Skip to main content
SUPERVISOR
Kayghobad Shams
کیقباد شمس اسحاقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Saeed Rahnama
سعید رهنما

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
Steam reforming of ethanol is one of the renewable hydrogen production methods. This reaction is carried out in conventional reactors with a limited equilibrium conversion, and the output product contains impurities. Therefore, downstream separation steps are required for purification. Using membrane reactor technology, combining reaction and separation in a device, the equilibrium conversion can be overcome and production of pure hydrogen for use in fuel cell is plausible. The aim of this thesis is mathematical modelling and simulation to evaluate the performance of dense palladium-silver membrane reactor over cobalt-alumina catalyst for ethanol steam reforming reaction to produce pure hydrogen. For this purpose, the isothermal model as the base model has been validated with the experimental data. Then, based on the isothermal model, non-isothermal model has been developed. The set of governing equations of molar, energy, and momentum balances along with appropriate boundary conditions have been solved using MATLAB. Using non-isothermal model simulations, effects of membrane reactor operating and physical parameters, such as wall temperature, reaction pressure, the sweep gas factor, ratio of water vapor to ethanol feedstock, and thickness of membrane on ethanol conversion, recovery, and yield of hydrogen is studied to assess the performance of the above mentioned membrane reactor. The effects of these parameters were investigated one at a time. The simulations results show that almost 100 % ethanol conversion is achieved by feed temprature at 348 ° C for isothermal model and by wall temperature at 420 ° C for non-isothermal model. By increasing the reaction side pressure in the range of 1-10 bar, hydrogen recovery and yield increases, and at the pressure of 10 the best results of 85.35 % and 66.14 % are achieved in recovery and yield hydrogen, respectively. In addition, at a pressure of 5.5 bar, the highest conversion of ethanol that is 87.28% is obtained. The increased ratio of sweep gas to ethanol feed in the range of 1-30 shows improved recovery and yield of hydrogen, and at the highest ratio, recovery and yield of hydrogen become 70.01% and 57.01%, respectively. Changes in ethanol conversion at ratios greater than 5 are not significant. With the increased ratio of water vapor to ethanol feed in the range of 1-20, at ratios of greater than 6 ethanol conversion, recovery, and yield of hydrogen decrease. The best result, i.e. 100% conversion, is achieved at the ratio of 6. By increasing palladium membrane thickness in the range of 5-50 micrometer, ethanol conversion, recovery, and yield of hydrogen slightly decline. The ethanol conversion changes from 81.82 % to 78.70 % by varying the palladium membrane thickness from 5 to 50 micrometer. Using non-isothermal model, the performance of annular and tubular configuration of membrane reactors under similar conditions was compared. The annular configuration with 94.35% conversion was superior compared to 65.68 % conversion for tubular configuration. Keywords Ethanol Steam Reforming, Pd-based Membrane Reactor, Non-isothermal Modelling, Pure Hydrogen
رفرمینگ اتانول با بخار آب یکی از روش‌های تولید هیدروژن تجدیدپذیر است. این واکنش در راکتورهای متعارف با تبدیل تعادلی محدود ی انجام می شود و محصول خروجی آن نیز حاوی ناخالصی است. بنابر این، برای خالص سازی به مراحل جداسازی پایین‌دستی نیاز است. با استفاده از فن‌آوری راکتور غشایی، با ترکیب واکنش و جداسازی در یک دستگاه و غلبه بر تبدیل تعادلی، تولید هیدروژن خالص از این فرآیند برای استفاده در پیل سوختی امکان پذیر است. هدف این پایان نامه، ارائه مدل سازی ریاضی و شبیه سازی برای ارزیابی عملکرد راکتور غشایی پالادیوم-نقره متراکم در حضور کاتالیست کبالت-آلومینا برای انجام واکنش رفرمینگ اتانول با بخار آب برای تولید هیدروژن خالص است. به این منظور، مدل هم دما به عنوان مدل پایه با داده‌های تجربی اعتبار سنجی شده است. سپس، بر مبنای مدل هم دما، مدل غیر هم دما توسعه داده شده است. دستگاه معادلات حاکم ترازهای مولی، انرژی و مومنتوم، همراه با شرایط مرزی مناسب به کمک نرم افزار MATLAB حل شده است. با استفاده از شبیه سازی مدل غیر هم دمای راکتور غشایی، برای ارزیابی عملکرد راکتور غشایی فوق الذکر اثرات پارامترهای عملیاتی و فیزیکی مانند دمای دیواره، فشارناحیه واکنش، نسبت گاز حامل به اتانول خوراک، نسبت بخارآب به اتانول خوراک و ضخامت غشا بر میزان تبدیل اتانول، بازیابی و بازده هیدروژن بررسی شد . اثر هریک از این پارامترها به نوبت بررسی شده است. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که تقریباً تبدیل اتانول 100 درصد در دمای خوراک 348 درجه سانتی گراد برای مدل هم دما و در دمای دیواره ی 420 درجه سانتی گراد برای مدل غیر هم دما حاصل می‌شود. با افزایش فشار ناحیه واکنش در محدوده 10-1 بار درصد بازیافت و بازده هیدروژن افزایش می‌یابد و بهترین نتایج در فشار 10 بار با بازیافت و بازده هیدروژن به ترتیب 35/85 و 14/66 درصد بدست می آید. بعلاوه، در فشار 5/5 بار بیشترین تبدیل اتانول یعنی 28/87 درصد حاصل می‌شود افزایش نسبت گاز حامل به اتانول خوراک در محدوده 30-1 بهبود بازیافت و بازده هیدروژن را نشان می‌دهد و در بالاترین نسبت پارامتر بازیافت و بازده هیدروژن به ترتیب 01/70 و 01/57 در صد می شود. تغییرات تبدیل اتانول در نسبت‌های بزرگ‌تر از 5 قابل ملاحظه نمی باشد. با افزایش نسبت بخارآب به اتانول خوراک در محدوده 20-1 در نسبت های بزرگتر از 6 تبدیل اتانول، بازیافت و بازده هیدروژن کاهش می‌یابند. بهترین نتیجه یعنی درجه ی تبدیل 100 در صد در نسبت 6 حاصل می‌شود با افزایش ضخامت غشای پالادیومی در محدوده 50-5 میکرومتر تبدیل اتانول، بازیافت و بازده هیدروژن بطور جزیی کاهش می یابند. تبدیل اتانول با تغییر ضخامت غشای پالادیومی از 5 به 50 میکرومتر از 82/81 به 70/78 درصد تغییر می یابد. با استفاده از مدل غیر هم‌دما عملکرد پیکربندی حلقوی و لوله ای راکتورغشایی در شرایط یکسان عملیاتی مقایسه شد. پیکربندی حلقوی با تبدیل اتانول 35/94 درصد در مقایسه با 68/65 درصد در پیکربندی لوله‌ای بر تر بود. کلمات کلیدی : رفرمینگ اتانول با بخار آب، راکتور غشایی پالادیومی، مدل سازی غیر هم دما ، هیدروژن خالص

ارتقاء امنیت وب با وف بومی