توصيفگر ها :
واكنش تعادلي آب گاز , راكتور غشايي پالاديومي , كاتاليست Pt-TiO2 , هيدروژن خالص , مدل سازي غيرتكدما
چكيده فارسي :
چكيده
در اين پژوهش يك مدل رياضي براي توليد هيدروژن در راكتور غشايي ارائه شده است. اين مدل با استفاده از معادله هاي موازنه جرم و موازنه انرژي در دو سمت نفوذ و واكنش راكتور غشايي به دست آمده است. براي توليد هيدروژن در مدل توسعه داده شده از غشاي پالاديومي كه يك غشاي بسيار پركاربرد در جداسازي گزينشي براي جداسازي هيدروژن است و همچنين از كاتاليست پلاتين-تيانيوم اكسيد استفاده شده است. با استفاده از مدل توسعه داده شده واكنش آب گاز در راكتور غشايي اثر تغييرات پارامترهاي عملياتي مانند ضخامت غشا ،تغييرات دماي خوراك ،نسبت آب به كربن مونواكسيد و اثر فشار بر سامانه مورد بررسي و نتايج به دست آمده با نتايج آزمايشگاهي تطبيق داده شدند.
بر اساس نتايج شبيه سازي ،ميزان تبديل كربن مونواكسيد در حالت تكدما و در دماي320 درجه سانتيگراد بالاترين ميزان تبديلي را در حدود 3/98 درصد بدست آمد. با افزايش نسبت آب به كربن مونواكسيد ميزان تبديل كربن مونواكسيد افزايش يافت و در نسبت 25 ميزان تبديل كربن مونواكسيد به حدود 98 درصد رسيد. بازيافت و بازدهي هيدروژن با افزايش اين نسبت كاهش حدود 7 و 8 درصدي داشتند. همچنين كمترين افت فشار در راكتور با تخلخل 1/0 به دست آمد. اثر ضخامت غشاي پالاديومي در محدوده 5 الي 20 ميكرومتر مورد بررسي قرار گرفت و بيشترين بازدهي و بازيافت هيدروژن در ضخامت 5 ميكرومتر به دست آمد كه به ترتيب 87 و 88 درصد بودند. بالاترين ميزان تبديل كربن مونواكسيد در ضخامت 5 ميكرومتر غشا 8/97 درصد به دست آمد. سرعت فضايي به عنوان يك عامل تاثير گذار در عملكرد راكتور مورد توجه قرار گرفت و ميزان تبديل كربن مونواكسيد ، بازيافت و بازدهي هيدروژن در سرعت هاي فضايي 10000 تا 50000 بر ساعت بررسي شد. بالاترين ميزان تبديل كربن مونواكسيد در سرعت فضايي 10000 بر ساعت مقدار 94 درصد بود و بازيافت و بازدهي هيدروژن هم در سرعت فضايي 10000 بر ساعت بترتيب معادل 97 و 98 درصد بود. با بررسي اثر حضور وجهت حركت گاز بي اثر در سمت نفوذ مشاهده شد كه در جهت حركت معكوس بازدهي و بازيافت هيدروژن و همچنين ميزان تبديل كربن مونواكسيد كاهش يافت. سرعت گاز بي اثر نيز در سرعت هاي 1 الي 5 متر بر ثانيه مورد بررسي قرار گرفت و در سرعت 5 متر بر ثانيه با بيشترين ميزان تبديل كربن مونواكسيد 4/87 و بازيافت و بازدهي هيدروژن 5/82 و 1/73 درصد به دست آمد. بررسي اثر فشار نيز نشان داد با افزايش فشار تبديل كربن مونواكسيد افزايش مي يابد ولي بازدهي و بازيافت هيدروژن در حدود 13 و 12 درصد با افزايش فشار از 1/0 تا 5/0 بار افزايش يافت.
كلمات كليدي : واكنش تعادلي آب گاز ،راكتور غشايي پالاديومي ،كاتاليست Pt-TiO2 ،هيدروژن خالص،مدل سازي غيرتكدما
چكيده انگليسي :
Abstarct
In this research, a mathematical model for hydrogen production in membrane reactors based on water-gas shift (WGS) reaction was developed and solved numerically. The mathematical model was obtained by using mole and energy balances in both diffusion and membrane reactor regions. To produce hydrogen in the developed model, palladium membrane, which is widely used in selective separation of hydrogen, and platinum-titanium oxide catalyst was used. Using the developed model of WGS reaction in the membrane reactor, the effect of changes of operating parameters such as membrane thickness, feed temperature, molar water to carbon monoxide ratio and the effect of pressure on the system were studied and the results were verified by experimental results.
Based on the simulation results, the rate of carbon monoxide conversion at isothermal condition of320 ° C the highest conversion achieved was about 98.3%. With the increase of water to carbon monoxide molar ratio, the amount of carbon monoxide conversion increased and at the molar ratio of 25, the amount of carbon monoxide conversion reached about 98%. Hydrogen recovery and efficiency decreased by about 7 and 8%, respectively with increasing this ratio. Also, the lowest pressure drop in the reactor with a porosity of 0.1 was obtained. The effect of palladium membrane thickness in the range of 5 to 20 μm was investigated and the highest efficiency and hydrogen recovery were obtained at the thickness of 5 μm, which were 87 and 88%, respectively. The highest carbon monoxide conversion of about 98.7 % was obtained at the membrane thickness of 5 μm. Spatial velocity was considered as an influential factor in reactor performance, and carbon monoxide conversion, recovery, and hydrogen efficiency at spatial velocities of 10,000 to 50,000 per hour was investigated. The highest carbon monoxide conversion at a speed of 10,000 rpm was 94% and the recovery and efficiency of hydrogen at a speed of 10,000 rpm was 97% and 98%, respectively. By examining the effect of the presence and direction of flow of the inert sweeping gas on the diffusion side, it was observed that in the countercurrent movement, the efficiency and recovery of hydrogen as well as the rate of carbon monoxide conversion decreased. The inert sweeping gas velocity was also investigated at velocities of 1 to 5 m /s. At a velocity of 5 m/s the highest carbon monoxide conversion was about 87.4 %, and hydrogen recovery and efficiency was 82.5 % and 73.1%, respectively. The study of the effect of pressure also showed that carbon monoxide conversion increased with increasing pressure, but the efficiency and recovery of hydrogen increased by about13 and 12% with increasing pressure from 0.1 to 0.5 times, respectively.
Keywords: Water-gas shift reaction, Palladium membrane reactor, Pt-TiO2 catalyst, Membrane reactor, Non-isothermal modeling
