بخشی از مقاله
چکیده :
متانول در میان حامل های گاز هیدروژن، دارای پتانسیل قابل توجهی در مقایسه با سایر سوخت های هیدروکربنی می باشد. در این کار یک مدل عمومی در حالت یکنواخت و غیر ایزوترمال جهت بررسی چگونگی عملکرد ریفرمر بستر فشرده استوانه ای به حالت micro-scale برای عملیات بازآرایی متانول با بخار آب در نظر گرفته شده است . حرارت موردنیاز جهت انجام فرآیند بازآرایی می تواند از طریق لوله داغ مرکز راکتور یا از طریق فلاکس حرارتی دیواره خارجی راکتور تامین شود که در این شبیه سازی حرارت از طریق منبع داخلی تامین می شود.
معادلات حاکم در این شبیه سازی شامل معادلات انتقال جرم ، حرارت و مومنتوم می باشند که با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی حل شده اند. روش دینامیک سیالات محاسباتی بر اساس المان محدود می باشد. در این شبیه سازی ضخامت دیواره در مقدارهای 0,165 ، 0,330 و 0,495 میلی متر و تخلخل بستر کاتالیستی در مقدارهای 0,1 ، 0,35 ، 0,5 ، 0,75 و 0,95 به منظور بررسی دمای جریان گاز راکتور مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که با افزایش ضخامت دیواره راکتور دمای جریان گاز کاهش می یابد. همچنین نتایج شبیه سازی پیش بینی می کند که با افزایش تخلخل بستر کاتالیستی راکتور دمای جریان گاز افزایش می یابد.
-مقدمه :
به منظور حل مشکلات زیست محیطی، توسعه تکنولوژی انرژی پاک بسیار مهم است. هیدروژن به عنوان یکی از حامل های پاک و ایده آل انرژی مطرح است، اما ،چون ذخیره سازی هیدروژن فشرده از لحاظ امنیتی و اقتصادی سخت است، تولید هیدروژن با استفاده از ریفرمرها از طریق بازآرایی بخار حامل های هیدروژن مورد نیاز و توجه است.
فرآیند بازآرایی با بخار آب در سال 1924 توسعه و گسترش یافت و توسط این روش هیدروکربن ها به گاز سنتز تبدیل می شوند. [4] این روش یکی از فرآیندهای مهم برای تولید هیدروژن و گاز سنتز مورد استفاده در بسیاری از فرآیندهای ﭘﺎﻻﻳﺸﮕﺎﻫﻲ مانند تصفیه هیدروژنی و هیدروکراکینگ، فرآیندهای شیمیایی و پتروشیمیایی از قبیل سنتز متانول و سنتز آمونیاک و همچنین سنتز هیدروکربن ها توسط فرآیندهای فیشر- تروپش می باشد.
در میان حامل های مایع مختلف هیدروژن، متانول دارای بیشترین پتانسیل در مقایسه با سایر سوخت های هیدروکربنی است. این ماده دارای فوایدی از قبیل مایع بودن در دمای محیط، دارا بودن دمای پایین فعال سازی، دارا بودن نسبت بالای هیدروژن به کربن، بازده بالای هیدروژن - تا حدود 75 درصد - ، عاری بودن از کک - بدون اتصال - C-C ، مقدار گوگرد کم - کمتر از - 5ppm و آسانی کاربرد است.
واکنش بازآرایی بخار متانول - MSR - می تواند به عنوان یکی از مناسب ترین روش های تولید هیدروژن برای پیل های سوختی معرفی شود و این به دلیل بالا بودن درصد تبدیل متانول، که می تواند در دمای پایین واکنش به دست آید و غلظت CO است که می تواند در محدوده1000 ppm تا 10000ppm در جریانات خروجی باشد. همچنین این واکنش در دماهای نسبتا پایین 240-260 درجه انجام می گیرد که نسبت به بازآرایی متان در دماهای 800-1000 درجه از نظر دمایی، حالت معتدل تری دارد
هدف از انجام این کار، شبیه سازی راکتور بازآرایی متانول توسط بخار آب می باشد. مدل ارائه شده در این کار برای راکتور مورد نظر، یک مدل کلی برای حالت غیر ایزوترم و با در نظر گرفتن ضخامت های مختلف دیواره و مقادیر مختلف تخلخل برای بستر کاتالیستی می باشد.
-2مدل ریاضی :
شکل 1 شمایی از راکتور مورد استفاده در این شبیه سازی را نشان می دهد. فضای داخل راکتور از کاتالیست CuO/ZnO/AlR2ROR3R پر شده است . متانول و بخار آب، به صورت ضریبی از مقدار متانول ورودی، با دمای و دبی حجمی به عنوان خوراک ورودی در z=0 وارد راکتور می شوند. در این راکتور، گرمای داخلی به منظور تامین حرارت مورد نیاز، از طریق لوله مرکزی تامین می شود . می توان راکتور را با استفاده از مواد گوناگون و ضخامت دیواره متفاوت ساخت. پدیده های انتقال در این شبیه سازی را می توان با استفاده از معادلات جرم، انرژی و مومنتوم توضیح داد.
شکل ۱ - شمایی از راکتور شبیه سازی شده
شبیه سازی این فرآیند، بر اساس فرضیات زیر انجام شده است:
-1 برای تمام گونه های گازی به کار رفته در این شبیه سازی قانون گاز ایده آل حاکم است.
-2 جریان گازی به صورت غیرقابل تراکم می باشد.
-3 سیستم درحالت یکنواخت مورد بررسی قرار می گیرد.
-4 ذرات کاتالیست به صورت کروی در نظر گرفته شده و بستر کاتالیستی به عنوان یک محیط متخلخل می باشد.
-5 رژیم جریان گازی به صورت لامینار در نظر گرفته می شود.
واکنش های انجام شده در این راکتور عبارتند از :
Steam reforming :CHR3 ROH+HR2 RO 3HR2R+COR2R
- 2HR2 R+CO Decomposition: CHR3 ROH HR2 R+CO2
Water gas shift - WGS - : CO+HR2 RO
