واژه‌هاي كليدي:هيدروژن، ريفرمينگ خودگرمازا، متان، راکتور مونوليتي فهرست مطالبفصل 1: مقدمه11-1- مقدمه2فصل 2: مروري بر پيشينه تحقيق62-1- مقدمه72-2- ريفرمينگ هيدروکربن‌ها72-2-1- ريفرمينگ با بخار آب72-2-2- ريفرمينگ اکسايش جزئي92-2-3- ريفرمينگ خودگرمازا112-3- مکانيزم واکنش براي ريفرمينگ متان122-3-1- مدلهاي سينتيكي براي ريفرمنيگ متان142-3-2- مدلهاي سينتيكي براي احتراق متان182-3-3- مدلهاي سينتيكي براي واکنش شيفت آب- گاز202-4- راكتورهاي مورد استفاده براي فرآيند ريفرمينگ212-5- مدل‌سازي‌هاي صورت گرفته براي راکتورهاي مونوليتي222-6- نتيجه گيري33فصل 3: ارائه‌ي مدلسازي343-1- مقدمه353-2- مشخصات راكتور مونوليتي مدلسازي شده353-3- فرضيات و معادلات استفاده شده در مدلسازي373-3-1- مدلسازي مکانيزم واکنش433-3-2- روابط سينتيكي براي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست روتنيم443-4- نتيجه‌گيري47فصل 4: نتايج و بحث494-1- مقدمه504-2- بررسي صحت مدلسازي504-1-1- مقايسه با نتايج آزمايشگاهي504-3- اثر ميزان اکسيژن ورودي574-4- اثر ميزان بخارآب ورودي624-5- بررسي اثر دماي گاز ورودي694-6- نتيجه‌گيري75فصل 5: جمع‌بندي و پيشنهادات765-1- مقدمه775-1-1- پيشنهادها78مراجع79پيوست 90 فهرست اشکالشکل (2‑1)- نمايي از يك راكتور مونوليتي21شکل (2‑2): کانتورهاي دما بر روي سطح متقارن در x=0 در (a): W/m.K76/2=k، W/m.K6/27=k، W/m.K2/55=k، W/m.K4/202=k، بر حسب درجه سانتيگراد31شکل (2‑3): بازده ريفرمينگ بر مبناي هبدروژن و گاز سنتز در اثر تغيير توان حرارتي ورودي32شکل (3‑1)- راكتور استفاده شده توسط Rabe36شکل (3‑2)- سطح مش‌بندي شده هندسه مورد استفاده در مدلسازي37شکل( 4‑1)- پروفايل غلظت گونه‌هاي شيميايي حاصل از مدلسازي در شرايط آزمايشگاهي (1)- توان حرارتي kW 09/153شکل (4‑2)- پروفايل غلظت اجزاء در 5/2 ميلي‌متر ابتدايي کانال (الف): بخارآب (ب): متان، اکسيژن، دياکسيدکربن و هيدروژن (ج) مونواکسيد کربن (توان حرارتي ورودي kW 09/1)54شکل (4‑3)- پروفايل دماي حاصل از مدلسازي در شرايط آزمايشگاهي (1)- توان حرارتي kW 09/155شکل (4‑4)- پروفايل دماي حاصل از مدلسازي در شرايط آزمايشگاهي (2)- توان حرارتي kW 97/055شکل (4‑5)- پروفايل غلظت هيدروژن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)58شکل (4‑6) - پروفايل غلظت مونواکسيدکربن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (9/2 = H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)59شکل (4‑7) - پروفايل غلظت دياکسيدکربن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)59شکل (4‑8)- پروفايل غلظت متان در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)60شکل (4‑9)- اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي بر روي ميزان تبديل متان (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)60شکل (4‑10)- پروفايل دما در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)61شکل (4‑11)- پروفايل غلظت هيدروژن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)63شکل (4‑12)- پروفايل غلظت مونواکسيدکربن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)64شکل (4‑13)- پروفايل غلظت دياکسيدکربن در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)64شکل (4‑14)- پروفايل غلظت متان در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (8/3 = H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)65شکل (4‑15)- اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي بر روي ميزان تبديل متان (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)66شکل (4‑16)- پروفايل دما در اثر تغيير ميزان اکسيژن ورودي (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتي kW 09/1)66شکل (4‑17)- تأثير افزايش بخارآب بر روي ترکيب درصد متان خروجي از راکتور68شکل (4‑18)- اثر دماي گاز ورودي بر روي ترکيب درصد متان خروجي از راکتور70شکل (4‑19)- اثر دماي گاز ورودي بر روي ترکيب درصد هيدروژن خروجي از راکتور71شکل (4‑20)- اثر دماي گاز ورودي بر روي ترکيب درصد مونواکسيد کربن خروجي از راکتور71شکل (4‑21)- اثر دماي گاز ورودي بر روي پروفايل دماي درون راکتور72شکل (4‑22)- اثر دماي °C 450 در ورودي راکتور بر روي کانتور دماي درون آن73شکل (4‑23)- اثر دماي °C 500 در ورودي راکتور بر روي کانتور دماي درون آن74شکل (4‑24)- اثر دماي °C 550 در ورودي راکتور بر روي کانتور دماي درون آن74شکل (4‑25)- اثر دماي °C 600 در ورودي راکتور بر روي کانتور دماي درون آن75 فهرست جداولجدول (3‑1)- پارامترهاي سينتيکي براي کاتاليست 5% (انرژي اکتيواسيون بر حسب kJ/kmol)45جدول (3‑2)- ثوابت جذب مواد براي فرآيند ريفرمينگ خودگرمازا 46جدول (3‑3)- ثوابت تعادلي براي فرآيند ريفرمينگ خودگرمازا 47جدول (4‑1)- مشخصات خوراک ورودي به راکتور در کار آزمايشگاهي51جدول (4‑2)- مقايسه نتايج حاصل از مدلسازي با کار آزمايشگاهي در شرايط توان حرارتي kW 09/152جدول (4‑3)- مقايسه نتايج حاصل از مدلسازي با کار آزمايشگاهي در شرايط توان حرارتي kW 97/052جدول (4‑4)- تأثير افزايش بخارآب بر روي yield هيدروژن (%)67جدول (4‑5)- تأثير افزايش بخارآب بر روي yield مونواکسيدکربن (%)67جدول (4‑6)- تأثير افزايش بخارآب بر روي yield دياکسيدکربن (%)68 فصل 1: مقدمهپيلهاي سوختي مستقيماً انرژي شيميايي يک سوخت را به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند. پيلهاي سوختي، به علت دانسيته توان بالا، محصولات جانبي بي‌زيان براي محيط زيست و شارژ مجدد سريع، به عنوان يکي از تکنولوژي‌هاي نوين براي توليد انرژي در آينده و جايگزين مناسبي براي توليد انرژي از روش‌هاي مرسوم محسوب مي‌شوند. مهم‌ترين مزيت پيلهاي سوختي، در مقايسه با موتورهاي رفت و برگشتي و استرلينگ، امکان دستيابي به بازده بالاتر در تبديل سوخت به الکتريسيته است که به ويژه در مناطق آلوده مناسب است.براي پيلهاي سوختي، هيدروژن سوخت ارجح است. مزيت استفاده از هيدروژن در پيل سوختي به واکنش‌پذيري زياد آن براي واکنش الکتروشيميايي آند و غير آلاينده بودن آن برمي‌گردد. با اين وجود، هيدروژن به صورت يک محصول گازي در طبيعت موجود نمي‌باشد. به همين جهت بايد از آب، سوخت‌هاي فسيلي و ساير مواد با دانسيته هيدروژن بالا استفاده شود که مي‌تواند فرآيند دشوار و پرهزينه‌اي باشد. همچنين ذخيره کردن هيدروژن، بخصوص براي استفاده در وسايل نقليه و کاربردهاي خانگي، هنوز به آساني امکان‌پذير نشده است. به همين منظور استفاده از سيستم‌هاي فرآوري سوخت پيشنهاد شده است تا هيدروژن موردنياز براي پيلهاي سوختي در محل توليد شود. استفاده از اين سيستم‌هاي فرآوري سوخت، امکان ترکيب دانسيته انرژي بالاي سوخت‌ها و دانسيته توان بالاي پيل سوختي را مي‌دهد و در مجموع يک سيستم با بازده بالا را بوجود مي‌آورد. تاکنون تحقيقات زيادي براي بررسي سيستم‌هاي فرآوري سوخت بصورت کار آزمايشگاهي و مدلسازي صورت گرفته است.سه روش ريفرمينگ براي توليد هيدروژن وجود دارد که شامل ريفرمينگ با بخار آب (SR)[1]، اکسايش جزئي (POX) [2] و ريفرمينگ خودگرمازا (ATR) [3] است. ريفرمينگ با بخارآب، گرماگير بوده و اکسايش جزئي يک فرآيند گرمازا مي‌باشد. واکنش‌دهنده‌ها براي ريفرمينگ خودگرمازا شامل بخارآب، اکسيژن و سوخت مي‌باشد. در واقع ريفرمينگ خودگرمازا، ترکيب ريفرمينگ با بخار آب و اکسايش جزئي مي‌باشد. ريفرمينگ خودگرمازا به علت عدم نياز به منبع حرارتي خارجي و تشکيل مقادير کمتر از دوده، روش ارجح براي استفاده در يک وسيله نقليه مي‌باشد. در اين مطالعه، با كمك ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) [4] ريفرمر خودگرمازاي متان مدلسازي شده است.مهم‌ترين هدف اين تحقيق، مطالعه عددي فرآيند ريفرمينگ خودگرمازاي متان به کمک مدلسازي سه بعدي مي‌باشد. به کمک نتايج حاصل از مدلسازي مي‌توان تغييرات دما و غلظت اجزاء را در هر نقطه درون راکتور مورد مطالعه قرار داد. اهميت اين مدلسازي به تأمين اطلاعات براي طراحي سيستم‌هاي ريفرمينگ برمي‌گردد كه با كمك آنها مي‌توان از مشکلاتي نظير تشکيل نقاط داغ درون راکتور که منجر به آسيب رسيدن به کاتاليست مي‌شود، جلوگيري کرد. بنابراين مدلسازي CFD، به بهينه‌سازي طراحي راکتور و تعيين شرايطي که منجر به بهبود بازده تبديل سوخت مي‌شود، کمک مي‌کند. همچنين زمان و هزينه لازم براي پياده‌سازي ايده‌ها و طراحي‌هاي جديد کاهش مي‌يابد.تحقيقات زيادي براي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست‌هاي مرسوم نظير نيكل، پلاتين، پالاديم و ... صورت گرفته است. در بسياري از اين تحقيقات، كاتاليست مورد استفاده براي بخش اكسايش جزئي و ريفرمنيگ با بخار آب، متفاوت است. مدل‌سازي‌هاي صورت گرفته در اين تحقيقات هم عمدتاً بر مبناي رابطه‌‌ي سرعت‌هاي واكنش بر روي كاتاليست‌هاي مرسوم مي‌باشد. در جستجوي انجام شده توسط نويسنده، تاكنون مدلسازي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست 5% در يک راکتور مونوليتي صورت نگرفته است. هدف اين تحقيق، مدلسازي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست 5% به كمك ديناميك سيالات محاسباتي است. مزيت استفاده از كاتاليست 5% در آن است كه مي‌تواند هر دو واكنش اكسايش جزئي و ريفرمنيگ با بخار آب را پيش ببرد. در مدلسازي صورت گرفته نيز از معادلات سرعت اصلاح شده براي كاتاليست 5% استفاده شده است. راكتور انتخاب شده در اين تحقيق، يك راكتور مونوليتي كاتاليستي است. راكتورهاي مونوليتي، از تعداد زيادي كانال جريان موازي هم كه توسط ديواره‌هاي جامد از هم جدا مي‌شوند، تشكيل شده‌اند. راكتورهاي مونوليتي به علت نسبت سطح به حجم بالا و افت فشار كم، براي كاربردهاي سيار مناسب مي‌باشند. با اين وجود مدلسازي راكتورهاي مونوليتي بسيار هزينه‌بر و زمان‌بر است. به همين منظور رفتار يك كانال از راكتور مونوليتي تقريباً مشابه رفتار كل راكتور مونوليتي فرض شده است و هندسه‌ي يك كانال به عنوان دامنه محاسباتي انتخاب شده است. اين مدلسازي شامل مدلي سه بعدي براي راكتور كه در برگيرنده‌ي معادلات بقاي جرم، ممنتوم، انرژي و بقاي گونه‌هاي شيميايي مي‌باشد و نيز مدلي براي در نظر گرفتن مكانيزم و رابطه سرعت واكنش‌ها است. اين معادلات به كمك نرم‌افزار Fluent 6.3.26 كه بر مبناي محاسبات حجم محدود [5] است، حل شده است. براي درنظر گرفتن رابطه سرعت واكنش‌ها از برنامه‌نويسي در محيط C++ استفاده شده است كه اين برنامه قابليت استفاده براي كارهاي مشابه را دارد. نتايج اين مدلسازي با كار آزمايشگاهي صورت گرفته براي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي كاتاليست 5% مقايسه شده است. در ادامه اثر تغيير پارامترهاي عملياتي بر روي ميزان هيدروژن و مونواکسيدکربن توليد شده و پروفايل دماي درون راکتور بررسي شده است. پارامترهاي عملياتي مورد بررسي شامل نسبت مولي اكسيژن به متان (O2/CH4)، نسبت مولي بخارآب به متان (H2O/CH4) و دماي گاز ورودي به راكتور مي‌باشد.نتايج تحقيق در گزارشي شامل پنج فصل ارائه شده است. بعد از ارائه مقدمات در فصل اول، در فصل دوم به بررسي فرآيندهاي ريفرمينگ مورد استفاده براي توليد هيدروژن پرداخته شده است. در ادامه مدلهاي سينتيكي ارائه شده براي فرآيندهاي ريفرمينگ متان ارائه شده اند و در نهايت مدل‌سازي‌هاي صورت گرفته براي راكتورهاي مونوليتي مرور شده است. فصل سوم به ارائه مشخصات راکتور مونوليتي مورد استفاده براي مدلسازي پرداخته است. همچنين فرضيات و معادلات بقاي جرم، انرژي، ممنتوم و بقاي گونه‌هاي شيميايي حاکم بر مدلسازي ارائه مي‌گردد. در نهايت معادلات سينتيکي مورد استفاده براي ريفرمينگ خودگرمازاي متان بر روي کاتاليست 5% آورده شده است. در فصل چهارم نتايج حاصل از مدلسازي مورد بحث و بررسي قرار گرفته‌اند و بهينه‌ترين حالت (در محدوده مورد بررسي) که منجر به بيشترين مقدار توليد هيدروژن مي‌شود ارائه شده است. در نهايت در فصل پنجم، راه‌کارهاي پيش رو براي بهبود نتايج مدلسازي ارائه شده‌اند.