97/0 ۵۵
شکل (‏۴۵)- پروفایل غلظت هیدروژن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۵۸
شکل (‏۴۶) – پروفایل غلظت مونو‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ = H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۵۹
شکل (‏۴۷) – پروفایل غلظت دی‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۵۹
شکل (‏۴۸)- پروفایل غلظت متان در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۰
شکل (‏۴۹)- اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی بر روی میزان تبدیل متان (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۰
شکل (‏۴۱۰)- پروفایل دما در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۹/۲ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۱
شکل (‏۴۱۱)- پروفایل غلظت هیدروژن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۸/۳ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۳
شکل (‏۴۱۲)- پروفایل غلظت مونو‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۸/۳ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۴
شکل (‏۴۱۳)- پروفایل غلظت دی‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۸/۳ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۴
شکل (‏۴۱۴)- پروفایل غلظت متان در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۸/۳ = H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۵
شکل (‏۴۱۵)- اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی بر روی میزان تبدیل متان (۸/۳ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۶
شکل (‏۴۱۶)- پروفایل دما در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (۸/۳ =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) ۶۶
شکل (‏۴۱۷)- تأثیر افزایش بخارآب بر روی ترکیب درصد متان خروجی از راکتور ۶۸
شکل (‏۴۱۸)- اثر دمای گاز ورودی بر روی ترکیب درصد متان خروجی از راکتور ۷۰
شکل (‏۴۱۹)- اثر دمای گاز ورودی بر روی ترکیب درصد هیدروژن خروجی از راکتور ۷۱
شکل (‏۴۲۰)- اثر دمای گاز ورودی بر روی ترکیب درصد مونواکسید کربن خروجی از راکتور ۷۱
شکل (‏۴۲۱)- اثر دمای گاز ورودی بر روی پروفایل دمای درون راکتور ۷۲
شکل (‏۴۲۲)- اثر دمای C 450 در ورودی راکتور بر روی کانتور دمای درون آن ۷۳
شکل (‏۴۲۳)- اثر دمای C 500 در ورودی راکتور بر روی کانتور دمای درون آن ۷۴
شکل (‏۴۲۴)- اثر دمای C 550 در ورودی راکتور بر روی کانتور دمای درون آن ۷۴
شکل (‏۴۲۵)- اثر دمای C 600 در ورودی راکتور بر روی کانتور دمای درون آن ۷۵
فهرست جداول
جدول (‏۳۱)- پارامترهای سینتیکی برای کاتالیست ۵% (انرژی اکتیواسیون بر حسب kJ/kmol) ۴۵
جدول (‏۳۲)- ثوابت جذب مواد برای فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا ۴۶
جدول (‏۳۳)- ثوابت تعادلی برای فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا ۴۷
جدول (‏۴۱)- مشخصات خوراک ورودی به راکتور در کار آزمایشگاهی ۵۱
جدول (‏۴۲)- مقایسه نتایج حاصل از مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی در شرایط توان حرارتی kW 09/1 ۵۲
جدول (‏۴۳)- مقایسه نتایج حاصل از مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی در شرایط توان حرارتی kW 97/0 ۵۲
جدول (‏۴۴)- تأثیر افزایش بخارآب بر روی yield هیدروژن (%) ۶۷
جدول (‏۴۵)- تأثیر افزایش بخارآب بر روی yield مونواکسیدکربن (%) ۶۷
جدول (‏۴۶)- تأثیر افزایش بخارآب بر روی yield دی‌اکسیدکربن (%) ۶۸
مقدمه
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

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

دیدگاهتان را بنویسید