بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله طراحی یک راکتور شیمیایی گرما- خورشیدی برای تولید هیدروژن از مخلوط متانول و آب ارائه شده است. دستگاه طراحی شده شامل دو بخش اصلی یکی راکتور/رسیور و دیگری کلکتور خورشیدی است. کلکتور یک آیینه سهموی از جنس استنلس استیل 304 آیینه ای است. راکتور/رسیور مورد استفاده به قطر 3/4 اینچ و طول 120 سانتیمتر بوده که داخل یک غلاف شیشه ای پیرکس قرار داده شده است. سیستم مذکور با ایجاد دمای بیش از 260 درجه سلسیوس براحتی قادر به انجام واکنش ریفرمینگ متانول با بخار آب و تولید مخلوط گازی هیدروژن و کربن دی اکسید بود.
-1 مقدمه
برای تولید هیدروژن غنی، روش های مختلفی وجود دارد که از جمله می توان به ریفرمینگ گاز طبیعی، ریفرمینگ الکل ها و اترها خصوصاٌ با استفاده از بخار آب اشاره نمود. کلیه این واکنشها گرماگیر بوده و بایستی به نحوی گرمای مورد نیاز برای انجام واکنش تأمین گردد. دریفرمینگ متانول با بخار آب اولاٌ دی اکسید کربن تولید میشود ضمن آنکه درصد هیدروژن در مخلوط بدست آمده بر مبنای خشک %75 است. این واکنش در حضور کاتالیست های اکسید فلزی در محدوه دمایی 200 تا 300oC رخ میدهد. واکنش های شیمیایی که به هنگام ریفرمینگ متانول با بخار آب رخ می دهند بطور خلاصه با معادله - 1 - بیان می شود:
این معادله برایند واکنش های تجزیه متانول و واکنش شیفت آب-گاز - WGS - است که طی آن مونواکسید کربن حاصل از تجزیه متانول به دی اکسید کربن تبدیل شده و هیدروژن نیز تولید و در نتیجه درصد هیدروژن حاصل از واکنش تجزیه متانول را افزایش می دهد.
در تحقیق حاضر برای تأمین انرژی و دمای لازم برای انجام واکنش - 1 - از انرژی خورشید و تمرکز آن بر روی سطح یک
راکتور لوله ای استفاده شده است. برای تمرکز نور خورشید بر روی یک دریافت کننده تابش خورشیدی - که در کار حاضر این دریافت کننده راکتور گرما- خورشیدی است - روش های مختلفی وجود دارد که از جمله می توان به استفاده از کلکتورهای خورشیدی تخت و کلکتورهای آیینه ای سهموی اشاره نمود. کلکتورهای تخت معمولا برای تمرکز نور خورشید و ایجاد دماهایی حداکثر تا 80 oC بکار برده می شود لذا برای یک فرایند گرماگیر در دمای250 oC مناسب نیستند. اما کلکتورهای آیینه ای سهموی می توانند برای ایجاد چنین دماهایی مورد استفاده قرار گیرند. در این خصوص می توان به کارهای صورت گرفته توسط Liu و همکارانش [1] و Jin و همکارانش [ 2] اشاره نمود. در کار حاضر طراحی یک سیستم کلکتور سهموی و راکتور گرما خورشیدی جهت استفاده در یک فرایند ریفرمینگ کاتالیستی متانول با بخار آب ارائه شده است.
-2 محاسبه حداقل توان کلکتور برای انجام واکنش ریفرمینگ متانول با بخار آب
در بخش قبل واکنش هایی که به هنگام ریفرمینگ متانول با بخار آب رخ می دهند به طور خلاصه با معادله - 1 - بیان شد. بر اساس مطالعات پیشین [3]سرعت فضایی جرمی معادل WHSV=25h-1 برای ریفرمینگ متانول با بخار آب مقدار قابل قبولی است و لذا در صورتی که از 2 گرم کاتالیست برای انجام واکنش استفاده شود، دبی خوراک ورودی به راکتور را می توان =50g/h انتخاب نمود. بر اساس مطالعات مذکور، نسبت مولی متانول به آب در این خوراک می تواند 1 به 2 انتخاب شود که از لحاظ وزنی شامل 47/2 درصد متانول و 52/8 درصد آب خواهد بود که در این صورت مقدار متانول ورودی 23/6 گرم 0/7375 - گرم مول - در ساعت و مقدار آب ورودی 26/4 گرم 1/4667 - گرم مول - در ساعت است.
در تحقیق حاضر فرض شده است که دمای خوراک ورودی به رسیور 25oC و مشخصات آن از لحاظ درصد متانول و آب و نیز دبی جریان مشابه آنچه در بالا ذکر گردید، باشد. برای طراحی یک راکتور گرما- خورشیدی ابتدا لازم است که توان حرارتی مورد نیاز این راکتور را محاسبه نمود. برای این منظور، اولا فرض می شود که مخلوط خوراک ورودی به راکتور ایده ال باشد.
ثانیا برای محاسبه توان لازم، تغییرات چند انتالپی مختلف مختلف را بایستی محاسبه نمود. در مرحله اول، محاسبه تغییرات انتالپی آب و متانول از 25oC تا دمای واکنش - در تحقیق حاضر 250oC در نظر گرفته شده است - . با استفاده از اطلاعات مربوط به ظرفیت گرمایی ویژه در دو حالت مایع و بخار و نیز گرمای نهان تبخیر، توان مورد نیاز برای تبخیر کردن و رساندن دمای هر مول آب و هر مول متانول از دمای محیط تا 250oC طی یک ساعت قابل محاسبه است به طوری که:
برای هر گرم مول آب توان لازم 51541/67 J/gmol.h و برای هر گرم مول متانول J/gmol.h 51591/95 خواهد شد. در نتیجه کل توان لازم برای گرم کردن مخلوطی حاو1/4667 گرم مول آب و 0/7375 گرم مول متانول به عنوان خوراک از دمای محیط تا 250oCمعادل 113645/23 J/h بدست خواهد آمد.
در مرحله دوم، محاسبه گرمای ناشی از واکنش یک مول متانول با یک مول آب و تشکیل یک مول کربن دی اکسید و سه مول هیدروژن در دمای.250 oC برای این محاسبه از اطلاعات مربوط به گرمای تشکیل متانول مایع، گرمای تشکیل آب مایع، گرمای تشکیل کربن دی اکسید گازی در 25 oC و نیز تغییرات انتالپی واکنشگرها و محصولات واکنش از دمای معمولی تا 250 oC استفاده می شود که در نتیجه گرمای لازم معادل J/h =43/71W 157345/9 بدست خواهد آمد.
توان محاسبه شده، انرژی لازم برای واکنش 50 گرم خوراک در ساعت با ویژگی های یاد شده در بالا در واکنش ریفرمینگ متانول با بخار آب را تامین می کند. هدف تحقیق حاضر این است که این توان و یا بخشی از آن توسط یک کلکتور خورشیدی سهموی تأمین شود.
-3 طراحی کلکتور سهموی و راکتور/رسیور
برای طراحی کلکتور سهموی، لازم است که معادله سهمی مورد نظر تعیین شود و برای تعیین این معادله محاسبه طول دهانه آیینه و به دنبال آن تعیین فاصله کانونی ضروری است.
-1-3 محاسبه طول دهانه آیینه سهموی - a - اگر قطر لوله راکتور - D - 19 میلی متر و نسبت تراکم معادل 80 در نظر گرفته شود، آنگاه طول دهانه آیینه سهموی a = 152 cm خواهد شد.
-2-3 محاسبه فاصله کانونی آیینه - f -
برای محاسبه فاصله کانونی آیینه فرض می کنیم زاویه لبه - یعنی زاویه بین محور اپتیکی و خط واصل نقطه کانونی و لبه آیینه - 80 باشد. در نتیجه فاصله کانونی 49/65 cm - f - خواهد شد.
-3-3 محاسبه طول قوس کلکتور - S -
طول قوس کلکتور سهموی با استفاده از رابطه هندسی موجود قابل محاسبه است به عبارت دیگر . S=166/25 cm
-4-3 مشخصات کلکتور طراحی شده
بر اساس محاسبات فوق، ورق انتخابی برای ساخت کلکتور از جنس استنلس استیل 304 آیینه ای به ضخامت 0/5mm و به طول 170 سانتیمتر و عرض 120 سانتیمتر است. لذا سطح آیینه تقریبا معادل 2 متر مربع و مشخصات هندسی کلکتور و دریافت کننده - رسیور و یا همان راکتور - به طور خلاصه به شرح ذیل خواهد شد:
- طول دهانه کلکتور:a= 160cm
- نسبت تراکم: CG=80
- زاویه لبه: 80
- فاصله کانونی: f=50cm
- معادله سهمی مورد استفاده:
-6-3 مشخصات راکتور/رسیور
همانطور که گفته شده رسیور در این تحقیق راکتور کاتالیستی است که با کاتالیست واکنش ریفرمینگ متانول با بخار آب شارژ می شود. مقدار کاتالیست بارگذاری شده 10 گرم و محل بارگذاری در انتهایی ترین بخش راکتور نسبت به ورودی خوراک است. راکتور مورد استفاده لوله مسی با قطر بیرونی 19 میلی متر 3/4 - اینچ - است. به منظور به حداقل رساندن اتلاف گرما از راکتور ناشی از کنوکسیون، راکتور درون یک لوله شیشه ای پیرکس به قطر بیرونی 37 میلی متر قرار داده شده و امکان تخلیه هوای بین این دو لوله با استفاده از پمپ خلأ فراهم شد.
شکل -1 تصویر شماتیک راکتور/رسیور
-4 طراحی سازه کلکتور
با توجه به مشخصات ذکر شده و برای نگاه داری صفحه استیل به شکل هندسی مورد نظر، سازه ای سبک به نحوی طراحی شد که علاوه بر داشتن استحکام لازم، مقاوت کافی را در برابر جریان باد داشته باشد به علاوه سازه مذکور دارای این قابلیت نیز هست که می توان زاویه آن را در مقابل خورشید و در راستای شرقی-غربی تغییر داد. در شکل 2 شمایی از سازه طراحی شده نمایش داده شده است.
شکل -2 شمایی از سازه کلکتور طراحی شده همراه با راکتور/رسیور و نحوه نصب آن
-5 ارزیابی فیزیکی کلکتور سهموی
یکی از آزمایش های انجام شده برای ارزیابی فیزیکی مجموعه کلکتور و رسیور ساخته شده، بررسی توزیع دما در طول رسیور بدون برقراری هرگونه جریان سیال در داخل لولیه رسیور بود. برای این منظور در تاریخ 12 تیر سال 1396 کلکتور در راستای شرقی-غربی نصب و با تنظیم زاویه کلکتور، دما در چند نقطه از طول رسیور اندازه گیری شد. نتایج اندازه گیری در شکل 3 نشان داده شده است.
برای محاسبه توان عملیاتی دستگاه ساخته شده از جریان آب به عنوان سیال خنک کننده رسیور - دریافت کننده گرما - استفاده شد. آزمایش در تاریخ 27 تیر 1396 و در ساعت 13 انجام شد. خلاصه وضعیت سیستم تحت آزمایش در جدول 1 آورده شده است.
شکل -3 توزیع دما در بخشی از طول رسیور مسی در ساعت 11 صبح
