مدل سازی دینامیک سیالات محاسباتی فرآیند تولید هیدروژن از متان در میکروراکتور

هیدروژن به عنوان ماده اولیه اصلی در بسیاری از صنایع شیمیایی و پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرد. هیدروژن می تواند با استفاده از روش های گوناگونی از جمله الکترولیز، تجزیه شیمیایی در اثر حرارت، اکسیداسیون جزئی و تبدیل با بخار از هیدروکربن ها تولید شود. یکی از روش های تولید هیدروژن استفاده از گاز طبیعی و متان می باشد. تبدیل متان با بخار در واقع رایج ترین روش تولید هیدروژن تجاری برای هیدروژن مورد استفاده در واحدهای تولید آمونیاک است. ایالات متحده به تنهایی 9 میلیون تن هیدروژن در سال تولید می کند. واکنش کلی تبدیل متان با بخار در واقع متشکل از دو واکنش، تبدیل گاز آب و تبدیل متان می باشد. از آنجا که ایران با بیش از 6/13 تریلیون متر مکعب دخایر گاز طبیعی شناخته شده یکی از غنی ترین کشورهای جهان به شمار می رود این مقدار گاز که معادل 17 درصد کل ذخایر شناخته شده گاز طبیعی در جهان است ایران را در رتبه دوم قرار می دهد. گاز طبیعی مخلوطی از هیدروکربن ها است که بطور طبیعی در مخازن زیر زمینی یافت می شود و عمدتا از متان و کمی اتان تشکیل شده است. با توجه به فراوانی منابع گازطبیعی در ایران، استفاده از متان برای تولید هیدروژن نسبت به سایر روش ها مناسب تر می باشد. یکی از روش های تولید هیدروژن تبدیل متان با بخار است که در آن متان با بخار آب واکنش می دهد و مخلوطی از هیدروژن، دی اکسید کربن و مونوکسید تولید می کند. امروزه تقریبا تمام هیدروژن توسط تبدیل متان با بخار در پالایشگاه های نفت تولید می شود. در سطح جهانی بیش از 48 ? هیدروژن با روش تبدیل متان با بخار تولید می شود و ماده اولیه برای این منظور گاز طبیعی است. با این حال بهره وری از تبدیل متان با بخار در بهترین حالت 75-65 ? است و تلاش برای افزایش بهره وری این فرآیند، تاثیر قابل توجهی بر اقتصاد هیدروژن دارد. با کاهش مقاومت انتقال جرم و حرارت و غلبه بر محدودیت های ترمودینامیکی می توان به بهره وری بالاتری برای تبدیل متان با بخار دست یافت. میکروراکتورها به عنوان سیستم های واکنش مینیاتوری هستند که مشخصات ابعاد ساختار داخلی آن ها مانند کانال های جریان سیال در رنج میکرومتر تا زیر یک میلیمتر می باشد. میکروراکتورها به علت نسبت بالای سطح به حجم و فواصل انتقال کوتاه، انتقال جرم و حرارت بالایی دارند. در سیستم هایی که با محدودیت در انتقال جرم و حرارت روبرو هستند، میکروراکتور ها برای غلبه بر محدودیت های انتقال مناسب هستند. پیل های سوختی معمولی از هیدروژنی که از تبدیل سوخت های معمول بدست می آید، استفاده می کنند. با این حال توسعه تبدیل کننده های سوخت هیدروکربنی نیاز به درک درستی از مکانیسم ها و مطالعات سینتیکی دارد. به دلیل وجود منابع سرشار گاز طبیعی در ایران، فرآیند تولید هیدروژن از گاز طبیعی در مقیاس کوچک برای پیل های سوختی از اهمیت بسیاری برخوردار است. امروزه با توجه به هزینه های بالای فرآیند های آزمایشگاهی استفاده از مدل سازی دینامیک سیالات محاسباتی می تواند بسیار مفید باشد. هدف در این تحقیق مدل سازی دینامیک سیالات محاسباتی فرآیند تولید هیدروژن از متان در میکروراکتور و بررسی تاثیر پارامتر های فرآیندی از جمله شدت جریان مواد، درجه حرارت و شکل راکتور می باشد. در حقیقت، متان نقطه شروع و پایه اولیه برای درک مترقی از تبدیل هیدروکربن های پیچیده مورد استفاده قرار گرفته است. مدل سازی cfd ابزاری نیرومند در جهت بررسی پدیده های انتقال و طراحی بهینه تجهیزات می باشد. با توجه به هزینه های بالای ساخت تجهیزات آزمایشگاهی و آزمایشات تجربی استفاده از این مدل سازی صرفه جویی در هزینه و زمان خواهد بود. ساخت تجهیزات در مقیاس میکرو نیاز به ابزار و روش های خاص برای ساخت دارند و هزینه ساخت آن ها بسار بالاست. همچنین هزینه ابزار کنترلی مانند کنترل کننده های دما، فشار و جریان در مقیاس میکرو بالاست. با توجه به این شرایط در مواردی که نیاز به بررسی تاثیر شکل و یا شرایط عملیاتی بر روی عملکرد آن تجهیز باشد، هزینه تحقیق بسیار زیاد خواهد شد. در این شرایط استفاده از ابزار های مدل سازی نظیر مدل سازی cfd بسیار مفید و راهگشا خواهد بود. در این تحقیق به مدل سازی تولید هیدروژن از روش تبدیل متان با بخار در میکروراکتور پرداخته می شود. هدف از این مطالعه عددی فرآیند تبدیل متان با بخار با استفاده از مدل سازی سه بعدی cfd و بررسی تاثیر شکل کانال روی میزان تبدیل است. نتایج شبیه سازی می تواند پروفایل های سرعت، دما و غلظت گونه در هر نقطه از راکتور تبدیل را فراهم کند. این اطلاعات در طراحی سیستم برای جلوگیری از مشکلاتی مانند تشکیل نقاط داغ، که می تواند کاتالیست را از بین ببرد، بسیار مفید است چرا که فعالیت کاتالیست به دما حساس است. بنابراین، شبیه سازی cfd به بهینه سازی طراحی راکتور و شناسایی شرایطی که می تواند راندمان تبدیل سوخت را بهبود بخشد، کمک می کند. مدل سازی های cfd همچنین می تواند وقت و هزینه های پیاده سازی ایده ها و طرح های جدید را کاهش دهد.