بخشی از مقاله
خلاصه
تولید هیدروژن در میکروراکتورها برای استفاده در پیل های سوختی زمینه ای تحقیقاتی و رو به رشد برای دانشمندان جهان به شمار می رود. به همین دلیل مدلسازی و شبیه سازی راکتورها و میکروراکتورهای تولید هیدروژن در توسعه این تحقیقات بسیار مفید خواهد بود. شبیه سازی میکروراکتورها در مراحل اولیه تولید باعث کاهش هزینه ساختار و رسیدن به بازدهی بالاتر می شود. در این مطالعه شبیه سازی CFD ریفرمینگ بخارآب با متانول برای تولید هیدروژن در یک میکروکانال حلقوی مورد بررسی قرارگرفت که در این میکروکانال نانوکاتالیست Cu/ZnO/Al2O3 پوشش داده شده است. مکانیزم مدلسازی شامل سه واکنش ریفرمینگ متانول و تجزیه متانول و آب-گاز می باشد.
هدف این کار بررسی تغییرات دما و دبی های ورودی دریک میکروراکتور حلقوی تولید هیدروژن براساس مدلسازی پیچیده CFD می باشد. سپس بررسی های انجام شده در این کار با نتایج تجربی مورد مقایسه قرارگرفته شد. نتایج نشان می دهد که نتایج شبیه سازی اختلاف کمی با نتایج تجربی دارند به طوری که با افزایش دما در دبی های مختلف مقدار دی اکسید کربن و مونوکسید کربن افزایش یافته و نیز در سیستم دما ثابت مقدار هیدروژن و دی اکسید کربن و مونوکسید کربن با افزایش دبی کاهش می یابد.
.1 مقدمه
به طور کلی هیدروژن در راکتور از هیدروکربن های در دسترس توسط واکنش ریفرمینگ تولید می شود.[1] یکی از پر کاربردترین روش های تولید هیدروژن ریفرمینگ متانول با بخار آب در جوار کاتالیست است.[2] در سال های اخیر تلاش هایی برای کوچک نمودن ریفرمرهای مورد استفاده در پیل های سوختی انجام شده و منجر به ظهور میکروراکتورهایی شده که دارای مزایایی نسبت به ریفرمرهای متداول هستند.[3] ویژگی اصلی میکروریفرمرها نسبت سطح به حجم بالا در مقایسه با راکتورهای معمولی است. همچنین ضرایب انتقال حرارت و جرم در آنها بالاتر بوده و رژیم جریان اغلب آرام است. کنترل ویژگی های فرآیندی دما، فشار و زمان اقامت نیز در واکنش هایی که در حجم کوچک اتفاق می افتند آسان تر است .[4]
از آنجاییکه طراحی یک میکروراکتور کاری هزینه بر می باشد، مدلسازی آن در مراحل اولیه می تواند بسیار سودمند باشد. در سال 2005، چوی و همکاران با مدلسازی رفتار یک میکروراکتور تاثیر تعداد جریان های ورودی و خروجی بر واکنش تبدیل متانول با بخار آب را مورد بررسی قرار دارند. این شبیه سازی درحضور کاتالیست مس و با فرض مدل جریان پلاگ انجام شد .[5] در سال 2006، کاوامورا و همکاران برای رسیدن یک مدل بهینه برای تعداد جریان های ورودی و خروجی در میکروراکتورهای تولید هیدروژن از متانول، از یک مدل یک بعدی با جریان مارپیچی استفاده کردند و نفوذ حرارت در راستای حرکت جریان را در نظر گرفتند.[6] آرزمندی و همکارانش مطالعه واکنش ریفرمینگ با مدل عددی انجام داده و نشان دادند که بازده واکنش شیمیایی در میکروراکتور به طور قابل توجهی می تواند بهبود یابد .[7]
اندیشه تدبیر و همکاران ریفرمینگ متانول همراه با اکسیداسیون را در میکرو راکتوری مورد بررسی قرار دادند. در ابتدای کار آنها، یک میکروراکتور تک کاناله ی مستطیلی را برای واکنش ریفرمینگ و اکسیداسیون مورد بررسی قرار دادند. در بخش دوم کار آنها میکرو راکتور چند کاناله و چند ستونی با آرایش موازی را شبیه سازی کردند.[8] چن و همکاران میکروریفرمر صفحه ای طراحی کردند که به صورت میکرو کانال های موازی با خروجی قطری است. آنها تأثیرات دبی ورودی مایع را در آنها به صورت عددی مورد بررسی قرار دادند. دمای واکنش و نسبت بخار به متانول روی غلظت خروجی محصولات در راکتور نیز در این آنالیز بررسی شده است.[9]
هسوه و همکاران به صورت عددی یک میکروریفرمر با کانال های موازی را در واکنش ریفرمینگ متانول با بخار آب مورد تحقیق و تأثیرات اندازه ی هندسی پارامترهای دمایی و سیالاتی را روی درصد تبدیل متانول و پدیده های انتقال را بررسی کردند. برای مثال، واکنش ریفرمینگ متانول را در میکرو راکتور های مستقیم و زیگزاگی مقایسه کردند و نشان دادند که در زیگزاگی انتخاب پذیری هیدروژن بیشتر و مونوکسید کربن کمتر می باشد. همچنین در میکرو راکتور زیگزاگی نسبت به نوع مستقیم آن، درصد تبدیل متانول بیشتر و دما کمتر است.[10] درسال 2011، لین و همکاران با مطالعه تجربی بر روی یک میکروراکتور با ابعاد 400ʽm ×200ʽm اثر نسبت Cu-Zn در کاتالیست Cu/ZnO/Al2O3 را در واکنش تولید هیدروژن در شرایط استاندارد موردمطالعه قراردادند .[11]
در سالهای اخیر دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - در بیشتر مدلسازی واکنش ها استفاده می شود. یانگ و همکاران یک مدل سه بعدی از ریفرمر متانول را مورد بررسی قرار دادند و تأثیرات دبی، دمای دیواره، هندسه ی کانال ها و ساختار ورودی و خروجی سیستم را بر عملکرد واکنش های شیمیایی پیش بینی کردند.[12] برای محاسبه توزیع جریان یک میکروراکتور صفحه ای، یک مدل دینامیک سیال محاسباتی توسط دلسمان استفاده شد. نتایج حاصل نشان داد که ژئومتری بهینه وابسته به سرعت جریان است.[13] کریم و همکارانش از یک مدل دوبعدی برای مطالعه اثر ضخامت لایه کاتالیستی و نیز شعاع راکتور بر بازده راکتور استوانه ای استفاده کرده و نتایج را با نتایج تجربی مقایسه نمودند.[14]
فواد مهری در سال 2012 به صورت آزمایشگاهی در آزمایشگاه کنترل فرایند دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل میکرو راکتورهایی با هندسه ی متفاوت طراحی کرد که واکنش ریفرمینگ متانول با بخار آب در این میکرو راکتور با کاتالیست Cu/ZnO/Al2O3 انجام می گرفت وی همچنین به منظور کاهش مونوکسید کربن خروجی از میکرو راکتور مرحله ای دیگر اضافه کرد که واکنش در همان میکرو راکتور و کاتالیست متفاوت انجام می گرفت.[15]
در این مقاله یک میکروراکتور جدید مدلسازی شده است. حل عددی جریان سیال و واکنش های کاتالیستی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - و نرم افزار ANSYS-Fluent انجام شده است.[16]در این میکروراکتور برای آشفته کردن بیشتر جریان سیال در هندسه حلقوی استفاده شده است. هدف این کار بررسی دما و دبی های ورودی در یک میکروراکتور حلقوی تولید هیدروژن براساس مدلسازی CFD می باشد.
.2 مدل CFD
در این کار، مدل 2 بعدی مورد بررسی قرار گرفته که در آن جریان آرام و حالت پایا در نظر گرفته شده است. معادلات حاکم برای فاز گازی این مدل، معادله پیوستگی، مومنتوم و موازنه جرم است همچنین فشار عملیاتی در نظر گرفته شده یک اتمسفر می باشد. از نانوکاتالیست Cu/ZnO/Al2O3 در واکنش ریفرمینگ استفاده می شود و نیز تخلخلی برای لایه کاتالیست درنظرگرفته نشده و فرض شده است که سطح به طورکامل با کاتالیست پوشانده شده است.
یعنی اثر ضخامت لایه کاتالیست درمعادله سرعت واکنش دیده شده و سطح واکنش برابر سطح داخلی میکروراکتور درنظرگرفته شده است. این معادلات به روش تفاضل حجم محدود بوسیله ی نرم افزار ANSYS Fluent حل می شود. الگوریتم سیمپلٌ برای حل توأم فشار سرعت استفاده شده است. الگوریتم فشار مبنا جدا شده ٍاستفاده شده در این نرم افزار به این دلیل انتخاب شده که معادلات غیر خطی در این مدل وجود دارد و نیز مدل های بر پایه دانسیته در واکنش های غیر خطی به حالت پایا نخواهد رسید.[17 ]
.3 هندسه میکرو راکتور
جنس میکروراکتور از تیتانیوم درنظرگرفته شده است و شکل هندسی آن به صورت حلقوی می باشد که صفحه تیتانیوم موردنظر ابعادی برابر12cm×6/5cm×2cm دارا می باشد. سطح داخلی کانال با کاتالیست Cu/ZnO/Al2O3 پوشش داده شده است. مدل استفاده شده در شکل 1 نشان داده شده است که شبیه سازی این مدل بوسیله بسته ی نرم افزاری ANSYS Fluent می باشد.[16] هندسه حلقوی این اجازه را می دهد که فضا های بسیاری از صفحه را مورد استفاده قرار دهیم. علاوه بر این هندسه ی حلقوی مقدار فشار مورد نیاز برای حرکت سیال داخل سیستم را که برای توزیع کافی می باشد را کاهش می دهد و نیز افت فشار بالای ناشی از وجود کاتالیست را کم می کند. داده های هندسی و مشخصات فیزیکی این سیستم در جدول 1 نشان داده شده است.
