بخشی از مقاله
چکیده:
تولید هیدروژن به عنوان انرژی پاک یکی از چالشهای محققان میباشد. تولید هیدروژن به روش ریفرمینگ با بخار بیش از روشهای دیگر مورد توجه قرار گرفته است. بنابراین، طراحی میکروراکتور و مدل-سازی آنها برای تولید هیدروژن در این امر مفید میباشد. در این مطالعه، میکروراکتورها با ساختار زنجیرهای و صاف در نظر گرفته شد، و با روش ریفرمینگ با بخار مدلسازی CFD انجام شده و از نرمافزارهای Fluent6.3.26 و Gambit2.4.6 استفاده شده است.
سینتیک واکنش از تابع توانی پیروی میکند. برای شبیه-سازی علاوهبر مدل اعتبارسنجی، سه مدل دیگر بررسی شده است. در این میکروراکتورها یک ورودی و یک خروجی و نسبت مولی بخار آب به سوخت اتانول 6 در نظر گرفته شده است. این مدلها نشان میدهند که میکروراکتورهای زنجیرهای نسبت به میکروراکتور صاف عملکرد بهتری دارند و از بین ساختارهای میکروراکتورهای زنجیرهای، درساختار مستطیلی تبدیل اتانول بیشتر میباشد و همچنین دمای خروجی این ساختار بالاتر است.
1 مقدمه
در حال حاضر، بحران انرژی، تغییرات آب و هوا و گرم شدن جهان موجب شده است تا منابع تجدیدپذیر انرژی مورد توجه قرار بگیرند. بنابراین، محققان به دنبال تولید هیدروژن بهعنوان یک سوخت پاک و جایگزین سوختهای فسیلی هستند. روشهای تولید هیدروژن شامل الکترولیز، واکنشهای بیولوژیکی، اثر نیروی تابشی و حرارتی آب و ریفرمینگ میباشد.[1] در این روشها ریفرمینگ با بخار یک روش مطمئن برای تولید هیدروژن میباشد. از میان خوراکهای بکار رفته، اتانول کارآمدتر میباشد. مزیتهای اتانول شامل انتقال و ذخیرهسازی آسان، سمیت و فراریت کمتر آن اشاره کرد.
همچنین بهازای هر واحد کیلوگرم حجم بالایی از هیدروژن دارد.[2]واکنشهای ریفرمینگ با بخار اتانول به صورت معادلات - 1 - تا - 4 - آمده است. نوع راکتور مورد استفاده در فرآیند ریفرمینگ با بخار دارای اهمیت زیادی میباشد. از میان انواع راکتور، میکروراکتورها به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا، کوچک بودن اندازه و خواص انتقال جرم و حرارت بیشتر مورد توجه قرارگرفتهاند.[3]
در کار گاندیا و همکارانش[4]راکتور از دو بلوک جامد و سیال تشکیل شده، بلوک سیال شامل 4 میکروکانال است. فرآیند ریفرمینگ اتانول با بخار در دمای ورودی450 ℃ میباشد، آنها توانستند به تبدیل اتانول%96 دست یابند. درکار کونزرو و همکارانش [5] برای فرآیند ریفرمینگ اتانول بخار از میکروراکتورهای صفحهای استفاده کردهاند. در دمای450℃ به تبدیل اتانول%91 دست پیدا کردند.
در کار یانینا و همکارانش[6]یک راکتور با کانالهای موازی در فرآیند ریفرمینگ اتانول با بخار در نظر گرفته شده، آنها کار را با دو جریان همسو و ناهمسو بررسی کردند که در جریان همسو به تبدیل کامل اتانول دست یافتند. در کار ماکوئز و همکارانش[7]، از یک میکروراکتور بستر ثابت استفاده شده، بالاترین تبدیل اتانول 50% در دمای℃ 400رخ میدهد. اشمیت و همکارانش[8]، به منظور افزایش سطح انتقال حرارت صفحات را چیندار طراحی کردهاند و در ادامه به منظور افزایش زمان اقامت طول لوله میانی را افزایش دادند که باعث بهبود عملکرد راکتور شد.
من و همکارانش[9]،میکروراکتوری طراحی کردند که شامل دو صفحه در مقیاس میکرویی میباشد و هرکدام ازصفحات 14 کانال را شامل میشود، در نهایت در دمای 600℃ به تبدیل اتانول بالای% 90 رسیدند. ایدم و همکارانش[10] ، در فرآیند ریفرمینگ اتانول با بخار از میکروراکتور لولهای بستر ثابت استفاده کردند، و اتانول بیش از 80% تبدیل شد.
لوکا و همکارانش[11]، در فرآیند اتوترمال میکروراکتور حاوی یک صفحه مرکزی قابل تعویض میباشد، آنها در دمای 578K به تبدیل کامل اتانول رسیدند. در فرآیند تولید هیدروژن، راکتورها نقش مهمی را ایفا میکنند، پارامترهای بهبود نسبت حجم به سطح، کاهش میزان حرارت اتلافی، افزایش زمان اقامت و نوع هندسه راکتور در عملکرد راکتور مؤثر میباشند. در این پژوهش، بررسی میکروراکتورها با طرحهای ساده و زنجیرهای انجام شد، عملکرد میکروراکتورها برای تولید هیدروژن و میزان تبدیل اتانول مطالعه شده است، ساختار زنجیرهای شامل 3 ساختار به شکلهای هندسی مستطیل، مثلث و دایره میباشد، در این ساختارها پارامترهای موردنظر بررسی شده است.
2 توصیف مسئله:
در این مطالعه، میکروراکتورهای صاف همراه با سه طرح زنجیرهای برای ارزیابی چندین پدیده طراحی شده است. در شکل - 1 - طرحهای میکروراکتورنشان داده شده است. مدل زنجیرهای شامل 3 طرح مستطیلی، مثلثی و دایرهای میباشد که هر زنجیره شامل سه حلقه است، در همه ساختارها ورودی و سطح واکنش یکسان میباشد. با این طرحها اثر چرخش، تغییر مقطع، برخورد، تقسیم شدن و شکست جریان مقایسه شده است. در واقع هدف در این طراحیها بهبود عملکرد واکنشها و افزایش میزان اختلاط میباشد.
3 مدلسازی :CFD 31 معادلات حاکم:
معادلات سینتیکی بکار برده شده برای ریفرمینگ اتانول بترتیب در معادلات - 5 - تا - 7 - بیان شده است، همچنین ثوابت سینتیکی در جدول - - 1 لیست شده است. معادلات حاکم شامل معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی میباشد، که بترتیب در معادلات - 8 - تا - 11 - بیان شده است.[12]در معادلات زیر ∅ ϑو Ri بترتیب تابع اتلاف و نرخ جرم مصرفی یا تولیدی توسط واکنش میباشد. جریان آرام، پایدار، مخلوط همگن و گاز ایدهآل است.
