بخشی از مقاله
چکیده:
این مقاله به تحلیل ترمودینامیکی فرآیند ریفرمینگ بخار اتانول میپردازد. تاثیر پارامتر های مختلف از قبیل دمای محیط واکنش و نسبت مولی آب به اتانول بر روی میزان تولید هیدروژن مورد بررسی قرار میگیرد.محدوده دمایی واکنش بین 800 تا 1100 کلوین ، نسبت مولی آب به اتانول بین 0تا 10 تغییر می کند.مدل سازی ترمودینامیکی ترکیب های تعادلی از قبیل هیدروژن ، کربن منواکسید،کربن دی اکسیدو متان با استفاده روش مینییم سازی انرژی آزاد گیبس در نرم افزار EES انجام میگیرد. در این مقاله مشاهده می شودکه بیشترین هیدروژن تولیدی حدود 5,1 مول به ازای هرمول اتانول که تقریبا 90 درصد ضریب استوکیومتری هیدروژن با نسبت مولی آب به اتانول بزرگتر از 8 در دمای 1100 درجه کلوین می باشد. در دمای های پایین واکنش و نسبت های مولی کمتر آب به اتانول هیدروژن تولیدی اندک است.
-1 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 وپاک در پیل های سوختی و خودرو های 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 نمی گذارد، به همین دلیل انتظار می رود که درآینده 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 هیدروکربن ها 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 شود - اسدی وپولادی برج، . - 1392
در این تحقیق ، به مطالعه و مدلسازی ترمو دینامیکی ریفرمینگ بخار اتانول جهت تولید هیدروژن پرداخته می شود. ،روش های مختلفی برای تولید هیدروژن وجود دارد، که می توان به ریفرمینگ هیدروکربن ها، هیدرولیز آب، هیدروژن گیری از هیدروکربن ها، استفاده از منابع تجدید پذیر و هسته ای، اشاره نمود.تولید هیدروژن از ریفرمینگ سوختهای هیدروکربنی یک روش مقرون بصرفه است و با کاهش هزینه های تصفیه، امکان استفاده از پیل سوختی می باشد. در مقیاس صنعتی هیدروژن با تبدیل سوخت های هیدروکربنی وبه طورعمده با سه روش تبدیل با بخار - Steam reforming - ، اکسیداسیون جزیی - - Partial oxidationو ریفرمینگ اتو ترمال - - Auto thermal reforming به دست می آید. هدف اصلی دراین مقاله ،تحلیل ترمو دینامیکی تولید هیدروژن از ریفرمینگ بخار اتانول می باشد.
تاکنون پژوهش های زیادی در مورد هیدروکربن های اکسیژن دار از قبیل بیو نفت - اسید استیک،اتیلن گلیکول و استون - لمونیدو و همکاران، - 2007، گلیسیرول - چن و همکاران، - 2010، ،متانول - ونگ و همکاران، - 2011، و اتانول - شوهویی و همکاران، - 2012، برای تولید هیدروژن انجام شده است.در بین همه این پژوهشها درسال های اخیر اتانول مورد توجه خاصی قرار گرفته است - آبلو و همکاران، . - 2011 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 هیدروکربن ها به آسانی جدا می شود - اشمیت و همکاران، . - 2011ریفرمینگ بخار اتانول فرآیندی بسیار گرماگیراست که نیاز به منبع گرمایی خارجی نیاز داردو یک جریان گازی شامل هیدروژن،کربن دی اکسید ،کربن مونواکسید،متان وسایر ترکیب هارا که مقدار آنها ناچیز است، تولید می کند. ریفرمینگ بخار اتانول برای دماهای بالاتر از 500 کلوین مناسب است.
واکنش های انجام شده در ریفرمینگ بخار اتانول در زیر آمده است - شوهویی و همکاران، : - 2012 در این مقاله تحلیل ترمودینامیکی تولید هیدروژن از فرآیند ریفرمینگ بخار اتانول با استفاده از روش مینییم سازی انرژی آزاد گیبس در نرم افزار EES ، شبیه سازی می شود.محدوده دمایی واکنش بین 800 تا 1100 کلوین و نسبت مولی آب به اتانول بین 0تا 10 تغییر می کند . معادلات واکنش های انجام شده در فرایند ریفرمینگ نشان از وجود ترکیب های مانند اتیلن،استون و استال دیل دارد. محققین گذشته و محاسبات ما نشان میدهد مقدار ترکیب های اتیلن،استون ،استال دیل و سایر جز ها از لحاظ ترمودینامیکی در دماهای بالاتر از250 درجه سانتی گرتد خییلی 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 تعادل ترکیب های هیدروژن ، کربن منواکسید،کربن دی اکسید، متان می پردازیم. مینیم سازی انرژی آزاد گیبس با روشهای مختلفی از قبیل نرم افزار - Aspen-HYSYSکافاروو همکاران، - 2009 وHSC Chemistry - چن و همکاران، - 2010شبیه سازی شده است .در این مقاله مینیم سازی انرژی آزاد گیبس با نرم افزار EES مدل سازی شده است.
-2 مدل سازی ترمودینامیکی:
انرژی آزاد گیبس کلی یک سیستم تعادلی بصورت معادلات زیربیان می شود: مینییم سازی انرژی آزاد گیبس و بدست آوردن ترکیب های تعادلی ریفرمینگ بخار اتانول با استفاده از نرم افزار EES مدل سازی شده است.
-3 بحث و نتیجه گیری:
1-3 توزیع ترمودینامیکی محصولات و اعتبار سنجی
در این مقاله ترکیب های تعادلی حرارتی 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. در این بخش، نتایج ترمودینامیکی بدست آمده پژوهش حاضر با کار های انجام شده قبلی اعتبار سنجی شده است - شوهویی و همکاران، - 2012، - ونگ و همکاران، - 2011که نتایج بدست آمده نشان از نزدیکی خوب با روشهای دیگر می باشد.
2-3 ریفرمینگ بخار اتانول :
در این مدلسازی ترکیب های ترمودینامیکی با برنامه نویسی در EES بدست آمده با نتایج شبیه سازی دیگری - شوهویی و همکاران، - 2012، - ونگ و همکاران، - 2011 ، اعتبار سنجی شده است .در جدول - 1 - اعتبار سنجی هیدروژن تولیدی به ازای هر مول اتانول در نسبت مولی آب به اتانول بین 0تا 10 و محدوده دمایی از 800 تا 1100 درجه کلوین نشان داده شده است.
