پایان نامه کارشناسی ارشد مدل‌سازي ريفرمر كاتاليستي مونوليتي خودگرمازا براي توليد هيدروژن براي پيل‌هاي سوختي

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع ارشد شیمی

گرایش : ترموسینتیک

عنوان : مدل‌سازي ريفرمر كاتاليستي مونوليتي خودگرمازا  براي توليد هيدروژن براي پيل‌هاي سوختي

 دانشگاه علم و صنعت ایران

دانشكده مهندسي شيمي

مدل‌سازي ريفرمر كاتاليستي مونوليتي خودگرمازا  براي توليد هيدروژن براي پيل‌هاي سوختي

پايان‌نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد

در رشته مهندسي شيمي گرايش ترموسينتيک

استاد راهنما:

دكتر سوسن روشن‌ ضمير

ارديبهشت ماه   1390

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه  1

1-1- مقدمه. 2

فصل 2: مروري بر پيشينه تحقيق   6

2-1- مقدمه. 7

2-2- ريفرمينگ هيدروکربن‌ها 7

2-2-1- ريفرمينگ با بخار آب… 7

2-2-2- ريفرمينگ اکسايش جزئي… 9

2-2-3- ريفرمينگ خودگرمازا 11

2-3- مکانيزم واکنش براي ريفرمينگ متان.. 12

2-3-1- مدلهاي سينتيكي براي ريفرمنيگ متان.. 14

2-3-2- مدلهاي سينتيكي براي احتراق متان.. 18

2-3-3- مدلهاي سينتيكي براي واکنش شيفت آب- گاز. 20

2-4- راكتورهاي مورد استفاده براي فرآيند ريفرمينگ….. 21

2-5- مدل‌سازي‌هاي صورت گرفته براي راکتورهاي مونوليتي… 22

2-6- نتيجه گيري… 33

فصل 3: ارائه‌ي مدل‌سازي   34

3-1- مقدمه. 35

3-2- مشخصات راكتور مونوليتي مدل‌سازي شده. 35

3-3- فرضيات و معادلات استفاده شده در مدل‌سازي… 37

3-3-1- مدل‌سازي مکانيزم واکنش….. 43

3-3-2- روابط سينتيكي براي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست روتنيم  44

3-4- نتيجه‌گيري… 47

فصل 4: نتايج و بحث    49

4-1- مقدمه. 50

4-2- بررسي صحت مدل‌سازي… 50

4-1-1- مقايسه با نتايج آزمايشگاهي… 50

4-3- اثر ميزان اکسيژن ورودي… 57

4-4- اثر ميزان بخارآب ورودي… 62

4-5- بررسي اثر دماي گاز ورودي… 69

4-6- نتيجه‌گيري… 75

فصل 5: جمع‌بندي و پيشنهادات   76

5-1- مقدمه. 77

5-1-1- پيشنهادها 78

مراجع   79

پيوست                                                                                                90

 

 

فهرست اشکال

شکل (‏2‑1)-  نمايي از يك راكتور مونوليتي… 21

شکل (‏2‑2): کانتورهاي دما بر روي 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 سانتيگراد. 31

شکل (‏2‑3): بازده ريفرمينگ بر مبناي هبدروژن و گاز سنتز در اثر تغيير توان حرارتي ورودي   32

شکل (‏3‑1)- راكتور استفاده شده توسط Rabe 36

شکل (‏3‑2)- سطح مش‌بندي شده هندسه مورد استفاده در مدل‌سازي… 37

شکل( ‏4‑1)- پروفايل غلظت گونه‌هاي شيميايي حاصل از مدل‌سازي در شرايط آزمايشگاهي (1)- توان حرارتي kW 09/1. 53

شکل (‏4‑2)- پروفايل غلظت اجزاء در 5/2 ميليمتر ابتدايي کانال (الف): بخارآب (ب): متان، اکسيژن، دي‌اکسيدکربن و هيدروژن (ج) مونواکسيد کربن (توان حرارتي ورودي kW 09/1) 54

شکل (‏4‑3)- پروفايل دماي حاصل از مدل‌سازي در شرايط آزمايشگاهي (1)- توان حرارتي kW 09/1 55

شکل (‏4‑4)- پروفايل دماي حاصل از مدل‌سازي در شرايط آزمايشگاهي (2)- توان حرارتي kW 97/0 55

شکل (‏4‑5)- پروفايل غلظت هيدروژن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي  (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1) 58

شکل (‏4‑6) – پروفايل غلظت مونو‌اکسيد‌کربن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي   (9/2 = H2O /CH4  ، توان حرارتي kW 09/1) 59

شکل (‏4‑7) – پروفايل غلظت دي‌اکسيد‌کربن  در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي   (9/2 =H2O /CH4  ، توان حرارتي kW 09/1) 59

شکل (‏4‑8)- پروفايل غلظت متان در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي  (9/2 =H2O /CH4  ، توان حرارتي kW 09/1) 60

شکل (‏4‑9)- اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي بر روي ميزان تبديل متان  (9/2 =H2O /CH4  ، توان حرارتي kW 09/1) 60

شکل (‏4‑10)- پروفايل دما در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي  (9/2 =H2O /CH4  ، توان حرارتي kW 09/1) 61

شکل (‏4‑11)- پروفايل غلظت هيدروژن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي  (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1) 63

شکل (‏4‑12)-  پروفايل غلظت مونو‌اکسيد‌کربن  در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي   (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1) 64

شکل (‏4‑13)- پروفايل غلظت دي‌اکسيد‌کربن  در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي   (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1) 64

شکل (‏4‑14)- پروفايل غلظت متان در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي  (8/3 = H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1) 65

شکل (‏4‑15)- اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي بر روي ميزان تبديل متان  (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1) 66

شکل (‏4‑16)- پروفايل دما در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي  (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1) 66

شکل (‏4‑17)- تأثير افزايش بخارآب بر روي ترکيب درصد متان خروجي از راکتور. 68

شکل (‏4‑18)- اثر دماي گاز ورودي بر روي ترکيب درصد متان خروجي از راکتور. 70

شکل (‏4‑19)- اثر دماي گاز ورودي بر روي ترکيب درصد هيدروژن خروجي از راکتور. 71

شکل (‏4‑20)- اثر دماي گاز ورودي بر روي ترکيب درصد مونواکسيد کربن خروجي از راکتور 71

شکل (‏4‑21)- اثر دماي گاز ورودي بر روي پروفايل دماي درون راکتور. 72

شکل (‏4‑22)- اثر دماي °C 450 در ورودي راکتور بر روي کانتور دماي درون آن.. 73

شکل (‏4‑23)- اثر دماي °C 500 در ورودي راکتور بر روي کانتور دماي درون آن.. 74

شکل (‏4‑24)-  اثر دماي °C 550 در ورودي راکتور بر روي کانتور دماي درون آن.. 74

شکل (‏4‑25)- اثر دماي °C 600 در ورودي راکتور بر روي کانتور دماي درون آن.. 75
فهرست جداول

جدول (‏3‑1)- پارامترهاي سينتيکي براي کاتاليست 5% (انرژي اکتيواسيون بر حسب kJ/kmol) 45

جدول (‏3‑2)- ثوابت جذب مواد براي فرآيند ريفرمينگ خودگرمازا  46

جدول (‏3‑3)- ثوابت تعادلي براي فرآيند ريفرمينگ خودگرمازا  47

جدول (‏4‑1)-  مشخصات خوراک ورودي به راکتور در کار آزمايشگاهي… 51

جدول (‏4‑2)- مقايسه نتايج حاصل از مدل‌سازي با کار آزمايشگاهي در شرايط توان حرارتي kW 09/1 52

جدول (‏4‑3)- مقايسه نتايج حاصل از مدل‌سازي با کار آزمايشگاهي در شرايط توان حرارتي kW 97/0 52

جدول (‏4‑4)- تأثير افزايش بخارآب بر روي yield هيدروژن (%) 67

جدول (‏4‑5)- تأثير افزايش بخارآب بر روي yield مونواکسيدکربن (%) 67

جدول (‏4‑6)- تأثير افزايش بخارآب بر روي yield دياکسيدکربن (%) 68

 1-

  • مقدمه

 

 


1-1- مقدمه

پيل‌هاي سوختي مستقيماً انرژي شيميايي يک سوخت را به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند. پيل‌هاي سوختي، به علت دانسيته توان بالا، محصولات جانبي بي‌زيان براي محيط زيست و شارژ مجدد سريع، به عنوان يکي از تکنولوژي‌هاي نوين براي توليد انرژي در آينده و جايگزين مناسبي براي توليد انرژي از روش‌هاي مرسوم محسوب مي‌شوند. مهم‌ترين مزيت پيل‌هاي سوختي، در مقايسه با موتورهاي رفت و برگشتي و استرلينگ، امکان دستيابي به بازده بالاتر در تبديل سوخت به الکتريسيته است که به ‌ويژه در مناطق آلوده مناسب است.

براي پيل‌‌هاي سوختي، هيدروژن سوخت ارجح است. مزيت استفاده از هيدروژن در پيل سوختي به واکنش‌پذيري زياد آن براي واکنش الکتروشيميايي آند و غير آلاينده بودن آن برمي‌گردد. با اين وجود، هيدروژن به صورت يک محصول گازي در طبيعت موجود نمي‌باشد. به همين جهت بايد از آب، سوخت‌هاي فسيلي و ساير مواد با دانسيته هيدروژن بالا استفاده شود که مي‌تواند فرآيند دشوار و پرهزينه‌اي باشد. همچنين ذخيره کردن هيدروژن، بخصوص براي استفاده در وسايل نقليه و کاربردهاي خانگي، هنوز به آساني امکان‌پذير نشده است. به همين منظور استفاده از سيستم‌هاي فرآوري‌ سوخت پيشنهاد شده است تا هيدروژن موردنياز براي پيل‌هاي سوختي در محل توليد شود. استفاده از اين سيستم‌هاي فرآوري سوخت، امکان ترکيب دانسيته انرژي بالاي سوخت‌ها و دانسيته توان بالاي پيل‌ سوختي را مي‌دهد و در مجموع يک سيستم با بازده بالا را بوجود مي‌آورد. تاکنون تحقيقات زيادي براي بررسي سيستم‌هاي فرآوري سوخت بصورت کار آزمايشگاهي و مدل‌سازي صورت گرفته است.

سه روش ريفرمينگ براي توليد هيدروژن وجود دارد که شامل ريفرمينگ با بخار آب (SR)[1]، اکسايش جزئي (POX) [2] و ريفرمينگ خودگرمازا (ATR) [3] است. ريفرمينگ با بخارآب، گرماگير بوده و اکسايش جزئي يک فرآيند گرمازا مي‌باشد. واکنش‌دهنده‌ها براي ريفرمينگ خودگرمازا شامل بخارآب، اکسيژن و سوخت مي‌باشد. در واقع ريفرمينگ خودگرمازا، ترکيب ريفرمينگ با بخار آب و اکسايش جزئي مي‌باشد. ريفرمينگ خودگرمازا به علت عدم نياز به منبع حرارتي خارجي و تشکيل مقادير کمتر از دوده، روش ارجح براي استفاده در يک وسيله نقليه مي‌باشد. در اين مطالعه، با كمك ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) [4] ريفرمر خودگرمازاي متان مدل‌سازي شده است.

مهم‌ترين هدف اين تحقيق، مطالعه عددي فرآيند ريفرمينگ خودگرمازاي متان به کمک مدل‌‌سازي سه بعدي مي‌باشد. به کمک نتايج حاصل از مدل‌سازي مي‌توان تغييرات دما و غلظت اجزاء را در هر نقطه درون راکتور مورد مطالعه قرار داد. اهميت اين مدل‌سازي به تأمين اطلاعات براي طراحي سيستم‌هاي ريفرمينگ برمي‌گردد كه با كمك آن‌ها مي‌توان از مشکلاتي نظير تشکيل نقاط داغ درون راکتور که منجر به آسيب رسيدن به کاتاليست مي‌شود، جلوگيري کرد. بنابراين مدل‌سازي CFD، به بهينه‌سازي طراحي راکتور و تعيين شرايطي که منجر به بهبود بازده تبديل سوخت مي‌شود، کمک مي‌کند. همچنين زمان و هزينه لازم براي پياده‌سازي ايده‌ها و طراحي‌هاي جديد کاهش مي‌يابد.

تحقيقات زيادي براي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست‌هاي مرسوم نظير نيكل، پلاتين، پالاديم و … صورت گرفته است. در بسياري از اين تحقيقات، كاتاليست مورد استفاده براي بخش اكسايش جزئي و ريفرمنيگ با بخار آب، متفاوت است. مدل‌سازي‌هاي صورت گرفته در اين تحقيقات هم عمدتاً بر مبناي رابطه‌‌ي سرعت‌هاي واكنش بر روي كاتاليست‌هاي مرسوم مي‌باشد. در جستجوي انجام شده توسط نويسنده، تاكنون مدل‌سازي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست 5% در يک راکتور مونوليتي صورت نگرفته است. هدف اين تحقيق، مدل‌سازي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست 5% به كمك ديناميك سيالات محاسباتي است. مزيت استفاده از كاتاليست 5% در آن است كه مي‌تواند هر دو واكنش اكسايش جزئي و ريفرمنيگ با بخار آب را پيش ببرد. در مدل‌سازي صورت گرفته نيز از معادلات سرعت اصلاح شده براي كاتاليست  5% استفاده شده است. راكتور انتخاب شده در اين تحقيق، يك راكتور مونوليتي كاتاليستي است. راكتورهاي مونوليتي، از تعداد زيادي كانال جريان موازي هم كه توسط ديواره‌هاي جامد از هم جدا مي‌شوند، تشكيل شده‌اند. راكتورهاي مونوليتي به علت نسبت سطح به حجم بالا و افت فشار كم،‌ براي كاربردهاي سيار مناسب مي‌باشند.  با اين وجود مدل‌سازي راكتورهاي مونوليتي بسيار هزينه‌بر و زمان‌بر است. به همين منظور رفتار يك كانال از راكتور مونوليتي تقريباً مشابه رفتار كل راكتور مونوليتي فرض شده است و هندسه‌ي يك كانال به عنوان دامنه محاسباتي انتخاب شده است. اين مدل‌سازي شامل مدلي سه بعدي براي راكتور كه در برگيرنده‌ي معادلات بقاي جرم، ممنتوم، انرژي و بقاي گونه‌هاي شيميايي مي‌باشد و نيز مدلي براي در نظر گرفتن مكانيزم و رابطه سرعت واكنش‌ها است. اين معادلات به كمك نرم‌افزار Fluent 6.3.26 كه بر مبناي محاسبات حجم محدود [5] است، حل شده است. براي درنظر گرفتن رابطه سرعت واكنش‌ها از برنامه‌نويسي در محيط C++ استفاده شده است كه اين برنامه قابليت استفاده براي كارهاي مشابه را دارد. نتايج اين مدل‌سازي با كار آزمايشگاهي صورت گرفته براي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست  5% مقايسه شده است. در ادامه اثر تغيير پارامترهاي عملياتي بر روي ميزان هيدروژن و مونواکسيدکربن توليد شده و پروفايل دماي درون راکتور بررسي شده است. پارامترهاي عملياتي مورد بررسي شامل نسبت مولي اكسيژن به متان (O2/CH4)، نسبت مولي بخارآب به متان (H2O/CH4) و دماي گاز ورودي به راكتور مي‌باشد.

نتايج تحقيق در گزارشي شامل پنج فصل ارائه شده است. بعد از ارائه مقدمات در فصل اول، در فصل دوم به بررسي فرآيندهاي ريفرمينگ مورد استفاده براي توليد هيدروژن پرداخته شده است. در ادامه مدل‌هاي سينتيكي ارائه شده براي فرآيندهاي ريفرمينگ متان ارائه شده اند و در نهايت مدل‌سازي‌هاي صورت گرفته براي راكتورهاي مونوليتي مرور ‌شده است. فصل سوم به ارائه مشخصات راکتور مونوليتي مورد استفاده براي مدل‌سازي پرداخته است. همچنين فرضيات و معادلات بقاي جرم، انرژي، ممنتوم و بقاي گونه‌هاي شيميايي حاکم بر مدل‌سازي ارائه مي‌گردد. در نهايت معادلات سينتيکي مورد استفاده براي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي کاتاليست  5% آورده ‌شده است. در فصل چهارم نتايج حاصل از مدل‌سازي مورد بحث و بررسي قرار گرفته‌اند و بهينه‌ترين حالت (در محدوده مورد بررسي) که منجر به بيشترين مقدار توليد هيدروژن مي‌شود ارائه شده است. در نهايت در فصل پنجم، راه‌کارهاي پيش رو براي بهبود نتايج مدل‌سازي ارائه شده‌اند.

[[1]] Steam Reforming

[[2]] Partial Oxidation

[[3]] Autothermal Reforming

[[4]] Computational Fluid Dynamics

[[5]] Finite Volume

تعداد صفحه :103

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

:        ****       info@elmyar.net

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***

جستجو در سایت : کلمه کلیدی خود را وارد نمایید :

 
 

مطالب مشابه را هم ببینید

 

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید