پایان نامه مدل‌ سازی ریفرمر کاتالیستی مونولیتی خودگرما زا برای تولید هیدروژن برای پیل‌ های سوختی

  • Code: # 31752

  • تعداد صفحات: 99
  • فرمت فایل: word
  • سال: 1390
  • مقطع: کارشناسی ارشد
  • دسته بندی: مهندسی شیمی
قیمت جدید: ۳۶,۰۰۰ تومان
۶۶,۰۰۰ تومان
دانلود
  • خلاصه
  • فهرست
  • خلاصه پایان نامه مدل‌ سازی ریفرمر کاتالیستی مونولیتی خودگرما زا برای تولید هیدروژن برای پیل‌ های سوختی

    پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

    در رشته مهندسی شیمی گرایش ترموسینتیک

    چکیده

    با افزایش کاربرد پیل‌ های 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، 5% 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 445/0 و  8/3 انتخاب کرد. همچنین دمای گاز ورودی به راکتور نیز باید C ° 600 باشد.

     

    واژه‌های کلیدی: هیدروژن، ریفرمینگ خود گرما زا، متان، راکتور مونولیتی

     

    1-1- 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 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 5% در یک راکتور مونولیتی صورت نگرفته است. هدف این تحقیق، مدل‌سازی ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% به کمک دینامیک سیالات محاسباتی است. مزیت استفاده از کاتالیست 5% 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  5% 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 [5] 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  5% 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  5% 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.

     

     

    Abstract:

     

    With increased application of fuel cells in industary and in portable usage, necessity of developing onboard hydrogen production units is increasing. In this study, a three dimensional model is developed for a catalytic monolith reformer in which methane autothermal reforming occurs in it. Catalyst is selected to be 5% Ru-  Al2O3. In this simulation, conservation equations are solved considering reactions occurring. A single channel of the monolith reformer is selected as the computational domain. Simulation results can satisfactorily predict the experimental data in literature. Consequently, this model is used for prediction of reformer performance in other operating conditions. Investigated parameters include molar ratio of oxygen to methane (O2/CH4), molar ratio of steam to methane (H2O/CH4) and the feed gas temperature. After studying the effects of these parameters, it is understood that in the studied region, for achieving maximum hydrogen concentration, O2/CH4 and H2O/CH4 should be equal to 0.445 and 3.8, respectively. In addition, feed gas temperature should be 600 °C.

     

    Keywords: Hydrogen, Autothermal reforming, methane, monolith reformer

     

     

  • فهرست پایان نامه مدل‌ سازی ریفرمر کاتالیستی مونولیتی خودگرما زا برای تولید هیدروژن برای پیل‌ های سوختی

    فهرست:

    فصل 1: مقدمه  1

    1-1- مقدمه. 2

    فصل 2: مروری بر پیشینه تحقیق   6

    2-1- مقدمه. 7

    2-2- ریفرمینگ هیدروکربن‌ها 7

    2-2-1- ریفرمینگ با بخار آب... 7

    2-2-2- ریفرمینگ اکسایش جزئی... 9

    2-2-3- ریفرمینگ خودگرمازا 11

    2-3- مکانیزم واکنش برای ریفرمینگ متان.. 12

    2-3-1- مدلهای سینتیکی برای ریفرمنیگ متان.. 14

    2-3-2- مدلهای سینتیکی برای احتراق متان.. 18

    2-3-3- مدلهای سینتیکی برای واکنش شیفت آب- گاز. 20

    2-4- راکتورهای مورد استفاده برای فرآیند ریفرمینگ..... 21

    2-5- مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی... 22

    2-6- نتیجه گیری... 33

    فصل 3: ارائه‌ی مدل‌سازی   34

    3-1- مقدمه. 35

    3-2- مشخصات راکتور مونولیتی مدل‌سازی شده. 35

    3-3- فرضیات و معادلات استفاده شده در مدل‌سازی... 37

    3-3-1- مدل‌سازی مکانیزم واکنش..... 43

    3-3-2- روابط سینتیکی برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست روتنیم  44

    3-4- نتیجه‌گیری... 47

    فصل 4: نتایج و بحث    49

    4-1- مقدمه. 50

    4-2- بررسی صحت مدل‌سازی... 50

    4-1-1- مقایسه با نتایج آزمایشگاهی... 50

    4-3- اثر میزان اکسیژن ورودی... 57

    4-4- اثر میزان بخار‌آب ورودی... 62

    4-5- بررسی اثر دمای گاز ورودی... 69

    4-6- نتیجه‌گیری... 75

    فصل 5: جمع‌بندی و پیشنهادات   76

    5-1- مقدمه. 77

    5-1-1- پیشنهادها 78

    مراجع   79

    پیوست           

    منبع:

     

    [1]] [ م. صفدرنژاد، مرور جامع روش‌های تولید و خالص‌سازی هیدروژن برای استفاده در محل در پیل‌های سوختی، سمینار کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، 1388.

    [[1]] S. Hussain, “A numerical evaluation of the design of an autothermal reformer for the onboard production of hydrogen from iso-octane”, M.Sc. dissertation, Department of Mechanical and Materials Engineering, Queen’s University, 2009.

     

    ] [1] [ م. زاهدی‌نژاد، مدل‌سازی سینتیکی ریفرمینگ خودگرمازا (ATR)، رساله کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، 1386.

    [[1]] Deutschmann, O. Detailed Chemistry in CFD. Available at http://www.detchem.com/mechanisms/ (accessed August 28, 2007).

    [[1]]  De Groote, A. M., Froment, G. F. (1996) “Simulation of the catalytic partial oxidation of methane to synthesis gas”, Applied Catalysis. A, General, 138, 245-264.

    [[1]] Akers W. W., Camp D. P. (1955) "Kinetics of the methane-steam reaction", AICHE J., Volume 1, No. 4, pp. 471-475.

    [[1]]Bodrov I. M., Apelba'oom L. O., T'yomkeen M. I. (1965), “Kinetics of steam-methane reaction on nickel surface”,  Journal of Catalysis, Volume 4, No. 3, Page 413.
     

    [[1]] Agnelli M. E., Ponzi E. N., Yeramian A. A. (1987) "Catalytic deactivation on methane steam reforming catalysts. 2. Kinetic study", Ind. Eng. Chem. Res. Volume 26, No. 8, pp. 1707-1713.

    [[1]] Xu J., Froment G. (1989) "Methane Steam Reforming, Methanation and Water-Gas Shift: I. Intrinsic Kinetics", AICHE J., Volume 35, No. 1, pp. 88-96.

    [[1]] Numaguchi T., Kikuchi K. (1988) "Intrinsic kinetics and design simulation in a complex reaction network, steam methane reforming", Chem. Eng. Sci., Volume 43, No. 8, pp. 2295-2301.

    [[1]] Castro Luna A. E., Becerra A. M. (1997) "Kinetics of methane steam reforming on a Ni on Alumina-Titania catalyst", Reac. Kinetic. Catal. Lett., Volume 61, No. 2, pp. 369-374.

    [[1]] Hou K., Hughes R. (2001) "The kinetics of methane steam reforming over a Ni/α-Al2O3 catalyst", Chem. Eng. J., Volume 82, pp. 311-328.

    [[1]] Hoang D. L., Chan S. H., Ding O. L. (2005) "Kinetic and modeling study of methane steam reforming over sulfide nickel catalyst on a gamma alumina support", Chem. Eng. J., Volume 112, pp. 1-11.

    [[1]]Barrio V.L., Schaub G., Rohde M., Rabe S. (2007) “Reactor modeling to simulate catalytic partial oxidation and steam reforming of methane. Comparison of temperature profiles and strategies for hot spot minimization” International Journal of Hydrogen Energy 32, 1421 – 1428.

    [[1]]Trimm, D. L., Lam, C-W. (1980) “The combustion of methane on platinum-alumina fibre catalysts—I. Kinetics and mechanism”, Chemical Engineering Science, 35,1405–1413.

    [[1]] De Smet, C. R. H., De Croon, M. H. J. M., Berger, R. J., Marin, G. B., Schouten, J. C. (2001) “Design of adiabatic fixed-bed reactors for the partial oxidation of methane to synthesis gas. Application to production of methanol and hydrogen-for-fuel-cells” Chemical Engineering Science, 56, 4849–4861.

     

    [[1]] Ma, L., Trimm, D. L., Jiang, C. (1996) “The design and testing of an autothermal reactor for the conversion of light hydrocarbons to hydrogen I. the kinetics of the catalytic oxidation of light hydrocarbons”, Applied catalysis. A: General, 138, 275- 283.

     

    [[1]] Grenoble, D. C., Estadt, M. M., Ollis, D. F. (1981) “The chemistry and catalysis of the water gas shift reaction. 1. The kinetics over supported metal-catalysts”, Journal of Catalysis, 67, 90-102.

    [[1]] Wheeler, C., Jhalani, A., Klein, E. J., Tummala, S., Schmidt, L. D. (2004), “The water–gas-shift reaction at short contact times”. Journal of Catalysis, 223, 191–199.

    [[1]] Veser, G., Frauhammer, J. (2000). Modelling steady state and ignition during catalytic methane oxidation in a monolith reactor. Chemical Engineering Science, 55, 2271-2286.

    [[1]] Canu, P., Vecchi, S. (2002). “CFD simulation of reactive flows: catalytic combustion in a monolith”, AIChE Journal, 48, 2921-2935.

    [[1]] Ghadrdan M., Mehdizadeh H., (2008), “Mathematical Investigation and CFD Simulation of Monolith Reactors: Catalytic Combustion of Methane”, Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference, Hannover.

    [[1]] Stutz M.J, Poulikakos D., (2005) “Effects of microreactor wall heat conduction on the reforming process ofmethane”, Chemical Engineering Science 60, 6983 – 6997.

    [[1]] Chaniotis K., Poulikakos D. (2005), “ Modeling and optimization of catalytic partial oxidation methane reforming for fuel cells”, A Journal of Power Sources 142,184–193.

    [[1]] Shi. L, Bayless D. J., Prudich M.,(2008), “ A model of steam reforming of iso-octane: The effect of thermal boundary conditions on hydrogen production and reactor temperature”, International journa l of hydrogen energy, 33, 4577 – 4585.

    [[1]]Hayes R.E., Kolaczkowski S.T., (1999), “A study of Nusselt and Sherwood numbers in a monolith reactor”, Catalysis Today 47, 295-303

    [[1]] Di Benedetto A., Sarli V.D, (2011), “CFD Modeling and Simulation of a Catalytic Micro-monolith”, international journal of chemical reactor engineering, Volume 9, Article A21.

     

    [[1]]Deutschmann O. and Schmidt L.D (1998), “Two-dimensional modeling of partial oxidation of methane on rhodium in a short contact time reactor”, Twenty-Seventh Symposium (International) on Combustion/The Combustion Institute, pp. 2283–2291.

    [[1]]Shi Ding, Changning Wu, Yinhong Cheng, Yong Jin, Yi Cheng (2010), “Analysis of catalytic partial oxidation of methane on rhodium-coated foam monolith using CFD with detailed chemistry”, Chemical Engineering Science 65, 1989–1999.

    [[1]] Hong Mei, Chengyue Li, Shengfu Ji, Hui Liu (2007), “Modeling of a metal monolith catalytic reactor for methane steam reforming–combustion coupling”, Chemical Engineering Science 62, 4294 – 4303.

    [[1]] Shi. L, Bayless D. J., Prudich M.,(2009),  “A CFD model of autothermal reforming”, International journa l of hydrogen energy, 34, 7666 – 7675.

    [[1]] Hui Liu, Jundong Zhao, Chengyue Li, Shengfu Ji, (2005), “Conceptual design and CFD simulation of a novel metal-based monolith reactor with enhanced mass transfer”, Catalysis Today 105, 401–406.

    [[1]]  Rabe S., Truong T.B., Vogel F. (2007) “Catalytic autothermal reforming of methane: Performance of a kW scale reformer using pure oxygen as oxidant”, Applied Catalysis A: General, 318, 54–62.

    [[1]] Fluent, Inc. (2006). FLUENT 6.3 User's Guide. Lebanon, NH.

     

    [[1]] Quiceno, R., Perez-Ramirez, J., Warnatz, J., Deutschmann, O. (2006). “Modeling the high-temperature catalytic partial oxidation of methane over platinum gauze: detailed gas-phase and surface chemistries coupled with 3D flow field simulations”, Applied Catalysis. A, General, 303, 166-176.

    [36] M.H. Akbari, A.H. Sharafian Ardakani, M. Andisheh Tadbir, “A micro reactor modeling, analysis and optimization for methane autothermal reforming in fuel cell applications”, Chem. Eng. J., (2011), 166, 1116–1125.

    [37] M.Zahedi Nezhad, S. Rowshanzamir, M.H. Eikani " Autothermal reforming of methane to synthesis gas: Modeling and simulation", Int. J. Hydrogen Energy, (2009). 292-300.

    [38] D.L. Hoang, S.H. Chan, “Modeling of a catalytic autothermal methane reformer for fuel cell applications”, Appl. Catal., A. 268 (2004) 207–216.

    [39] J. Xuan, M. K.H. Leung, D. Y.C. Leung, Meng Ni “Integrating chemical kinetics with CFD modeling for autothermal reforming of biogas”, Int. J. Hydrogen Energy, (2009). 34, 9076–9086.

    [40] A. Fazeli and M. Behnam “CFD Modeling of Methane Autothermal Reforming in a Catalytic Micro reactor”, Int. J. Chem. React. Eng., (2007), 5, article A93.

    [41] D.L. Hoang, S.H. Chan, O.L. Ding, “Hydrogen production for fuel cells by autothermal reforming of methane over sulfide nickel catalyst on a gamma alumina support”, J. Power Sources, (2006), 159, 1248–1257.

    [42] P. M. Biesheuvel, G. J. Kramer "Two-Section Reactor Model for Autothermal Reforming of Methane to Synthesis Gas", AIChE J. (2003), 49, 7.

  • ثبت سفارش
    عنوان محصول
    قیمت