شبیه سازی تولید هیدروژن در میکروراکتورها

مجموعه ای از عوامل مختلف از جمله محدودیت منابع فسیلی، تاثیرات منفی زیست محیطی استفاده از منابع هیدروکربنی، منازعات سیاسی و تاثیرات آن بر روی ارائه پایدار انرژی و افزایش قیمت سوخت های فسیلی از جمله دلایلی هستند که بسیاری از سیاستمداران و متخصصین انرژی و محیط زیست را به ادامه تحقیق برای ایجاد ساختاری نوین مبتنی بر امنیت ارائه انرژی، حفظ محیط زیست و ارتقاء کارایی سیستم انرژی وادار نموده است. بر این اساس، هیدروژن یکی از بهترین گزینه ها برای جایگزینی سوخت های فسیلی است. انرژی آزاد شده در واحد جرم هیدروژن بسیار بیشتر از سوخت‏های متعارف است و در آینده به عنوان منبع تامین انرژی، یک راه‏ حل ایده‏آل و طولانی در مواجهه با مشکلاتی که سوخت‏ها پدید می‏آورند، خواهد بود. تولید هیدروژن از منابع تجدید‏پذیر، هزینه تولید آن را به مقدار قابل قبولی کاهش می‏دهد که البته این امر در آینده و با تحقیقات بیشتر در این زمینه محقق می‏شود. از این رو لازم است مطالعات بیشتری انجام شود تا بتوان فرآیند بهینه ای را برای تولید هیدروژن شناسایی کرد. اگرچه هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی می تواند انعطاف پذیری زیادی در الگوی مصرف انرژی در جهان ایجاد کند و آن ها را بهبود دهد ولی باید یادآور شد که هنوز بازار تجاری گسترده ای برای هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی وجود ندارد و کاربردهای عمد? آن به مصرف در صنایع نفت و پتروشیمی و سایر واحدهای تولید مواد شیمیایی محدود می شود و تنها کاربرد مستقیم گاز هیدروژن، تأمین انرژی در پیل های سوختی می باشد. هم اکنون در صنایع بزرگ اتومبیل سازی کاربرد پیل های سوختی به عنوان عامل محرکه، مورد توجه جدی قرار گرفته و به صورت یک برنام? راهبردی در آمده است. در حال حاضر، بیشترین تولید هیدروژن توسط روش‏های تبدیلی انجام می شود. سوخت های فسیلی مهمترین ماده اولیه‏ مورد استفاده در این روش ها محسوب می شوند. برای تولید هیدروژن می‏توان از مواد مختلفی استفاده کرد و با توجه به تنوع مواد اولیه، روش های تولید نیز متفاوت خواهند بود. تبدیل کاتالیستی گاز طبیعی، ترکیبات سبک نفتی و الکل ها، گازی سازی زغال‏سنگ، پیرولیز زیست‏توده‎ها و زغال‏سنگ، الکترولیز و فوتولیز آب از روش‏های تولید هیدروژن هستند. در این میان تبدیل هیدروکربن های فسیلی وتبدیل متانول روش های اصلی و مورد توجه در تولید هیدروژن محسوب می شوند که خود شامل سه نوعِ تبدیل با بخار آب (smr)، اکسیداسیون جزئی کاتالیستی (cpox) و خود تبدیل گرمائی (atr) است. تبدیل با بخار آب یک فرآیند شدیدا گرماگیر است که انرژی مورد نیاز آن از احتراق سوخت های فسیلی تامین می شود. با این وجود، روش تبدیل با بخار آب در صنعت بسیار مورد توجه قرار گرفته است زیرا درصد هیدروژن تولیدی در محصول این فرآیند از سایر روش ها زیادتر است. در اکسیداسیون جزئی، انرژی مورد نیاز از طریق اکسیداسیون جزئی هیدروکربن ها تامین می شود اما در عین حال برای رسیدن به محصولی با خلوص بالا، لازم است از اکسیژن خالص به جای هوا در ورودی راکتور استفاده شود که هزینه های تولید را شدیدا افزایش می دهد. برای مصارفی که به خلوص بالایی از هیدروژن نیاز دارند، متانول به عنوان یک سوخت عاری از سولفور بسیار مورد توجه می باشد. حسن دیگر متانول نسبت به سایر سوخت های مورد استفاده برای تولید هیدروژن این است که در دمای پایین-تری می توان واکنش های تبدیلی را با استفاده از کاتالیست مس انجام داد ( به عنوان مثال 200-295?c برای تبدیل متانول با کاتالیست مس نسبت به 520-800?c برای تبدیل متان با کاتالیست نیکل). مزیت های دیگری مانند، فراوانی، دانسیته ی زیاد انرژی و عدم نیاز به سولفور زدایی از آن، تهیه آن از منابع تجدیدپذیر (سوخت های زیستی) و سهولت انبار کردن و ارسال آن به پایانه های مصرف، اهمیت متانول را نسبت به سوخت های رقیب دو چندان کرده است. برای تولید هیدروژن از واکنش تبدیل کاتالیستی متانول با بخار آب، راکتورهای کاتالیستی بستر ثابت معایب قابل توجهی دارند. از جمله معایب راکتورهای بستر ثابت، عدم توزیع مناسب واکنش دهنده ها در بستر کاتالیست، افت فشار بالا در طول بستر، ضرایب انتقال جرم پایین و سائیدگی و خرد شدن کاتالیست، به علت قرار گرفتن در مسیر حرکت سیال، می باشد. به علت ویژگی چیدمان تصادفی و بی نظم کاتالیست در راکتورهای بستر ثابت، دقت ساخت در مقیاس صنعتی، مدل سازی و طراحی این راکتورها محدود می باشد و از همه مهمتر، محدودیت درجه آزادی در طراحی این راکتورها است. به عنوان مثال قطر ذرات بایستی از نقطه نظر فعالیت کاتالیستی کوچک باشد، اما هر چه قطر ذرات کاتالیست کوچک تر باشد، افت فشار بیشتر می شود. مطالعه در مورد روش هایی که موجب حذف این معایب می شوند، محققین را به سمت و سوی استفاده از میکروراکتورها سوق داده است. استفاده از میکروراکتورها برای تولید هیدروژن از تبدیل متانول با بخار آب، در کنار افزایش میزان تبدیل متانول باعث کاهش تولید کربن مونواکسید نیز خواهد شد که در صورت استفاده از هیدروژن تولیدی برای مصارف پیل سوختی، خلوص هیدروژن سبب افزایش بازده پیل سوختی می شود. میکروکانال ها دارای خصوصیاتی برای اتلاف کمتر انرژی، بازده بالاتر، توزیع موثر جریان، طراحی تکرارپذیر و ایمنی بهتر در مقایسه با سیستم های واکنشی متداول هستند. در واقع، بازده بهتر و مصرف انرژی کمتر دو مزیت مشترک برای تمامی انواع میکروکانال ها محسوب می شوند. به دلیل زیاد بودن نسبت سطح به حجم، سرعت انتقال جرم و حرارت در میکروکانال ها نسبت به راکتورهای مرسوم بسیار بیشتر است که باعث می شود واکنش های شیمیایی با بازده و انتخاب پذیری بالاتری انجام شوند. از دیگر خصوصیات میکروراکتورهای شیمیایی می توان به امکان استفاده از ویژگی زمان ماند کوتاه جهت افزایش ظرفیت تولید، سهولت تعویض راکتورهای مستعمل، یکنواختی دما در فضای راکتور، امکان انجام واکنش در دمای بالا و نیز به حداقل رساندن مقاومت های انتقال جرم و حرارت اشاره کرد. در این مطالعه، با در نظر گرفتن یک هندسه ی سه بعدی، شبیه سازی فرآیند تولید هیدروژن در میکروراکتورها با واکنش کاتالیستی تبدیل متانول با بخار آب مورد بررسی قرار می گیرد در این شبیه سازی لازم است اثر هم زمان برهمکنش هیدرودینامیک، پدیده های انتقال و واکنش های شیمیایی را مدنظر قرار داد. هدف این مدل سازی، بررسی اثر شرایط عملیاتی و هندسه و ابعاد میکروراکتورها برای رسیدن به نقطه ی مطلوب در واکنش ها، یعنی افزایش تولید محصول اصلی و کاهش مقادیر محصولات ناخواسته است. اطلاعات مربوط به داده های آزمایشگاهی، برای اعتبار سنجی نتایج مدل سازی ریاضی، مطابف نتایج تجربی ارائه شده از مقالات علمی، در دسترس می باشد. در زمینه ی مدل سازی و شبیه سازی میکروراکتورها برای تولید هیدروژن، مطالعات زیادی انجام شده است. بسیاری از این مطالعات معمولا با فرضیات ساده کننده ی فراوانی همراه هستند و از یک هندسه جامع و قابل کاربرد برای شبیه سازی رفتار واکنش ها استفاده نمی کنند؛ به طوری که تعداد زیادی از آن ها جنبه "تحقیقات مینیاتوری" به خود گرفته اند. در این تحقیقات، هندسه ای از میکروراکتور که برخی مواقع بسیار پیچیده و زینتی است پیشنهاد می شود و معادلات مدل با فرضیاتی ساده کننده ارائه و سپس حل می شوند. ولی باید توجه داشت که این فرضیات برخی مواقع سبب ایجاد درک نادرستی از رفتار راکتور می-شود و باید با احتیاط کامل از آن ها استفاده نمود. در اغلب مطالعات بررسی شده در این زمینه، برای محاسبه ی خواص فیزیکی و انتقالی واکنش دهنده ها از قبیل ضرایب نفوذ جرم، ویسکوزیته و ضریب هدایت حرارتی، از روابط متوسط مخلوط ها استفاده شده است. با توجه به این که در سیستم های واکنشی، با تغییر شرایط عملیاتی احتمال تغییر مرحله کنترل کننده از واکنش به نفوذ و بالعکس وجود دارد باید ضرایب انتقال را با دقت کافی محاسبه کرد و شرایط را برای روبرو شدن با این موضوع فراهم نمود. از این رو هرچند استفاده از ضرایب متوسط مخلوط هر چند می تواند میزان انجام محاسبات را کاهش دهد ولی ممکن است برخی مواقع سبب انحراف نتایج شبیه سازی از واقعیت شود. در این تحقیق تلاش می شود بر خلاف مطالعات قبلی، از تئوری مخلوط های چند جزئی (استفان- ماکسول ) برای محاسبه خواص فیزیکی و انتقالی ترکیبات موجود در واکنش به صورت تابعی محلی از دما، فشار و غلظت استفاده شود. در فصل اول این مطالعه، کلیاتی در مورد هیدروژن، ضرورت و روش های تولید آن بیان می شود. همچنین در این فصل متانول به عنوان یک خوراک مناسب برای واکنش تبدیل کاتالیستی، به منظور تولید هیدروژن معرفی می شود. در فصل دوم، توضیحاتی در مورد تکنولوژی میکرو بیان می شود و استفاده از میکروراکتور در انجام واکنش های شیمیایی بررسی می شود. در فصل سوم مروری بر مطالعات قبلی مرتبط با این پایان نامه ذکر شده است. جهت سهولت در خواندن و نیز حفظ نظم ساختاری پایان نامه، این فصل به دو بخش مطالعات انجام شده برای شناخت میکروراکتورها و مطالعات انجام شده در زمینه تولید هیدروژن در میکروراکتورها تقسیم شده است. در فصل چهارم معادلات مدل، فرضیات و شرایط مرزی لازم برای حل معادلات ارائه شده است. در فصل پنجم به بررسی نتایج حاصل از حل عددی معادلات پرداخته می شود. برای این منظور و مقایسه نتایج حاصل با داده های موجود در مقالات، هندسه میکروراکتور منطبق بر هندسه موجود در مقالهkim و kwown (kim & kwon, 2006) در نظر گرفته می شود. برای حل معادلات از نرم افزارcomsol 4.2a استفاده می شود. در فصل ششم نتایج حاصل از این مطالعه و پیشنهادات مورد نظر برای ادامه و بهبود تحقیقات مرتبط با این موضوع ارائه شده است.