بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل ترمودینامیکی ریفرمینگانو نرمال آنانول برای تولید هید روزن
این مقاله به تحلیل ترمودینامیکی فرآیند ریفرمینگ اتوترمال اتانول در یک محدوده ی دمایی، نسبت مولی بخار آب به اتانول و اکسیژن به اتانول می پردازد. تاثیر پارامترهای مختلف از قبیل دمای محیط واکنش و نسبت مولی بخار آب به اتانول و اکسیژن به اتانول بر روی میزان تولید هیدروژن مورد بررسی قرار میگیرد. محدوده دمایی واکنش بین ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه کلوین، نسبت مولی آب به اتانول بین ۰ تا ۱۰ و اکسیژن به اتانول بین ۰ تا ۰.۷۵ تغییر می کند. نتایج مدل سازی نشان میدهد که بیشترین مولی هیدروژن تولیدی به ازای هر مول اتانول دراین فرآیند حدود ۴٫۹ مول می باشد. همچنین با افزایش دماو نسبت مولی آب به اتانول در یک نسبت ثابت اکسیژن به اتانول، مول هیدروژن بیشتری تولید می شود. دراین مدل سازی ترمودینامیکی تعادل ترکیبهای هیدروژن، کربن منواکسید با استفاده روش مینیمم سازی انرژی آزاد گیبس در نرم افزار EES گرفته شده است. نتایج شبیه سازی شده در این مقاله با پژوهشهای اخیر مقایسه شده که همخوانی خوبی با کارهای دیگران دارد.
۱. مقدمه
همواره انرژی و بحران انرژی از اصلی ترین دغدغه های جوامع نوین صنعتی می باشد، به همین سبب محققان پی در پی در جستجوی روش های جایگزین انرژی های فسیلی و یافتن انرژی های پاک می باشند. هیدروژن به عنوان سوختی جدید و پاک در پیل های سوختی و خودروهای هیدروژنی مطرح می شود. استفاده از ریفرمینگ سوخت های هیدروکربنی روشی جدید برای افزایش تولید هیدروژن و ذخیره سازی دی اکسید کربن می باشد. هیدروژن را می توان به عنوان یکی از سوخت های پاک در نظر گرفت، بدین خاطر که گاز خروجی حاصل از این سوخت آلاینده ای به جای نمیگذارد، به همین دلیل انتظار میرود که در آینده درخواست برای هیدروژن توسط پالایشگاه ها، صنایع متالورژی، پیل سوختی بالا برود، اما مشکل اصلی این است، که باید منبعی برای تامین آن موجود باشد. لازم به ذکر است که علت برتری این سوخت نسبت به دیگر سوخت های پاک، این است که در هنگام سوختن، محصول اصلی ایجاد شده بخار آب است، تغییرات غلظت بر روی عدم آلودگی این سوخت اثر نمی گذارد، دارای انرژی مخصوص بیشتری نسبت به هیدروکربنها می باشد، می توان به عنوان مکمل برای مخلوطی از سوخت ها نیز به کار رود، به عنوان یک سوخت ایده آل نیز در سلول های سوختی به منظور بازده بالا استفاده نیز می شودا ۲،۱]. روشهای مختلفی برای تولید هیدروژن وجود دارد، که می توان به ریفرمینگ هیدروکربنها، هیدرولیز آب، هیدروژن گیری از هیدروکربنها، استفاده از منابع تجدید پذیر و هسته ای، اشاره نمود. تولید هیدروژن از ریفرمینگ سوختهای هیدروکربنی یک روش مقرون بصرفه است و با کاهش هزینههای تصفیه، امکان استفاده از پیل سوختی می باشد. در مقیاس صنعتی هیدروژن با تبدیل سوخت های هیدروکربنی و به طورعمده با سه فرآیند ریفرمینگ بخار آب، اکسیداسیون جزیی و ریفرمینگ اتو ترمال به دست می آید. هدف اصلی دراین مقاله، تحلیل ترمودینامیکی تولید هیدروژن از ریفرمینگ اتوترمال اتانول می باشد. تاکنون پژوهش های زیادی در مورد هیدروکربن های اکسیژن دار از قبیل بیو نفت (اسید استیک، اتیلن گلیکول و استون) ۳l]، گلیسیرول ۴، ،متانول ۵، و اتانول آ۶]، برای تولید هیدروژن انجام شده است. در بین همه این پژوهش ها درسال های اخیر اتانول مورد توجه خاصی قرار گرفته استI۷l|اتانول را به راحتی می توان از تخمیر بیوماس یا روش های شیمیایی بدست آورد. همچنین اتانول در ساختار خود حجم هیدروژن بالایی دارد که نسبت به سایر هیدروکربنها به آسانی جدا می شود. ریفرمینگ اتوترمال اتانول ترکیبی از دو فرآیند ریفرمینگ بخار آب و اکسیداسیون جزیی اتانول واین فرآیند از نظر حرارتی خنثی یا جزیی گرماده است.در این فرآیند یک جریان گازی شامل هیدروژن، کربن دی اکسید ، کربن مونواکسید، متان وسایر ترکیبهارا که مقدار آنها ناچیز است، تولید می شود. ریفرمینگ اتوترمال اتانول برای دماهای بالاتر از ۷۰۰ کلوین مناسب است آ۸]. واکنش های انجام شده در ریفرمینگ اتوترمال اتانول در زیر آمده است آ۵]:
تحلیل ترمودینامیکی تولید هیدروژن از فرآیند ریفرمینگ اتوترمال اتانول با استفاده ازمینیمم سازی انرژی آزاد گیبس با روش های مختلفی از قبیل نرم افزار اسپن هایسیس ۷] وفرترن آ۵]شبیه سازی شده است.در این مقاله مینیمم سازی انرژی آزاد گیبس با نرم افزار EES مدل سازی شده است. محدوده دمایی واکنش بین ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ کلوین، نسبت مولی آب به اتانول بین ۰ تا ۱۰ و نسبت مولی اکسیژن به اتانول بین ۰ تا ۰.۷۵ تغییر می کند . معادله واکنش های انجام شده دراین فرآیند، نشان از وجود ترکیب های مانند اتیلن، استون و استال دیل دارد. محققین گذشته ۳-۷ او محاسبات ما نشان می دهد مقدار ترکیبهای اتیلن، استون ،استال دیل و سایر جز ها از لحاظ ترمودینامیکی در دماهای بالاتر از ۲۵۰ درجه سانتی گرتد خیلی ناچیز است. بنابراین در شرایط تعادلی هشت ترکیب هیدروژن ، کربن منواکسید، کربن دی اکسید، متان، کربن، آب، اتانول و اکسیژن مهم می باشد که ما به بررسی تاثیر دما ونسبت مولی آب به اتانول و اکسیژن به اتانول بر روی تعادل ترکیب های هیدروژن و کربن منواکسید می پردازیم.
۲. مدل سازی ترمودینامیکی
مینیمم سازی انرژی آزادگیبس : انرژی آزاد گیبس کلی یک سیستم تعادلی بصورت معادلات زیر بیان می شود:
که درآن G انرژی آزاد گیبس برای سیستم تعداد مولی برای ترکیب i ام ، بالا پتانسیل شیمیایی برای ترکیبi ام تعداد ترکیبها در سیستم هستند.
در این رابطه بالا پتانسیل شیمیایی در دمای مرجع برای ترکیب خالص i ام (،(J/KmOl R ثابت جهانی گاز (J/KmOl-K)، T دمای سیستم (،(K فوگاسیته برای ترکیب i ام در مخلوط (،(Pa فوگاسیته برای ترکیب خالص در حالت مرجع Pa، می باشند.
ضریب فوگاسیته برای ترکیب iام، و کسر مولی ترکیباi ام، P فشار سیستم (Pa) میباشد.
ظرفیت گرمایی برای ترکیب i ام انتالپی برای ترکیب i ام است.
دراین رابطه، انرژی آزاد گیبس مولی جزیی برای ترکیب i ام ( j)، آنتالپی مولی جزیی برای ترکیب i ام (J/Kmol) می باشد.
بالا پتانسیل شیمیایی کربن است.
تعداد جزها در سیستم، تعداد اتم های جز j ام در ترکیب i ام، تعداد کل مولی جز j ام می باشد.
مینیمم سازی انرژی آزاد گیبس و بدست آوردن تعادل ترکیبهای در ریفرمینگ اتوترمال اتانول با استفاده از نرم افزار EES مدل سازی شده است. در این مدل سازی تمامی ترکیب ها به جز کربن (گرافیت) به صورت گاز ایده ال فرض شده است.فاز کربن به صورت جامد در نظر گرفته شده است.
۳. بحث و نتایج در این مقاله تعادل ترکیبها با مینیمم سازی انرژی آزاد گیبس در نرم افزار EES شبیه سازی شده است که محققان دیگر با روش های مختلف دیگری این کار را انجام داده اند [۷۶]. در این بخش، نتایج ترمودینامیکی بدست آمده پژوهش حاضر با کار های انجام شده قبلی اعتبار سنجی شده است [۵،۹]، که نتایج بدست آمده اختلاف کمتری با روشهای دیگر دارد.
۳.۱. ریفرمینگ بخار آب اتانول باتوجه به واکنشهای انجام شده در فرآیند ریفرمینگ اتوترمال اتنانول، تعادل ترکیبهای ترمودینامیکی با برنامه نویسی در EES بدست آمده با نتایج شبیه سازی دیگری آ۵، ۹، اعتبار سنجی شده است. در جدول (۱) اعتبارسنجی مول هیدروژن تولیدی به ازای هر مولی اتانول در نسبت مولی آب به اتانول بین ۱ تا ۱۰، اکسیژن به اتانول ۲۵. ۰ تا ۰.۷۵ و محدوده دمایی از ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه کلوین نشان داده شده است. در جدول (۱) با افزایش دما و نسبت مولی آب به اتانول در یک نسبت ثابت اکسیژن به اتانول مول هیدروژن بیشتری تولید می شود. همچنین مشاهده می کنیم که نتایج مدل سازی انجام شده حاضر همخوانی خوبی و اختلاف کمتری با پژوهش های اخیر دارد.
جدول (۱) اعتبار سنجی هیدروژن تولیدی برای ریفرمینگ اتوترمال اتانول
