بخشی از مقاله
چکیده
راکتورهای غشایی یکی از تجهیزات پرکاربرد برای ادغام فرایند تولید و جداسازی هیدروژن و کمک به تشدید این فرایند است.قیمت تمام شده کمتر، کاربرد آسان و ساختار کم حجم از مزایای استفاده از میکروراکتورهای غشایی در ریفرمینگ اتانول می باشد.همچنین بعلت جداسازی و خروج هیدروژن به عنوان بخشی از فراورده در واکنش، به پیشرفت واکنش افزوده می گرددکه همین امر افزایش بازده تولید هیدروژن خالص را نیز به همراه دارد.
در این نوشته به مدلسازی واکنش ریفرمینگ در میکروراکتورغشایی پرشده، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته و به منظور صحت کار با داده های آزمایشگاهی منتشر شده تطابق داده شده است. در محدوده فشار 2تا6اتمسفرو سرعت فضایی ثابت، درصد تبدیل وابستگی کمی به تغییر فشار داشت .اما با کاهش سرعت فضایی - رساندن به 1/3مقدار اولیه آن - که افزایش زمان اقامت را در پی دارد،درصد تبدیل تا حدود 30درصد افزایش یافت.
همچنین با افزایش اختلاف فشار،شار نفوذی هیدروژن بیشتر شد.می توان شرایط GHSV=3000,S/E=6,T=475 - c - وP_r=2atm را مقادیر مناسبی - در محدوده مورد بررسی قرار گرفته این متغیرها - برای این راکتور غشایی در نظر گرفت.
-1 مقدمه
امروزه توجه به انرژی های تجدید پذیر به منظور جایگزین کردن با سوخت های فسیلی بسیار مهم ومورد توجه بررسی های تحقیقاتی قرار گرفته است.از میان این انرژی ها، هیدروژن بعنوان ماده اولیه پیل سوختی منبعی مناسب و سازگار با محیط زیست است و لذا تلاش برای ارتقای کیفی فرایندهای تولید آن حائز اهمیت می گردد.
از طرفی، تشدید فرآیند4، شامل تجهیزات جدید، تکنیکهای فرآوری و روشهای توسعه فرآیند است که هدفش کاهش قیمت،مواد،انرژی،اتلاف و دورریز،خطرات جانبی و اسیب های زیست محیطی و در مقابل، افزایش بازده است.
همچنین در تعریف غشا که به منظور خالص سازی هیدروژن استفاده می شود، می توان تعریف زیر را برایش به کار برد: - - یک مانع گزینشی بین دوفازکه عبارت گزینشی مربوط به ذات یک غشا یا فرایند غشایی است. - - [2] جداسازی و تولید هیدروژن توسط غشاها و راکتورهای غشایی یکی از امیدوارکننده ترین حوزه های تشدید فرایند در حال توسعه به شمار می رود. استفاده از میکروراکتورهای هر چه کوچکتر ،موجب کاهش فاصله انتقال جرم و حرارت و راحت تر شدن نفوذ ودر نتیجه راندمان بیشتر می گردد
از سوی دیگر، در بحث بررسی های این میکروراکتورها، علاوه بر سرعت بیشتر محاسبات عددی، می توان با این روش ها اطلاعات کامل با جزئیات بیشتر، از قبیل تغییرات سرعت، فشار وغیره را در سراسر دامنه مورد نظر به دست آورد. در مقابل اغلب اوقات شبیه سازی داده های آزمایشگاهی جهت بدست آوردن این گونه اطلاعات مشکل و نیازمند صرف زمان بوده و در برخی مواقع غیرممکن است.
در همین راستا در این مطالعه بدلیل کاهش هزینه و همچنین بدست اوردن بهینه ترین شرایط عملیاتی برای میکروراکتور غشایی، از روش شبیه سازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شده است.ضمن اینکه در مطالعات پیشین کمتر به بررسی ریفرمینگ اتانول پرداخته شده و در این نوشته برآنیم تا با مدلسازی واکنش ریفرمینگ این هیدروکربن در محیط نرم افزار کامسول، تاثیر شرایط عملیاتی بر میزان شار عبوری از غشا که از خوراک جداسازی شده و وارد ناحیه تراوش می گردد را به دقت مورد تحلیل قرار دهیم.
شبیه سازی میکروارکتورهای غشایی تاکنون از جنبه های متفاوتی مورد بررسی قرار گرفته است. سوزا5 و همکاران از برزیل به بررسی عملکرد پیل سوختی پرداختند که هیدروژن را همزمان از ریفرمینگ اتانول در میکروراکتور می گیرد.آن ها میکروراکتور غشایی را با حالت فاقد غشا مقایسه نموده و به این نتیجه رسیدند که با استفاده از یک مجموعه ترکیبی تولید و جداسازی هیدروژن همزمان، بازده افزایش می یابد و برای کاربرد پیل سوختی که نیاز به هیدروژن خالص دارد، مناسب می باشد.
ما6 و همکاران، از آمریکا به بررسی آزمایشگاهی عملکرد راکتور غشایی در مقیاس بزرگ پرداختند و چند نوع مختلف غشا را در کار خود بررسی نمودند.[5] بارووا 7و همکاران، در یک نوشته جمع بندی شده، نتایج آزمایشگاهی چندین نوشته با کاتایست های متفاوت فلزات نجیب و غیر نجیب ، به همراه شرایط واکنش ها و نتایج حاصل شده از آن ها گزارش نمودند.[6] برای مثال در مورد کاتالیست نیکل - که مورد استفاده در این نوشته است. - آزمایشاتی در شرایط انجام گرفته است که موارد زیر بعنوان نتیجه آورده شده:
جزء مولی اتانول با افزایش دما و نسبت آب به اتانول افزایش یافته و حداکثر درصد تبدیل را 80گزارش کرده اند.
آنچه در ادامه این نوشتار در پی آن هستیم، به بررسی میزان شار عبوری از غشا در شرایط عملیاتی متفاوت برای واکنش ریفرمینگ اتانول می پردازیم که در کارهای پیشین کمتر به آن پرداخته شده است. این نوشتار برای شبیه سازی در محیط نرم افزاری کامسول اطلاعات جامعی شامل مرحله به مرحله پارامترها، مشخصه ها و شرایط مرزی رادربردارد که می تواند مبنای سایر مطالعات در این حوزه را نیز فراهم آورد.
ابتدا فیزیک مدلسازی و پارامترهای لازم را معرفی نموده، سپس بعد از بررسی معادلات و شرایط مرزی، به تحلیل نتایج خواهیم پرداخت.
-2 مدل فیزیکی و مشخصه هندسی
مدل بصورت یک راکتور استوانه ای می باشد که هیدروژن بعد از تولید در راکتوراز طریق غشا به درون شل - استوانه بیرونی - نفوذ می کند.به منظور ساده سازی محاسبات و با حفظ دقت، مدل به صورت دوبعدی متقارن در محیط نرم افزاری کامسول در نظر گرفته شده است. شمایی از آن در شکل 1نشان داده شده است.
