دانلود پروژه:شبیه سازی CFD و بررسی عملکرد راکتور مونولیتیک ریفرمینگ متان

فهرست مطالب

فصل اول : مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………1

1-1-مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..2

فصل دوم : کاتالیزورهای مونولیتیک ……………………………………………………………………………………………………5

2-1-مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….6

2-2- بررسیوضعیتوپژوهش درکاتالیزورهای مونولیتبرای فرایندهای شیمیایی……………………………10

2-2-1- مواد ……………………………………………………………………………………………………………………………….10

2-2-2- دانش مهندسی وارتباط طراحی …………………………………………………………………………………..12

2-3- عملیاتو فرایندهای جذب کاتالیست مونولیتیک …………………………………………………………………………17

2-3-1- راکتورهای چند فازی …………………………………………………………………………………………………..17

2-3-2- واکنش های گاز جامد ………………………………………………………………………………………………….22

2-4- جمع بندی ………………………………………………………………………………………………………………………………………25

فصل سوم : بررسی تکنولوژی تولید هیدروژن با ریفرمینگ بخار آب و جریان شیفتگاز آب……..……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..27

3-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………28

3-2- ریفرمینگ ……………………………………………………………………………………………………………………………………….31

3-2-1- کاتالیزورهای ریفرمینگ بخار آب ………………………………………………………………………………..34

3-2-1-1- کاتالیزور نیکل…………………………………………………………………………………………….34

3-2-1-2- کاتالیزور روی ……………………………………………………………………………………………..36

3-2-1-3- کاتالیزور کربن ……………………………………………………………………………………………38

3-2-1-4- کاتالیزور آلومینیوم……………………………………………………………………………………..39

3-2-1-5- کاتالیزور سریم …………………………………………………………………………………………..41

3-2-2- حذف محصولات …………………………………………………………………………………………………………..44

3-2-3- راکتورهای میکروکانال ………………………………………………………………………………………………….46

3-2-4- بررسی اجمالی و چشم انداز کاتالیزور ریفرمینگ بخار آب …………………………………………46

3-3- کاتالیزورهای واکنش شیفت گاز آب ………………………………………………………………………………………………48

3-3-1- کاتالیزور آهن ……………………………………………………………………………………………………………….50

3-3-2- کاتالیزور روی ……………………………………………………………………………………………………………….51

3-3-3- کاتالیزور کربن ………………………………………………………………………………………………………………53

3-3-4- کاتالیزور آلومینیوم ……………………………………………………………………………………………………….55

3-3-5- کاتالیزور سریم ……………………………………………………………………………………………………………..56

3-3-6- بررسی اجمالی و چشم انداز کاتالیزور شیفت گاز آب ………………………………………………….61

3-4- مشکلات رایج کاتالیزورهای ریفرمینگ بخار و شیفت گاز آب ………………………………………………………62

3-5- جمع بندی ………………………………………………………………………………………………………………………………………65

فصل چهارم : روش تحقیق …………………………………………………………………………………………………………………..66

4-1-  مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………………….67

4-2- مراحل مدل سازی …………………………………………………………………………………………………………………………..68

4-3- تشریح مسئله …………………………………………………………………………………………………………………………………..68

4-4- هندسه …………………………………………………………………………………………………………………………………………….70

4-5- معادلات حاکم …………………………………………………………………………………………………………………………………71

4-5-1- معادله پیوستگی …………………………………………………………………………………………………………..72

4-5-2- معادله بقای مومنتوم ……………………………………………………………………………………………………72

4-5-3- معادله سینتیک ……………………………………………………………………………………………………………74

4-5-4- معادله بقای جرم………………………………………………………………………………………………………….75

4-5-5- معادله بقای انرژی ………………………………………………………………………………………………………..77

4-6- شرایط اولیه و مرزی ……………………………………………………………………………………………………………………….78

4-6-1- شرایط اولیه …………………………………………………………………………………………………………………..79

4-6-2- شرایط مرزی …………………………………………………………………………………………………………………79

4-7- شبکه یا مش …………………………………………………………………………………………………………………………………..81

4-8- حل عددی ………………………………………………………………………………………………………………………………………82

فصل پنجم : نتایج و تجزیه و تحلیل آنها ………………………………………………………………………………………….84

5-1- اعتبار سنجی …………………………………………………………………………………………………………………………………..85

5-2- بررسی GHSV بر جز مولی گازها ……………………………………………………………………………………………….88

5-3- بررسی اثر دما ………………………………………………………………………………………………………………………………….94

5-4- بررسی اثر بخار آب بر متان …………………………………………………………………………………………………………….99

5-5- بررسی اثر تخلخل ………………………………………………………………………………………………………………………..103

فصل ششم : جمع بندی و ارایه پیشنهادها ……………………………………………………………………………………106

6-1- جمع بندی ……………………………………………………………………………………………………………………………………107

6-2- ارایه پیشنهادها ……………………………………………………………………………………………………………………………..109

منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………………110

فهرست شکل ها

شکل 2-1 . عکسپایه های کاتالیزوریکپارچهباتراکمهایمختلفسلولی ……………………………………………7

شکل 2-2 . افت فشار در مقابل سطح هندسی ویژه سازه مونولیتی، کره ها، ورینگ ها وداده ها …………..8

شکل 2-3 . عکس جریان گاز و مایع در مونولیت با قطر mm50 (قطر کانال1 میلی متر است)………14

شکل 2-4 . توزیع گاز- مایع برای هندسه های مختلف کانال مونولیتی تحت شرایط جریان فیلمی……..14

شکل 2-5 . منحنی طغیان برای بسترهای مختلف مونولیتی که تحت جریان ناهمسو گاز- مایعکنترل می شود………………………………………………………………………………………………………………………………………………………15

شکل 2-6 . مقایسه منحنی های طغیان برای مونولیت هاو دیگر بسترهای متعارفتحت جریان ناهمسوی گاز- مایع . سیستم N- دکان-هوا در شرایط محیط می باشد……………………………………………….16

شکل 2-7. گزینه های اضافه شده به راکتور دوغابی با طراحی بر اساس کاتالیزور مونولیت : (a) همزن یکپارچه(b)راکتور چرخه مونولیت خارجی(c)راکتور چرخه مونولیت داخلی………………………………………..19

شکل 2-8 . طرح جایگزین برای راکتور چرخه مونولیت داخلی ………………………………………………………………20

شکل 2-9 . جایگزینی بستر جریان شعاعی (b) با بستر مونولیتی که در جریان محوری(b و c) کنترل می‌شود ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………23

شکل 3-1 . تصویر روند کلی تبدیل متان به CO₂ وH₂ بر روی یک کاتالیزور پایه فلزی…………………..30

شکل 3-2 . نمودار نشان دهنده مراحل متعدد برای تولیدCO₂و H₂، شروع با ریفرمینگ بخار …………31

شکل 3-3.  تبدیلمتانولبرایکاتالیزورنیکل/روی/آلومینیومآزمایششدهبرایSR.نسبتنیکل/رویثابتباقیمیمانددرحالیکهدرصدوزنیافزایشمییابد……………………………………………………………………37

شکل 3-4 . نمودارتبدیلبالایمتاندرC800برایکاتالیزورمنیزیم/آلومینیومدوپشدهبانیکل کهدرمقایسهبابقیهتستشدهاست…………………………………………………………………………………………………………….40

شکل 3-5 . مقایسه کاتالیزور 3٪ – 30٪ نیکل دوپ شده با ZrO₂– Ceدر 750درجه سانتیگراد……….42

شکل 3-6 . تبدیل کسری متان در راکتور بستر پرشده و یک راکتور غشایی در برابر ارزش تعادلی………45

شکل 3-7. نمودار سطحی نشان دهنده تبدیل CO در مقابل درجه حرارت برایLTSR، HTSR،و ترکیب آنها …………………………………………………………………………………………………………………………………………………49

شکل 3-8 . ثباتکاتالیزورهای Raneyمسکهازطریقفرایند لیچینگدر زمانهایمختلفآماده می‌شوند……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..52

شکل 3-9 . نمودارنشاندهندهتبدیلدربرابردرجهحرارتکاتالیزورپلاتیندرسریم،کربنوترکیبسریموپایه کربن. افزودنکربنبهکاتالیزورPt – Ceفعالیتبالاتریدردرجهحرارتبالارانشانمی‌دهد………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..53

شکل 3-10 . مقایسهذخیرهسازیاکسیژنبرایکاتالیزورCe/Zr که دردوروشآمادهسازیمختلفبادرصدهایمختلفCe استفادهمی شود …………………………………………………………………………………………….58

شکل 3-11 . تبدیلCOدرمقابلدرجهحرارتبرایکاتالیزورCe/Zrدوپشدهباپالادیوموفلزخاکیکمیاب …………………………………………………………………………………………………………………………………………….59

شکل 3-12 . سهکاتالیزورمختلفکه در طیفوسیعیازدرجهحرارتومقدارگوگردخوراکتستشدهاند ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………60

شکل 3-13 . تصاویرTEMازنانومیلهCeO₂بامقادیرمختلفیازلانتان ………………………………………….60

شکل 3-14 . نموداررسم شدههفتفلز مختلفومقاومتآنهادربرابرمسمومیتگوگرد.نمودارنسبتهیدروژنبههیدروژنسولفیدرانشانمیدهد. هنگامیکههیدروژنسولفید حذف شود،مشکلاتگوگردکمتررخمیدهد …………………………………………………………………………………………………………………………..64

شكل4-1. هندسه یک راکتور مونولتیک شبکه زنبوری ………………………………………………………………………69

شكل4-2 .هندسه کانال شبیه سازی شده …………………………………………………………………………………………….71

شكل4-3 . انواع مختلف المان شبکه بندی ……………………………………………………………………………………………81

شكل4-4 .شبکه بندی هندسه راکتور مونولتیک شبیه سازی شده ……………………………………………………..82

شكل5-1. مقایسه‌ی بین مدل آزمایشگاهی و مدل محاسباتی در دمای 1073 کلوین[76] ……………..86

شكل 5-2. مقایسه‌ی بین مدل آزمایشگاهی و مدل محاسباتی در دمای 1073 کلوین[76] ……………….86

شكل 5-3 .مقایسه‌ی بین مدل آزمایشگاهی و مدل محاسباتی در دما 1073 کلوین[76] …………………..87

شكل 5-4 . مقایسه‌ی بین مدل آزمایشگاهی و مدل محاسباتی در دمای 1073 کلوین[76] ……………….87

شكل 5-5 .پروفایل سرعت سیال گاز در داخل راکتور مونولتیک ………………………………………………………….88شكل 5-6 .تاثیر GHSV بر جز مولی متان در طول راکتور در دمای ورودی 1073 کلوین ………………89

شكل 5-7. تاثیر GHSV بر جز مولی هیدروژن در طول راکتور در دمای ورودی 1073 کلوین…………90

شكل 5-8 . پروفایل جز مولی متان در طول راکتور مونولتیک در دمای ورودی 1073 کلوین ……………..91

شكل5-9.تاثیر GHSV بر جز مولی دی اکسید کربن در طول راکتور در دمای ورودی 1073 کلوین……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………92

شكل5-10.پروفایل جز مولی هیدروژن در طول راکتور مونولتیک در دمایورودی 1073 کلوین ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………93

شكل 5-11 .تاثیر GHSV بر جز مولی مونواکسید کربن در طول راکتور در دمای ورودی 1073 کلوین ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………93

شكل 5-12 .تاثیر GHSV بر دمای سیال گازی در طول راکتور مونولتیک ……………………………………….94

شكل 5-13 .تاثیر دمای ورودی گاز بر دمای سیال گازی در طول راکتور مونولتیک …………………………..95

شكل 5-14 پروفایل دما در طول راکتور مونولتیک در دمای ورودی 1073 کلوین ……………………………95

شكل 5-15 .تاثیر دمای سیال ورودی بر جز مولی متان در طول راکتور مونولتیک …………………………….96

شكل 5-16 .پروفایل جز مولی متان در طول راکتور در دمای ورودی (a)973 و(b)1073کلوین………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….97

شكل 5-17 .تاثیر دمای سیال ورودی بر جز مولی هیدروژن در طول راکتور مونولتیک ……………………..97

شكل 5-18 .پروفایل جز مولی هیدروژن در طول راکتور در دمای ورودی 973 (a) و(b) 1073  کلوین ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………98

شكل 5-19 .تاثیر دمای ورودی بر درصد تبدیل متان در GHSV مختلف …………………………………………99

شكل 5-20 .تاثیر GHSV بر درصد تبدیل متان در نسبت بخار آب به متان (S/C) متفاوت ………100

شكل 5-21 .تاثیر GHSV بر جز مولی مبنای خشک هیدروژن در نسبت بخار آب به متان (S/C) متفاوت …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….101

شكل 5-22 .تاثیر GHSV بر جز مولی مبنای خشک دی اکسیدکربن در نسبت بخار آب به متان (S/C) متفاوت ……………………………………………………………………………………………………………………………………….101

شكل 5-23 . تاثیر GHSV بر جز مولی مبنای خشک مونواکسید کربن در نسبتبخار آب به متان (S/C) متفاوت ……………………………………………………………………………………………………………………………………….102

شكل 5-24 .تاثیر تخلخل بر جز مولی متان در طول راکتور مونولتیک در دمای 1073 کلوین ………103

شكل 5-25 .تاثیر تخلخل بر جز مولی متان در طول راکتور مونولتیک در دمای 973 کلوین …………104

شكل 5-26 .تاثیر تخلخل بر جز مولی هیدروژن در طول راکتور مونولتیک در دمای 973 کلوین ….104

شكل 5-27 .تاثیر تخلخل بر جز مولی هیدروژن در طول راکتور مونولتیک در دمای 1073 کلوین ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….105

فهرست جدولها

جدول 2-1. نمونه هایی ازساختارهای هاییکپارچه، مواد، و استفاده از آنها ……………………………………………7

جدول 3-1 . فلزاتکاتالیستیمورد استفاده برایواکنشSRبا پایه هایمتنوع وبرخی ازخواص مرتبط باآن………………………………………………………………………………………………………………………………………………..47

جدول 3-2 . مجموعهایازکاتالیزورهایفلزاتوپایه هایمورداستفادهبرایواکنشWGS………….61

جدول 4-1 .هندسه کانال پیل سوختی شبیه سازی شده[68]…………………………………………………………….70

جدول 4-2.  ویژگی های فیزیکیو عملیاتی راکتور مونولتیک شبیه سازی شده[68]…………………………79

جدول 4-3 . شرایط مرزی ورودی ……………………………………………………………………………………………………………80

جدول 4-4. شرایط مرزی خروجی ………………………………………………………………………………………………………….80

جدول 4-5 . شرایط مرزی تقارن ……………………………………………………………………………………………………………..80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست علائم

علائم یونانی:

ρ               دانسیته سیال(kg.m^-3) Fluid density

μویسکوزیته دینامیک (kg.m^-1.s^-1) Dynamic viscosity

α                   ضريب توزيع (بدون بعد)Rotation coefficient

ε        ضریب تخلخل (بدون بعد) porosity

علائم لاتین:

j سرعت ظاهری گاز(m.s^-1) Superficial velocity

Cغلظت  (mol/m³)Concentration

Vحجم  (m³)Volume

C_pظرفيت گرمايي (J/kgK)Heat capacity

D_eff       ضريب نفوذ(m²/s)Penetration

d_p           قطر دانه کاتاليستي (m)diameter

hضريب انتقال حرارت(j/m²sk) Heat transfer coefficient

T دما (K)temperature

P  فشار (bar)pressure

A_sسطح به ازاي حجم دانه کاتاليست (1/m) Surface tension

Lطول راکتور (m)length