متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینید متن کامل پایان نامه را در سایت منبع 2 fuka.ir می توانید ببینید

–168

متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینید

دانشکده مهندسی شیمی
مدل‌سازی ریفرمر کاتالیستی مونولیتی خودگرمازا برای تولید هیدروژن برای پیل‌های سوختی
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسی شیمی گرایش ترموسینتیک
نام دانشجو
سید مصطفی صفدرنژاد
استاد راهنما:
دکتر سوسن روشن‌ ضمیر
اردیبهشت ماه 1390

دانشکده مهندسی شیمی
مدل‌سازی ریفرمر کاتالیستی مونولیتی خودگرمازا برای تولید هیدروژن برای پیل‌های سوختی
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسی شیمی گرایش ترموسینتیک
نام دانشجو
سید مصطفی صفدرنژاد
استاد راهنما:
دکتر سوسن روشن‌ ضمیر
استاد مشاور:
دکتر محمد‌حسن ایکانی
اردیبهشت ماه 1390

تأییدیه‌ی هیأت داوران جلسه‌ی دفاع از پایان‌نامه/رساله
نام دانشکده:
نام دانشجو:
عنوان پایان‌نامه یا رساله:
تاریخ دفاع:
رشته:
گرایش:
ردیف سمت نام و نام خانوادگی مرتبه دانشگاهی دانشگاه یا مؤسسه امضا
1 استاد راهنما 2 استاد راهنما 3 استاد مشاور 4 استاد مشاور 5 استاد مدعو خارجی 6 استاد مدعو خارجی 7 استاد مدعو داخلی 8 استاد مدعو داخلی
تأییدیه‌ی صحت و اصالت نتایج
باسمه تعالی
اینجانب ………………………………………….. به شماره دانشجویی ……………………………….. دانشجوی رشته ……………………………. مقطع تحصیلی……………………. تأیید می‌نمایم که کلیه‌ی نتایج این پایان‌نامه/رساله حاصل کار اینجانب و بدون هرگونه دخل و تصرف است و موارد نسخه‌برداری‌شده از آثار دیگران را با ذکر کامل مشخصات منبع ذکر کرده‌ام. درصورت اثبات خلاف مندرجات فوق، به تشخیص دانشگاه مطابق با ضوابط و مقررات حاکم (قانون حمایت از حقوق مؤلفان و مصنفان و قانون ترجمه و تکثیر کتب و نشریات و آثار صوتی، ضوابط و مقررات آموزشی، پژوهشی و انضباطی …) با اینجانب رفتار خواهد شد و حق هرگونه اعتراض درخصوص احقاق حقوق مکتسب و تشخیص و تعیین تخلف و مجازات را از خویش سلب می‌نمایم. در ضمن، مسؤولیت هرگونه پاسخگویی به اشخاص اعم از حقیقی و حقوقی و مراجع ذی‌صلاح (اعم از اداری و قضایی) به عهده‌ی اینجانب خواهد بود و دانشگاه هیچ‌گونه مسؤولیتی در این خصوص نخواهد داشت.

نام و نام خانوادگی:
امضا و تاریخ:

مجوز بهره‌برداری از پایان‌نامه
بهره‌برداری از این پایان‌نامه در چهارچوب مقررات کتابخانه و با توجه به محدودیتی که توسط استاد راهنما به شرح زیر تعیین می‌شود، بلامانع است:
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله برای همگان بلامانع است.
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله با اخذ مجوز از استاد راهنما، بلامانع است.
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله تا تاریخ ……………………………… ممنوع است.
نام استاد یا اساتید راهنما:
تاریخ:
امضا:

تقدیم به:
پدر و مادر مهربانم که همواره پشتیبان محکمی برایم بودند و همسر دلسوز و صبورم که بسیار در انجام این پروژه مرا یاری کرد. .

تشکر و قدردانی:
با سپاس از پروردگار هستی که هر چه داریم از اوست و با سپاس و قدردانی از اساتید ارجمند:
سرکار خانم دکتر روشن‌ضمیر
و
جناب آقای دکتر ایکانی
که با راهنمایی‌های سازنده و بی‌دریغ خود اینجانب را در طول انجام این تحقیق بهره‌مند ساختند.
همچنین از سازمان بهینه‌سازی مصرف سوخت به جهت حمایت مالی در طول این تحقیق تشکر و قدردانی می‌شود.
چکیده
با افزایش کاربرد پیل‌های سوختی در صنعت و به صورت کاربرد در محل، نیاز به توسعه واحدهای تولید در محل هیدروژن وجود دارد. در این تحقیق یک ریفرمر کاتالیستی مونولیتی که در آن فرآیند ریفرمینگ خودگرمازای متان صورت می‌گیرد، بصورت سه بعدی مدل‌سازی می‌شود. کاتالیست مورد استفاده در این مدل‌سازی، 5% می‌باشد. این مدل‌سازی شامل حل هم‌زمان معادلات بقاء می‌باشد که در آن واکنش‌های صورت گرفته نیز اثر داده می‌شود. یک کانال از این راکتور مونولیتی به عنوان دامنه محاسباتی استفاده شده است. نتایج حاصل از این مدل‌سازی‌ تطابق خوبی با داده‌های آزمایشگاهی موجود در منابع دارد. از این مدل برای تخمین عملکرد ریفرمر در سایر شرایط عملیاتی استفاده شده است. پارامترهای مورد بررسی شامل نسبت مولی اکسیژن به متان ورودی (O2/CH4)، نسبت مولی بخارآب به متان ورودی (H2O/CH4) و دمای گاز ورودی به ریفرمر می باشد. در نهایت بعد از بررسی اثر پارامترهای ذکر شده، این نتیجه حاصل شد که برای دستیابی به بیشینه مقدار هیدروژن در محدوده مورد بررسی از نظر پارامترهای عملیاتی، باید نسبت‌های مولی O2/CH4 و H2O/CH4 ورودی به راکتور را بترتیب 445/0 و 8/3 انتخاب کرد. همچنین دمای گاز ورودی به راکتور نیز باید C 600 باشد.
واژه‌های کلیدی: هیدروژن، ریفرمینگ خودگرمازا، متان، راکتور مونولیتی
فهرست مطالب
TOC o “1-3” h z u فصل 1: مقدمه PAGEREF _Toc293906104 h 11-1- مقدمه PAGEREF _Toc293906105 h 2فصل 2: مروری بر پیشینه تحقیق PAGEREF _Toc293906107 h 62-1- مقدمه PAGEREF _Toc293906108 h 72-2- ریفرمینگ هیدروکربن‌ها PAGEREF _Toc293906109 h 72-2-1- ریفرمینگ با بخار آب PAGEREF _Toc293906110 h 72-2-2- ریفرمینگ اکسایش جزئی PAGEREF _Toc293906111 h 92-2-3- ریفرمینگ خودگرمازا PAGEREF _Toc293906112 h 112-3- مکانیزم واکنش برای ریفرمینگ متان PAGEREF _Toc293906113 h 122-3-1- مدلهای سینتیکی برای ریفرمنیگ متان PAGEREF _Toc293906114 h 142-3-2- مدلهای سینتیکی برای احتراق متان PAGEREF _Toc293906115 h 182-3-3- مدلهای سینتیکی برای واکنش شیفت آب- گاز PAGEREF _Toc293906116 h 202-4- راکتورهای مورد استفاده برای فرآیند ریفرمینگ PAGEREF _Toc293906117 h 212-5- مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی PAGEREF _Toc293906118 h 222-6- نتیجه گیری PAGEREF _Toc293906119 h 33فصل 3: ارائه‌ی مدل‌سازی PAGEREF _Toc293906121 h 343-1- مقدمه PAGEREF _Toc293906122 h 353-2- مشخصات راکتور مونولیتی مدل‌سازی شده PAGEREF _Toc293906123 h 353-3- فرضیات و معادلات استفاده شده در مدل‌سازی PAGEREF _Toc293906124 h 373-3-1- مدل‌سازی مکانیزم واکنش PAGEREF _Toc293906125 h 433-3-2- روابط سینتیکی برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست روتنیم PAGEREF _Toc293906126 h 443-4- نتیجه‌گیری PAGEREF _Toc293906127 h 47فصل 4: نتایج و بحث PAGEREF _Toc293906129 h 494-1- مقدمه PAGEREF _Toc293906130 h 504-2- بررسی صحت مدل‌سازی PAGEREF _Toc293906131 h 504-1-1- مقایسه با نتایج آزمایشگاهی PAGEREF _Toc293906132 h 504-3- اثر میزان اکسیژن ورودی PAGEREF _Toc293906133 h 574-4- اثر میزان بخار‌آب ورودی PAGEREF _Toc293906134 h 624-5- بررسی اثر دمای گاز ورودی PAGEREF _Toc293906135 h 694-6- نتیجه‌گیری PAGEREF _Toc293906136 h 75فصل 5: جمع‌بندی و پیشنهادات PAGEREF _Toc293906137 h 765-1- مقدمه PAGEREF _Toc293906138 h 775-1-1- پیشنهادها PAGEREF _Toc293906139 h 78مراجع PAGEREF _Toc293906140 h 79پیوست 90

فهرست اشکال
TOC h z c “شکل” شکل (‏21)- نمایی از یک راکتور مونولیتی PAGEREF _Toc293789068 h 21شکل (‏22): کانتورهای دما بر روی 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 سانتیگراد PAGEREF _Toc293789069 h 31شکل (‏23): بازده ریفرمینگ بر مبنای هبدروژن و گاز سنتز در اثر تغییر توان حرارتی ورودی PAGEREF _Toc293789070 h 32شکل (‏31)- راکتور استفاده شده توسط Rabe PAGEREF _Toc293789071 h 36شکل (‏32)- سطح مش‌بندی شده هندسه مورد استفاده در مدل‌سازی PAGEREF _Toc293789072 h 37شکل( ‏41)- پروفایل غلظت گونه‌های شیمیایی حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (1)- توان حرارتی kW 09/1 PAGEREF _Toc293789073 h 53شکل (‏42)- پروفایل غلظت اجزاء در 5/2 میلی‌متر ابتدایی کانال (الف): بخارآب (ب): متان، اکسیژن، دی‌اکسیدکربن و هیدروژن (ج) مونواکسید کربن (توان حرارتی ورودی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789074 h 54شکل (‏43)- پروفایل دمای حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (1)- توان حرارتی kW 09/1 PAGEREF _Toc293789075 h 55شکل (‏44)- پروفایل دمای حاصل از مدل‌سازی در شرایط آزمایشگاهی (2)- توان حرارتی kW 97/0 PAGEREF _Toc293789076 h 55شکل (‏45)- پروفایل غلظت هیدروژن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789077 h 58شکل (‏46) – پروفایل غلظت مونو‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (9/2 = H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789078 h 59شکل (‏47) – پروفایل غلظت دی‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789079 h 59شکل (‏48)- پروفایل غلظت متان در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789080 h 60شکل (‏49)- اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی بر روی میزان تبدیل متان (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789081 h 60شکل (‏410)- پروفایل دما در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (9/2 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789082 h 61شکل (‏411)- پروفایل غلظت هیدروژن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789083 h 63شکل (‏412)- پروفایل غلظت مونو‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789084 h 64شکل (‏413)- پروفایل غلظت دی‌اکسید‌کربن در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789085 h 64شکل (‏414)- پروفایل غلظت متان در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (8/3 = H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789086 h 65شکل (‏415)- اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی بر روی میزان تبدیل متان (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789087 h 66شکل (‏416)- پروفایل دما در اثر تغییر میزان اکسیژن ورودی (8/3 =H2O /CH4 ، توان حرارتی kW 09/1) PAGEREF _Toc293789088 h 66شکل (‏417)- تأثیر افزایش بخارآب بر روی ترکیب درصد متان خروجی از راکتور PAGEREF _Toc293789089 h 68شکل (‏418)- اثر دمای گاز ورودی بر روی ترکیب درصد متان خروجی از راکتور PAGEREF _Toc293789090 h 70شکل (‏419)- اثر دمای گاز ورودی بر روی ترکیب درصد هیدروژن خروجی از راکتور PAGEREF _Toc293789091 h 71شکل (‏420)- اثر دمای گاز ورودی بر روی ترکیب درصد مونواکسید کربن خروجی از راکتور PAGEREF _Toc293789092 h 71شکل (‏421)- اثر دمای گاز ورودی بر روی پروفایل دمای درون راکتور PAGEREF _Toc293789093 h 72شکل (‏422)- اثر دمای C 450 در ورودی راکتور بر روی کانتور دمای درون آن PAGEREF _Toc293789094 h 73شکل (‏423)- اثر دمای C 500 در ورودی راکتور بر روی کانتور دمای درون آن PAGEREF _Toc293789095 h 74شکل (‏424)- اثر دمای C 550 در ورودی راکتور بر روی کانتور دمای درون آن PAGEREF _Toc293789096 h 74شکل (‏425)- اثر دمای C 600 در ورودی راکتور بر روی کانتور دمای درون آن PAGEREF _Toc293789097 h 75فهرست جداول
TOC h z t “بالانویس جدول;1” c “جدول” جدول (‏31)- پارامترهای سینتیکی برای کاتالیست 5% (انرژی اکتیواسیون بر حسب kJ/kmol) PAGEREF _Toc293785283 h 45جدول (‏32)- ثوابت جذب مواد برای فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا PAGEREF _Toc293785284 h 46جدول (‏33)- ثوابت تعادلی برای فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا PAGEREF _Toc293785285 h 47جدول (‏41)- مشخصات خوراک ورودی به راکتور در کار آزمایشگاهی PAGEREF _Toc293785286 h 51جدول (‏42)- مقایسه نتایج حاصل از مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی در شرایط توان حرارتی kW 09/1 PAGEREF _Toc293785287 h 52جدول (‏43)- مقایسه نتایج حاصل از مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی در شرایط توان حرارتی kW 97/0 PAGEREF _Toc293785288 h 52جدول (‏44)- تأثیر افزایش بخارآب بر روی yield هیدروژن (%) PAGEREF _Toc293785289 h 67جدول (‏45)- تأثیر افزایش بخارآب بر روی yield مونواکسیدکربن (%) PAGEREF _Toc293785290 h 67جدول (‏46)- تأثیر افزایش بخارآب بر روی yield دی‌اکسیدکربن (%) PAGEREF _Toc293785291 h 68

مقدمهمقدمهپیل‌های سوختی مستقیماً انرژی شیمیایی یک سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. پیل‌های سوختی، به علت دانسیته توان بالا، محصولات جانبی بی‌زیان برای محیط زیست و شارژ مجدد سریع، به عنوان یکی از تکنولوژی‌های نوین برای تولید انرژی در آینده و جایگزین مناسبی برای تولید انرژی از روش‌های مرسوم محسوب می‌شوند. مهم‌ترین مزیت پیل‌های سوختی، در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی و استرلینگ، امکان دستیابی به بازده بالاتر در تبدیل سوخت به الکتریسیته است که به ‌ویژه در مناطق آلوده مناسب است.
برای پیل‌‌های سوختی، هیدروژن سوخت ارجح است. مزیت استفاده از هیدروژن در پیل سوختی به واکنش‌پذیری زیاد آن برای واکنش الکتروشیمیایی آند و غیر آلاینده بودن آن برمی‌گردد. با این وجود، هیدروژن به صورت یک محصول گازی در طبیعت موجود نمی‌باشد. به همین جهت باید از آب، سوخت‌های فسیلی و سایر مواد با دانسیته هیدروژن بالا استفاده شود که می‌تواند فرآیند دشوار و پرهزینه‌ای باشد. همچنین ذخیره کردن هیدروژن، بخصوص برای استفاده در وسایل نقلیه و کاربردهای خانگی، هنوز به آسانی امکان‌پذیر نشده است. به همین منظور استفاده از سیستم‌های فرآوری‌ سوخت پیشنهاد شده است تا هیدروژن موردنیاز برای پیل‌های سوختی در محل تولید شود. استفاده از این سیستم‌های فرآوری سوخت، امکان ترکیب دانسیته انرژی بالای سوخت‌ها و دانسیته توان بالای پیل‌ سوختی را می‌دهد و در مجموع یک سیستم با بازده بالا را بوجود می‌آورد. تاکنون تحقیقات زیادی برای بررسی سیستم‌های فرآوری سوخت بصورت کار آزمایشگاهی و مدل‌سازی صورت گرفته است.
سه روش ریفرمینگ برای تولید هیدروژن وجود دارد که شامل ریفرمینگ با بخار آب (SR)، اکسایش جزئی (POX) و ریفرمینگ خودگرمازا (ATR) است. ریفرمینگ با بخارآب، گرماگیر بوده و اکسایش جزئی یک فرآیند گرمازا می‌باشد. واکنش‌دهنده‌ها برای ریفرمینگ خودگرمازا شامل بخارآب، اکسیژن و سوخت می‌باشد. در واقع ریفرمینگ خودگرمازا، ترکیب ریفرمینگ با بخار آب و اکسایش جزئی می‌باشد. ریفرمینگ خودگرمازا به علت عدم نیاز به منبع حرارتی خارجی و تشکیل مقادیر کمتر از دوده، روش ارجح برای استفاده در یک وسیله نقلیه می‌باشد. در این مطالعه، با کمک دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ریفرمر خودگرمازای متان مدل‌سازی شده است.
مهم‌ترین هدف این تحقیق، مطالعه عددی فرآیند ریفرمینگ خودگرمازای متان به کمک مدل‌‌سازی سه بعدی می‌باشد. به کمک نتایج حاصل از مدل‌سازی می‌توان تغییرات دما و غلظت اجزاء را در هر نقطه درون راکتور مورد مطالعه قرار داد. اهمیت این مدل‌سازی به تأمین اطلاعات برای طراحی سیستم‌های ریفرمینگ برمی‌گردد که با کمک آن‌ها می‌توان از مشکلاتی نظیر تشکیل نقاط داغ درون راکتور که منجر به آسیب رسیدن به کاتالیست می‌شود، جلوگیری کرد. بنابراین مدل‌سازی CFD، به بهینه‌سازی طراحی راکتور و تعیین شرایطی که منجر به بهبود بازده تبدیل سوخت می‌شود، کمک می‌کند. همچنین زمان و هزینه لازم برای پیاده‌سازی ایده‌ها و طراحی‌های جدید کاهش می‌یابد.
تحقیقات زیادی برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست‌های مرسوم نظیر نیکل، پلاتین، پالادیم و … صورت گرفته است. در بسیاری از این تحقیقات، کاتالیست مورد استفاده برای بخش اکسایش جزئی و ریفرمنیگ با بخار آب، متفاوت است. مدل‌سازی‌های صورت گرفته در این تحقیقات هم عمدتاً بر مبنای رابطه‌‌ی سرعت‌های واکنش بر روی کاتالیست‌های مرسوم می‌باشد. در جستجوی انجام شده توسط نویسنده، تاکنون مدل‌سازی ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% در یک راکتور مونولیتی صورت نگرفته است. هدف این تحقیق، مدل‌سازی ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% به کمک دینامیک سیالات محاسباتی است. مزیت استفاده از کاتالیست 5% در آن است که می‌تواند هر دو واکنش اکسایش جزئی و ریفرمنیگ با بخار آب را پیش ببرد. در مدل‌سازی صورت گرفته نیز از معادلات سرعت اصلاح شده برای کاتالیست 5% استفاده شده است. راکتور انتخاب شده در این تحقیق، یک راکتور مونولیتی کاتالیستی است. راکتورهای مونولیتی، از تعداد زیادی کانال جریان موازی هم که توسط دیواره‌های جامد از هم جدا می‌شوند، تشکیل شده‌اند. راکتورهای مونولیتی به علت نسبت سطح به حجم بالا و افت فشار کم،‌ برای کاربردهای سیار مناسب می‌باشند. با این وجود مدل‌سازی راکتورهای مونولیتی بسیار هزینه‌بر و زمان‌بر است. به همین منظور رفتار یک کانال از راکتور مونولیتی تقریباً مشابه رفتار کل راکتور مونولیتی فرض شده است و هندسه‌ی یک کانال به عنوان دامنه محاسباتی انتخاب شده است. این مدل‌سازی شامل مدلی سه بعدی برای راکتور که در برگیرنده‌ی معادلات بقای جرم، ممنتوم، انرژی و بقای گونه‌های شیمیایی می‌باشد و نیز مدلی برای در نظر گرفتن مکانیزم و رابطه سرعت واکنش‌ها است. این معادلات به کمک نرم‌افزار Fluent 6.3.26 که بر مبنای محاسبات حجم محدود است، حل شده است. برای درنظر گرفتن رابطه سرعت واکنش‌ها از برنامه‌نویسی در محیط C++ استفاده شده است که این برنامه قابلیت استفاده برای کارهای مشابه را دارد. نتایج این مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی صورت گرفته برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% مقایسه شده است. در ادامه اثر تغییر پارامترهای عملیاتی بر روی میزان هیدروژن و مونواکسیدکربن تولید شده و پروفایل دمای درون راکتور بررسی شده است. پارامترهای عملیاتی مورد بررسی شامل نسبت مولی اکسیژن به متان (O2/CH4)، نسبت مولی بخارآب به متان (H2O/CH4) و دمای گاز ورودی به راکتور می‌باشد.
نتایج تحقیق در گزارشی شامل پنج فصل ارائه شده است. بعد از ارائه مقدمات در فصل اول، در فصل دوم به بررسی فرآیندهای ریفرمینگ مورد استفاده برای تولید هیدروژن پرداخته شده است. در ادامه مدل‌های سینتیکی ارائه شده برای فرآیندهای ریفرمینگ متان ارائه شده اند و در نهایت مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی مرور ‌شده است. فصل سوم به ارائه مشخصات راکتور مونولیتی مورد استفاده برای مدل‌سازی پرداخته است. همچنین فرضیات و معادلات بقای جرم، انرژی، ممنتوم و بقای گونه‌های شیمیایی حاکم بر مدل‌سازی ارائه می‌گردد. در نهایت معادلات سینتیکی مورد استفاده برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% آورده ‌شده است. در فصل چهارم نتایج حاصل از مدل‌سازی مورد بحث و بررسی قرار گرفته‌اند و بهینه‌ترین حالت (در محدوده مورد بررسی) که منجر به بیشترین مقدار تولید هیدروژن می‌شود ارائه شده است. در نهایت در فصل پنجم، راه‌کارهای پیش رو برای بهبود نتایج مدل‌سازی ارائه شده‌اند.
مروری بر پیشینه تحقیقمقدمهکمبود ساختارهای تولید و توزیع هیدروژن برای استفاده در پیل‌های سوختی یکی از مهم‌‍‍‌ترین موانع برای تجاری‌سازی پیل‌های سوختی در صنعت حمل و نقل می‌باشد. در نتیجه تحقیقات بسیاری در سطوح مختلف در جهت توسعه سیستم فرآوری سوخت برای ریفرمینگ سوخت‌های فسیلی برای تولید هیدروژن در محل در حال انجام است. ریفرمینگ فرآیندی است که در آن یک سوخت هیدروکربنی به یک جریان گازی غنی از هیدروژن تبدیل می‌شود. سه نوع فرآیند ریفرمینگ مرسوم وجود دارد که برای تولید هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ ریفرمینگ با بخار آب، ریفرمینگ اکسایش جزئی و ریفرمینگ خودگرمازا . فرآیندهای ریفرمینگ عموماً در حضور کاتالیست مناسب انجام می‌گیرند. این فرآیندها عمدتاً در دو نوع راکتور صورت می‌گیرند: راکتورهای بستر پر شده و راکتورهای مونولیتی.
در این فصل به مرور تحقیقات صورت گرفته برای ریفرمینگ سوخت پرداخته می‌شود. این مرور شامل بررسی روش‌های ریفرمینگ، مکانیزم‌ و روابط سینتیکی واکنش برای فرآیندهای ریفرمینگ متان در حضور کاتالیست‌های مختلف و مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی می‌شود.
ریفرمینگ هیدروکربن‌هاریفرمینگ با بخار آبمتداول‌ترین روش برای تولید گاز سنتز از گاز طبیعی، فرآیند گرماگیر ریفرمینگ با بخار آب است که بطور وسیعی در مجتمع‌های پتروشیمی و پالایشگا‌هی مورداستفاده قرار می‌گیرد. در حال حاضر 48% تولید هیدروژن در جهان توسط ریفرمینگ با بخارآب صورت می‌گیرد که قسمت اعظم خوراک را گاز طبیعی تشکیل می‌دهد. ریفرمینگ با بخارآب گاز طبیعی، اقتصادی‌ترین فرآیند تولید هیدروژن است و تا 10-15 سال آینده اصلی‌ترین روش تولید هیدروژن خواهد بود] [. پایه تئوری این فرآیند بر واکنش کلی زیر استوار است:

معادله( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 1)
در صورتیکه سوخت مورد استفاده متان باشد، این واکنش به صورت زیر می‌باشد:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 2)
گرمای واکنش در فشار bar 1 و دمای K298 است. این واکنش در دو مرحله و به صورت زیر صورت می‌پذیرد:
معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 3)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 4)
درطی واکنش ریفرمینگ با بخارآب، واکنش تعادلی شیفت آب- گاز (WGS) نیز به عنوان یک واکنش جانبی مطابق معادله زیر به وقوع می پیوندد:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 5)
این واکنش گرمازا بوده و درنتیجه با افزایش دما، جهت واکنش تعادلی به سمت چپ تغییر می‌کند.
حضور این واکنش مفید است چرا‌که از مونو‌اکسید کربن تولید شده در فرآیند ریفرمینگ با بخار آب برای تولید هیدروژن اضافی استفاده می‌کند ][.
ریفرمینگ با بخارآب به کاتالیست متداولی نظیر نیکل با پایه آلومینا، نیازمند است که برای راندمان بیشتر و جلوگیری از نشست کربن بر روی کاتالیست از بخارآب به صورت اضافه بر مقدار استوکیومتری (2 تا 5 برابر) استفاده می‌شود.
نسبت بالای هیدروژن تولیدی به ازای هر مول سوخت مصرفی، باعث شده است که این فرآیند به عنوان یکی از مؤثر‌ترین روش‌های تولید هیدروژن در صنعت استفاده شود. با این وجود، گرماگیر بودن این واکنش و نیاز به یک منبع حرارتی برای پیشرفت واکنش، منجر به کاهش بازدهی کلی فرآیند ریفرمینگ با بخار آب می‌شود که استفاده از این روش را برای کاربردهای در مقیاس کوچک محدود می‌کند [].
ریفرمینگ اکسایش جزئیاکسایش جزئی هیدروکربن‌ها برای تولید هیدروژن فرآیندی گرمازا است و نیازی به منبع حرارتی ندارد. فرآیند POX می‌تواند کاتالیستی و یا غیرکاتالیستی باشد. ریفرمر غیرکاتالیستی مجهز به یک مشعل بوده و شروع واکنش با شعله و درون یک راکتور خالی با دیوارههای پوشش داده شده با مواد دیرگداز صورت میگیرد ] NOTEREF _Ref291842261 h * MERGEFORMAT 1[.
فرآیند غیرکاتالیستی در دمای بین K 1400 و K 1700 و فشار بین 30-75 بار انجام می‌شود. فرآیند کاتالیستی در دماهای بین K 850 و K 1150 انجام می‌شود ]3[.
واکنش‌های محتمل در این فرآیند به صورت زیر است:

معادله( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 6)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 7)
فرآیند اکسایش جزئی کاتالیستی مطابق با REF _Ref287017621 h * MERGEFORMAT معادله (‏27) می‌تواند با حضور کاتالیست انجام پذیرد. کاتالیست واکنش را بدون دخالت شعله امکانپذیر ساخته و واکنش‌های آهستهتر ریفرمینگ را برای حصول به تعادل ترمودینامیکی سرعت می‌بخشد.
فرآیند اکسایش جزئی نیاز به مقادیر زیاد اکسیژن به صورت پیوسته (بیشتر از ریفرمینگ خودگرمازا ) دارد. در نتیجه نصب یک واحد گران جداسازی هوا برای تولید اکسیژن خالص و همچنین نگهداری آن سبب افزایش هزینه‌ها می‌شود. اگر فرآیند POX، از هوا به عنوان اکسنده استفاده کند، گاز خروجی به مقدار زیادی توسط نیتروژن رقیق شده و بنابراین نیاز به راکتور شیفت بزرگ‌تر و واحد خالص‌سازی گاز خواهد داشت. بنابراین اکسایش جزئی نمی‌تواند به اندازه ریفرمینگ با بخار آب تولید هیدروژن کند. با این وجود این فرآیند نیازی به پیش‌گرم‌کن و تجهیزات انتقال حرارت ندارد.
به طور معمول، در فرآیند POX، تشکیل نامطلوب دوده محتمل خواهد بود که بر عملکرد کاتالیست تأثیر منفی می‌گذارد. این دوده باید در یک سیستم جداسازی در پایین دست راکتور، جداسازی شود. برای پرهیز از این پدیده، بایستی یا نسبت O2/CH4 را افزایش داد و یا اینکه با پیشگرمایش خوراک‌های گازی، دمای واکنش را بالا برد. انجام این دو کار با مواردی چون بالا رفتن احتمال انفجار، دشوار شدن جداسازی محصولات، واکنش‌های ناخواسته در فاز گاز و کاهش گزینشپذیری در تولید گاز سنتز همراه خواهد بود. به همین دلیل، این فرآیند برای مدت 50 سال به فراموشی سپرده شد. بنابراین به نظر می‌رسد که فرآیند POX نمی‌تواند برای تولید هیدروژن در مقیاس‌های بزرگ و متوسط و نیز کوچک مناسب باشد و به همین علت، کارهای کمی در زمینه تولید هیدروژن برای پیل سوختی از طریق فرآیند POX صورت گرفته است. [1 و 3].
ریفرمینگ خودگرمازا
در ریفرمر خودگرمازا، از اکسایش جزئی سوخت جهت تأمین حرارت مورد نیاز واکنش‌های ریفرمینگ گرماگیر سوخت استفاده میشود. بخارآب هم به خوراک ورودی اضافه می‌شود. در واقع میزان گرمای خالص تولیدی در فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا نزدیک صفر می‌باشد. مزیت واکنش ریفرمینگ خودگرمازا در این است که هیدروژن بیشتری از طریق فرآیند ریفرمینگ بخار نسبت به واکنش اکسایش جزئی حاصل می‌شود و از سوی دیگر به علت وجود واکنش اکسایش جزئی، نیاز به دماهای ورودی کمتری برای جریان گاز ورودی در مقایسه با فرآیند ریفرمینگ بخار است. همچنین به علت وجود بخار آب، میزان دوده تشکیل شده کمتر خواهد بود.
در نتیجه این فرآیند مزایای دو واکنش ریفرمینگ با بخار آب ( میزان هیدروژن تولیدی بالا) و واکنش اکسایش جزئی (عدم نیاز به پیش‌گرم‌کن‌ها در اثر گرمای زیاد تولیدی) را با هم ترکیب می‌کند و یک واحد تولید هیدروژن با بازده بالا را فراهم می‌کند . دمای عملیاتی پایین‌تر ریفرمینگ خودگرمازای کاتالیستی، مزایای زیادی دارد که از آن جمله می‌توان به طراحی آسان‌تر راکتور و انتخاب‌های بیشتر برای جنس راکتور اشاره کرد ]2[.
در حالت ایده‌آل، فرآیند کلی را می‌توان با واکنش شیمیایی زیر نمایش داد:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 8)
عملیات ATR و ترکیب گازی که تحت عملیات ریفرمینگ قرار می‌گیرد وابسته به نسبت خوراک ورودی می‌باشد (HC/H2O/air). هر چه نسبت/HC H2O افزایش یابد، میزان CO را همراه با دمای تعادلی پایین‌تر، کاهش می‌دهد. همچنین انتخاب دماهای بالای عملیاتی و نسبت بخار به کربن و اکسیژن به کربن مناسب، برای جلوگیری از تشکیل دوده بسیار مهم است. با این وجود این نسبت‌ها، معمولاً به‌گونه‌ای انتخاب می‌شوند که واکنش کلی از نظر حرارتی خنثی و یا کمی گرمازا باشند تا اتلاف حرارتی از جداره‌ی راکتور را جبران کند. مکانیزم واکنش برای ریفرمینگ متان
برای احتراق متان مدل‌های سینتیکی مختلفی ارائه شده است. برخی از این مکانیزم‌ها پیچیده می‌باشند. به عنوان مثال، Deuthmann ][ و همکاران مکانیزمی را برای اکسایش جزئی متان بر روی کاتالیست پلاتین توسعه دادند که شامل 100 واکنش ابتدایی و 30 گونه شیمیایی می‌باشد. مدل‌سازی چنین سیستمی بسیار گران‌قیمت می‌باشد. از بین این واکنش‌ها، چند واکنش محدودکننده سرعت واکنش‌های صورت گرفته می‌باشند و از سایر واکنش‌ها می‌توان صرفنظر کرد. مشاهده شده است که یک مکانیزم ساده شده قادر به پیش‌بینی دقیق غلظت‌های محصولات در خروجی راکتور می‌باشد.
برای مدل‌سازی ریفرمینگ متان،De Groote و Froment ][ مکانیزیمی شامل نه واکنش را پیشنهاد دادند. این واکنش‌ها به صورت زیر می‌باشند:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 9)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 10)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 11)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 12)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 13)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 14)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 15)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 16)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 17)
همه واکنش‌ها غیر ابتدایی هستند. همان‌طور که مشاهده می‌شود دوده در چهار واکنش آخر حضور دارد. از آنجایی‌که دوده در محصول نهایی بسیار کم و نزدیک صفر می‌باشد، در بیشتر مدل‌سازی‌ها از چهار واکنش آخر صرفنظر می‌شود.
مدلهای سینتیکی برای ریفرمنیگ متانسرعت واکنش‌های شیمیایی برای توصیف میزان پیشرفت واکنش‌های مطرح شده در مکانیزم واکنش لازم است. معادلات سینتیکی مختلفی برای احتراق و ریفرمینگ متان در مراجع ارائه شده است که در ادامه مهم‌ترین سینتیک‌های ارائه شده ذکر می‌شود.
مدل پیشنهاد شده توسطW.W.Akers و همکاران [] را میتوان جزء اولین مدل‌هایی برشمرد که در مورد واکنش ریفرمینگ متان با بخارآب ارائه شده است. این مدل به تعیین اثرات غلظت روی شدت واکنش بخار و گاز طبیعی روی کاتالیست نیکل در دمایی حدود 340 تا 640 درجه سانتیگراد و 1 اتمسفر پرداخته است. شرایط انتخاب شده از لحاظ ترمودینامیکی مناسب تشکیل کربن نیست و تبدیل تعادلی متان هم بالا میباشد. رابطهی سینتیکی حاصل به این صورت است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 18)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 19)
در این مدل مرحلهی کنترل کننده تجزیه و شکست متان عنوان شده است.
Bodrov و همکاران ][ مدل دیگری را برای این واکنش پیشنهاد دادند که علاوه بر فشار جزئی متان به فشار جزئی هیدروژن، بخارآب و مونوکسیدکربن نیز بستگی دارد؛ که این وابستگی در بازههای دمایی مختلف به صورت زیر است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 20)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 21)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 22)
در این مدل جذب متان به عنوان محدود کنندهی شدت در نظر گرفته شده است.
M.E.Agnelli و همکاران ][ با بررسی مدلهای مختلف، مدل زیر را برای ریفرمینگ با بخار آب در دمای 640 تا 740 درجه سانتیگراد ارائه داداند:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 23)
علی رغم اینکه محدودیتهای نفوذ در ریفرمینگ بخارآب یک عامل جدی به حساب می آید، اغلب مطالعات سینتیکی بیان شده یا آن را ناچیز شمردهاند یا اینکه این پارامتر را در معادلات شدت مؤثر در نظر گرفتهاند، ولی بیان صریحی برای مقاومت نسبت به نفوذ ارائه نشده است. Xu و Froment [] در بررسی سینتیکی ریفرمینگ بخارآب این نقیصه را برطرف نمودهاند. کاتالیست به کار رفته در این مطالعه Ni/MgAl2O4 میباشد. دما در مطالعات Xu و Fromentدر محدوده 500 تا 575 درجه سانتیگراد و فشار بین 3 تا 15 بار بوده است. Xu و Fromentسه واکنش (2-10) تا (2-12) را واکنش‌های تعیین کننده سرعت تشخیص دادند. معادلات شدت متناظر عبارتند از:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 24)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 25)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 26)
که در آن DEN بصورت زیر تعریف می‌شود:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 27)
در روابط (2-24) تا (2-26)، 2, 3) (i=1, ki ضریب سرعت واکنش، Kj (j=1,2,3) ثابت تعادل بر مبنای فشار جزئی می‌باشد. Ki و pi بترتیب بیانگر ضریب جذب تعادلی و فشار جزئی است (i=CO, H2, CH4, H2O, CO2).
در مرجع []،Numaguchi و Kikuchi ریفرمینگ با بخار آب متان را بر روی کاتالیست Ni/Al2O3 % 7/8 (وزنی) بررسی کردند. دما در این مطالعه در محدوده 400 تا C 890 و فشار بین 2/1 و 5/25 بار و نسبت بخار به متان ورودی بین 44/1 و 5/4 بوده است. دما و فشار عملیاتی بیشتر از مقادیر بکار رفته توسط Xu و Froment است. Numaguchi وKikuchi فرض کردند که از واکنش متان و بخار آب فقط CO تولید شود و دی‌اکسید‌کربن فقط در واکنش شیفت آب – گاز تولید شود. معادله سرعت پیشنهاد شده برای واکنش‌های (2-10) و (2-11) بصورت زیر است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 28)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 29)
که در آن ki و Keq,i بترتیب بیانگر ضریب سرعت واکنش و ثابت تعادل بر مبنای فشار جزئی می‌باشد (i=1,2,3). Ki و pi بترتیب بیانگر ضریب جذب تعادلی و فشار جزئی است (i=CO,H2, CH4, H2O, CO2). همچنین iα و βi ضرایب ثابت هستند (i=1,2).
داده‌های سینتیکی برای کاتالیست‌های مختلف و برای ریفرمینگ سوخت‌های مختلف در مراجع مختلف آورده شده است.
سینتیک ریفرمینگ بخارآب متان روی کاتالیست نیکل بر پایهی آلومینا-تیتانیوم توسط A.E.Castro و همکاران ][ در بازهی دمایی 873-778 کلوین مورد مطالعه قرار گرفته است. مدل پیشنهاد شده به صورت زیر است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 30)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 31)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 32)
مطالعه سینتیکی ریفرمینگ بخارآب متان به همراه واکنش برگشت شیفت آب- گاز روی کاتالیست تجاری Ni/α-Al2O3 در شرایط بدون محدودیت نفوذ، توسطHou و همکاران ][ انجام گرفته است. با توجه به نتایج این بررسی، واکنشهای سطحی بین ذرات جذب شده، مرحلهی کنترل کننده در ریفرمینگ بخار میباشد. معادلات به صورت زیر می باشد:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 33)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 34)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 35)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 36)
پارامترهای مربوطه در مرجع [12] آورده شده است.
D.L. Hoang و همکاران ][ در مطالعه سینتیکی خود از معادلهی شدت پیشنهاد شده توسطXu و Froment (معادله 2-24 تا 2-26) استفاده کردند و ضرایب سینتیکی مربوط به آن را از طریق آزمایش برای کاتالیست مورد استفاده سولفید نیکل بر پایهی گاما آلومینا بدست آوردند.
Barrio و همکاران ][ نیز از مدل سینتیکی ارائه شده توسط Xu و Fromentاستفاده کردند و ضرائب آن را برای کاتالیست 5% بدست آوردند. به دلیل استفاده از مدل سینتیکی ارائه شده توسط Barrioو همکاران ]14[ در مدل‌سازی صورت گرفته، این ضرائب در فصل (3) ارائه می‌شوند.
مدلهای سینتیکی برای احتراق متانTrimm و Lam ] [ یک رابطه سرعت برای احتراق کامل متان بر پایه کاتالیست Pt/Al2O3 در دمای بالای C 557 و نسبت O2/CH4 بین 3/0 و 5 بدست آوردند. معادله استخراج شده بصورت زیر است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 37)

De Smetو همکاران ][ ، توان فشار جزئی اکسیژن در مخرج را از 5/0 تا 1 تغییر دادند.
Ma و همکاران ][ سینتیک اکسایش متان، اتان و پروپان را روی کاتالیست پلاتین مطالعه کردند. آن‌ها دو رابطه را برای توصیف سینتیک اکسایش متان استخراج کردند. عبارات سینتیکی برای دماهای در محدوده 360- C 460 بدست آمده است. مدل اول استخراج شده بصورت زیر است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 38)
که CCH4 و CO2 بترتیب غلظت‌های CH4 و O2 است.
رابطه دوم استخراج شده توسط Ma و همکاران ]17[ بصورت زیر است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 39)
که k ضریب سرعت واکنش و KCH4 و KO2 بترتیب ضریب جذب برای CH4 و O2 است.
برای احتراق کامل متان، Ma و همکاران ]17[ رابطه زیر را برای کاتالیست پلاتین پیشنهاد کرده‌اند:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 40)
که k ضریب سرعت واکنش و KCH4 و KO2 بترتیب ضریب جذب برای CH4 و O2 است.
Barrio و همکاران ]14[، از مدل سینتیکی ارائه شده توسط Ma استفاده کردند و ضرائب آن را برای کاتالیست 5% بدست آوردند. به دلیل استفاده از این رابطه سینتیکی در مدل‌سازی صورت گرفته، این ضرائب در فصل (3) ارائه می‌شوند.
مدلهای سینتیکی برای واکنش شیفت آب- گازعلاوه بر معادلاتی که پیش از این برای واکنش شیفت آب-گاز ارائه شد، سینتیک این واکنش توسط محققان دیگر نیز بررسی شده است. با توجه به بررسی‌های Grenoble و همکاران ][، رابطه سرعت این واکنش بصورت زیر بدست آمده است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 41)
ضرایب pCO و pH2O برای فلزات فعال بر پایه آلومینا تعیین شده‌اند. مقدار x در محدوده 35/0- تا 74/0 است.
Wheeler و همکاران] [، واکنش شیفت آب-گاز را روی فلزات فعال Pt، Rh و Ru و فلزات Ni و Pd با اکسید سریم در زمان‌های تماس کوتاه (008/0 – 05/0 ثانیه) و دماهای بین 300 و C 1000 بررسی کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که یک رابطه سرعت ساده تطابق خوبی برای داده‌ها در همه دماها از درصد تبدیل تعادلی تا درصد تبدیل کم دارد. مدل آن‌ها نسبت به همه اجزا از درجه اول می‌باشد و بصورت زیر می‌باشد:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 42)
که kf و kb بترتیب ضریب سرعت واکنش‌های رفت و برگشت است.
راکتورهای مورد استفاده برای فرآیند ریفرمینگراکتورهایی که در فرآوری سوخت استفاده می‌شوند را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم‌بندی کرد: راکتورهای بستر پر شده و راکتورهای مونولیتی. یک راکتور بستر پر شده با کاتالیست‌های به شکل قرص یا گرانول پر می‌شود. یک راکتور مونولیتی کانال‌های موازی زیادی برای عبور جریان دارد که این کانال‌ها توسط دیواره‌ی جامد از هم جدا می‌شوند. کاتالیست بر روی دیواره داخلی این کانال‌ها پوشش داده می‌شود. نمایی از یک راکتور مونولیتی در شکل (2-1) نشان داده شده است. در اثر این نوع ساختار، راکتورهای مونولیتی می‌توانند نسبت سطح به حجم بالا و مقادیر کم افت فشار را داشته باشند. این مزایا برای تولید در محل هیدروژن برای کاربردهای سیار پیل سوختی، بسیار مهم است؛ چرا که افت فشار کمتر و سطح به ازای حجم بالاتر در این راکتورها، به کوچک‌تر و ساده کردن سیستم فرآوری سوخت کمک می‌کند.

شکل ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1)- نمایی از یک راکتور مونولیتیدر ادامه به بررسی مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتی برای انجام فرآیند ریفرمینگ پرداخته می‌شود.
مدل‌سازی‌های صورت گرفته برای راکتورهای مونولیتیVeser و همکاران ][ اکسایش کاتالیستی متان را بر روی کاتالیست پلاتین در یک راکتور مونولیتی بصورت یک بعدی مدل‌سازی کردند. مدل آن‌ها تنها شامل موازنه جرم و انرژی برای فاز گاز و کاتالیست مونولیتی بود. آن‌ها در بررسی خود فقط واکنش صورت گرفته در سطح کاتالیست را در نظر گرفتند. مکانیزم واکنش در نظر گرفته شامل جذب و دفع شش گونه‌ی CH4، O2، CO، CO2، H2 و H2O بود. عملکرد راکتور در مطالعه صورت گرفته بیشتر تحت تأثیر دمای واکنش و دبی گاز بود. قابل ذکر است که تخمین آن‌ها از yield هیدروژن و مونواکسید کربن با داده‌های تجربی تطابق خوبی نداشتند. این شرایط عدم تطابق در حالتی که دمای گاز ورودی زیاد باشد، بیشتر بود.
Canuو همکاران ][ احتراق کاتالیستی متان را بر روی پلاتین در یک راکتور مونولیتی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مدل‌سازی کردند. معادلات موازنه جرم، انرژی و ممنتوم در این کار تحقیقاتی به کمک نرم‌افزار CFX حل شده اند. در بررسی آن‌ها مشخص شد که واکنش فاز گاز تأثیر کمی روی درصد تبدیل متان دارد. در نتیجه آن‌ها واکنش‌ها را روی سطح کاتالیست در نظر گرفتند. به علت آنکه نسبت حجمی O2 به CH4 حدود 3/5 بود، آن‌ها واکنش احتراق کامل را در نظر گرفتند.
Ghadrdan و همکاران ][ یک مدل دو بعدی را برای احتراق کاتالیستی متان درون یک کانال راکتور مونولیتی بررسی کردند. آن‌ها مدل‌سازی خود را با مدل تجربی مقایسه نکردند و تنها به بررسی اثر پارامترهای مختلف نظیر دمای گاز ورودی، سرعت و غلظت آن بر روی عدد ناسلت پرداختند؛ با این وجود نویسندگان مقاله تأکید کردند که نتایج از نظر تئوری درست است. آن‌ها همچنین در مقاله خود ذکر کردند که شرط مرزی دما ثابت و فلاکس حرارتی ثابت به درستی بیانگر شرط مرزی واقعی روی دیواره نمی‌باشد.
Stutz و همکاران ][ معادلات موازنه جرم، انرژی و ممنتوم را برای جریان سیال درون یک کانال یک راکتور مونولیتی و با فرض دیواره آدیاباتیک کردند کردند. آن‌ها برای مدل‌سازی واکنش شیمیایی، 38 واکنش سطحی را با در نظر گرفتن 7 گونه گازی شکل و 12 جزء جذب شده به سطح در نظر گرفتند. کاتالیست استفاده شده در این تحقیق رودیم (Rh) بود.
معادله پیوستگی و موازنه جرم برای هر گونه شیمیایی به صورت زیر تعریف شده است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 43)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 44)
معادله موازنه ممنتوم با صرفنظر از نیروهای حجمی بصورت زیر می‌باشد:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 45)
تنسور تنش برشی برای سیال نیوتنی با صرفنظر کردن از ویسکوزیته بالک بصورت زیر تعریف شده است:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 46)
معادله موازنه انرژی استفاده شده در حالت پایا و با صرفنظر از نیروهای حجمی و اتلاف حرارتی ناشی از ویسکوزیته بصورت معادله (2-46) می‌باشد:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 47)
پارامترهای استفاده شده در مدل‌سازی، در مرجع ]23[ ارائه شده‌اند.
مدل‌سازی صورت گرفته در این مطالعه دو بعدی بود. آن‌ها دو مدل را توسعه دادند؛ مدل اول، مدل دیواره عایق (ICM) بود که فقط جریان داخل کانال را در نظر می‌گرفت و مدل دوم، مدلی بود که علاوه بر جریان داخل لوله، هدایت حرارتی از دیواره را نیز در نظر می‌گرفت (CWM).
آن‌ها در این مطالعه، اثر تغییر در هدایت حرارتی دیواره راکتور و تغییر در ترکیب درصد گاز ورودی را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که هرچه هدایت حرارتی دیواره کمتر باشد، دمای بیشینه برای دمای دیواره و نیز بیشینه دمای متوسط گاز، بیشتر می‌باشد. در ابتدای راکتور، تولید هیدروژن در هدایت حرارتی کمتر، بیشتر است ولی در ادامه‌ی راکتور، حرارت انتقال یافته از دیواره، واکنش ریفرمینگ با بخار آب را که تولید هیدروژن می‌کند تقویت می‌کند. در نتیجه هرچقدر که هدایت حرارتی افزایش می‌یابد، تولید هیدروژن در نواحی انتهایی راکتور افزایش می‌یابد. همچنین بیشترین درصد تبدیل متان درصورتی حاصل می‌شود که دیواره کانال هادی حرارت نباشد. درصورتی‌که دیواره کانال هادی حرارت باشد، درصد تبدیل متان در بیشترین حالت، 16% کاهش می‌یابد. آن‌ها Yield هیدروژن و نسبت اکی‌والان را که بصورت زیر تعریف می‌شود در حالت‌های مختلف بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که Yield هیدروژن برای هدایت حرارتیk=0.0276 W m-1 K-1 و 8/0 = بیشترین است و با افزایش هدایت حرارتی، Yield هیدروژن در بیشترین حالت، 20% کاهش می‌یابد. هرچه نسبت اکی‌والان کمتر باشد، دمای خروجی راکتور بیشتر می‌شود. همچنین آن‌ها مشاهده کردند که در نسبت اکی‌والان کمتر، درصد تبدیل متان در هدایت حرارتی ثابت دیواره بیشتر است.
(هیدروژن Yield)
معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 48)
(نسبت اکی‌والان)
معادله ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ معادله * ARABIC s 1 49)
Chaniotis و همکاران] [ از واکنش اکسایش جزئی متان برای تولید هیدروژن درون یک کانال یک راکتور مونولیتی استفاده کردند. کانال در نظر گرفته شده mm 1 قطر و mm 10 طول داشت. سطح داخلی کانال با کاتالیست Rh پوشانیده شده بود. گاز ورودی، مخلوط متان و هوا بود که توسط نسبت اکی‌والان، ترکیب درصد گاز ورودی به راکتور مشخص می‌شد. آن‌ها در مطالعه خود ضخامت دیواره راکتور را ناچیز گرفتند و از هدایت حرارتی در جهت شعاعی صرفنظر کردند. در نتیجه آن‌ها شرایط آدیاباتیک را برای شرایط مرزی خود در نظر گرفتند.
آن‌ها در مدل‌سازی خود دو مدل را برای بررسی دمای راکتور، تشکیل دوده، درصد تبدیل متان و yield هیدروژن انتخاب کردند؛ مدل راکتور کاملاً درهم آمیخته (SPSR) و مدل ناویر- استوکس . مدل SPSR بر این فرض استوار است که اختلاط مواد واکنش‌دهنده بقدری کامل است که تبدیل واکنش‌دهنده‌ها به محصولات از طریق سرعت‌های واکنش‌های شیمیایی تعیین می‌شوند تا از طریق نفوذ، جابجایی یا سایر مکانیزم‌های انتقال. آن‌ها برای بررسی صحت نتایج حاصل از مدل SPSR، از محاسبات بر مبنای معادلات ناویر- استوکس نیز سود بردند. آن‌ها معادلات ناویر- استوکس را که شامل معادلات بقای جرم، ممنتوم، انرژی و بقای گونه‌های شیمیایی بود به کمک نرم‌افزار CFD-ACE+ حل کردند. در هر دو مدل مکانیزم واکنش در نظر گرفته شده شامل 38 واکنش سطحی ابتدایی بود که 7 گونه گازی و 12 گونه جذب شده در سطح را در بر می‌گرفت و قادر بود اکسایش جزئی و کامل متان را بر روی Rh توصیف کند.
آن‌ها در بررسی‌های خود به این نتیجه رسیدند که تولید هیدروژن به شدت به نسبت اکی‌والان بستگی دارد. در محدوده نسبت اکی‌والان بین 6/0 تا 1، میزان هیدروژن تولید شده بالا بوده و yield هیدروژن حدود 70-80% است (سرعت گاز ورودی ms-1 1 و دمای آن K 875 می‌باشد). همچنین در این محدوده، دمای عملیاتی و تشکیل دوده روی سطح کاتالیست نسبتاً کم می‌باشد.
نتایج حاصل از دو مدل ناویر استوکس و مدل SPSR برای yield هیدروژن، اختلاف کمی را نشان می‌دهد که ناشی از استفاده از مکانیزم دقیق برای واکنش‌های صورت گرفته در راکتور و نیز تخمین دقیق زمان اقامت برای مدل SPSR است.
Shi و همکاران ][ ریفرمینگ با بخارآب ایزو‌اکتان را بر روی کاتالیست Rh در یک راکتور مونولیتی به کمک مدل‌سازی سه بعدی CFD بررسی کردند. آن‌ها عملکرد همه‌ی کانال‌ها را در راکتور مونولیتی مورد مطالعه یکسان فرض کردند و تنها یک کانال از راکتور را به عنوان دامنه محاسباتی خود برگزیدند. آن‌ها تولید هیدروژن را در سه شرایط حرارتی بررسی کردند. در حالتی که دیواره‌ی کانال در دمای ثابت در محدوده‌ی C 625-750 باشد، آن‌ها به این نتیجه رسیدند که عمده هیدروژن در یک چهارم ابتدایی راکتور تولید می‌شود. در شرایطی که دیواره‌ی کانال در شرایط آدیاباتیک باشد، افزایش سریع در تولید هیدروژن و کاهش سریع در دمای راکتور، در یک دهم ابتدایی راکتور صورت می‌گیرد؛ این نتایج در حالی است که دمای خوراک ورودی به راکتور، در محدوده C 900-600 باشد. درصورتیکه شرایط در روی دیواره به‌گونه‌ای انتخاب شود که مقداری شار حرارتی ثابت بر روی دیواره وجود داشته باشد، تولید هیدروژن در طول راکتور صورت می‌گیرد. بیشینه اختلاف دما در طول راکتور در حالت شار حرارتی ثابت- برای تولید میزان هیدروژن یکسان نسبت به شرط مرزی آدیاباتیک بر روی دیواره- بسیار کمتر است.
Hayes ][ و همکاران یک مدل دو بعدی از یک کانال راکتور مونولیتی را برای بررسی مقادیر اعداد ناسلت و شروود تحت شرایط وقوع واکنش توسعه دادند. آن‌ها در این مطالعه به نتایج زیر رسیدند:
اعداد ناسلت و شروود برای حالتی که واکنش شیمیایی بر روی دیواره اتفاق می‌افتد با حالتی که دمای دیواره ثابت است یا حالتی که فلاکس حرارتی ثابتی روی دیواره وجود دارد، یکسان نمی‌باشد.
یک درونیابی ساده به کمک عدد Damkohler محاسبه شده در شرایط ورودی راکتور بین مقادیر ناسلت برای حالت دمای ثابت بر روی دیواره و حالت فلاکس حرارتی ثابت، نمی‌تواند مقدار ناسلت مشاهده شده را بصورت دقیق تخمین بزند. به هنگام محاسبه‌ی مقادیر ناسلت و شروود، باید اثرات توسعه هم‌زمان لایه مرزی حرارتی، غلظت و هیدرودینامیکی را در نظر گرفت.
Di Benedetto ] [ و همکاران رفتار حرارتی یک میکروراکتور مونولیتی – بخصوص یک میکروراکتور با سه و پنج کانال- را به کمک مدل‌سازی بررسی کردند. مدل توسعه داده شده، یک مدل دو بعدی بود و از احتراق پروپان به عنوان واکنش صورت گرفته درون راکتور استفاده کردند. آن‌ها نمودارهای پارامترهای عملیاتی را برحسب سرعت گاز ورودی رسم کردند و با نمودارهای متناظر یک کانال مقایسه کردند. آن‌ها همچنین به ازای یک دبی کلی ثابت ورودی به راکتور، دبی‌های متفاوتی را به کانال‌های میکروراکتور دارای پنج کانال تزریق کردند تا بیشترین میزان تبدیل سوخت و دانسیته توان خروجی را بدست آورند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که به علت نقش اتلافات حرارتی، رفتار ساختار دارای چند کانال از رفتار یک کانال قابل برون‌یابی نیست و باید کل میکروراکتور مونولیتی مدل‌سازی شود؛ هرچند که زمان لازم برای مدل‌سازی یک راکتور با سه و پنج کانال، بترتیب حدود سه و پنج برابر زمان لازم برای مدل‌سازی یک کانال است.
Deutschmann ][ و همکاران اکسایش جزئی متان بر روی کاتالیست رودیم را درون یک کانال یک راکتور مونولیتی بصورت دو بعدی مدل‌سازی کردند. آن‌ها در بررسی خود، مکانیزم واکنش پیچیده‌ای را که شامل 17 واکنش ابتدایی بود برای توصیف رفتار اکسایش جزئی متان درون راکتور کاتالیستی با زمان اقامت کوتاه برگزیدند. آن‌ها متوجه شدند که در ابتدای راکتور، تغییرات سریع دما، سرعت و ضرایب انتقال اتفاق می‌افتد. آن‌ها همچنین رقابت بین واکنش‌های اکسایش کامل و جزئی متان را که مطابق آن CO2 و H2O در ناحیه ابتدایی راکتور کاتالیستی تشکیل می‌شود، به کمک میزان پوشش سطح محاسبه شده توضیح دادند. آن ها به این نتیجه رسیدند که درصد تبدیل متان و انتخاب‌پذیری گاز سنتز با افزایش دما، افزایش می‌یابد. همچنین افزایش فشار راکتور، درصد تبدیل متان را کاهش می‌دهد؛ درحالیکه انتخاب‌پذیری گاز سنتز تنها کمی کاهش می‌یابد.
Ding ][ و همکاران با کمک مدل‌سازی CFD به بررسی احتراق جزئی متان بر روی مونولیت با پوشش رودیم پرداختند. در این مدل‌سازی دو بعدی، اثرات انتقال حرارت هدایتی از دیواره، قطر کانال و سطح ویژه کاتالیستی بر روی عملکرد راکتور در نظر گرفته شده است و بر مبنای نتایج حاصل از مدل‌سازی، روش‌هایی برای کاهش بیشینه دمای دیواره – بدون آنکه درصد تبدیل متان و انتخاب‌پذیری گاز سنتز کاهش قابل توجهی یابد- پیشنهاد دادند. آن‌ها گزارش کردند که بیشینه دمای دیواره، با افزایش هدایت حرارتی دیواره از صفر تا W/m.K 180، K 300- 400 کاهش می‌یابد؛ بدون آنکه درصد تبدیل متان کاهش قابل توجهی داشته باشد. در مقابل نسبت کم از C/O منجر به درصد تبدیل بالای CH4 می‌شود. بنابراین استفاده از دیواره با هدایت حرارتی بالا در کنار استفاده از نسبت کم از C/O، می‌تواند درصد تبدیل مناسب متان را همراه با دمای دیواره کمتر به ارمغان بیاورد که برای پایداری کاتالیست مناسب می‌باشد. همچنین آن‌ها گزارش کردند که در مقدار سطح ویژه ثابت کاتالیست، بیشینه دمای دیواره با افزایش قطر کانال کمتر خواهد بود و در قطر کانال ثابت، سطح ویژه بالای کاتالیست منجر به درصد تبدیل بالاتر متان و انتخاب‌پذیری بیشتر برای گاز سنتز و کاهش بیشینه دمای دیواره می‌شود.
Mei و همکاران ][ یک راکتور مونولیتی فلزی استوانه‌ای را برای ریفرمینگ خودگرمازای متان برگزیدند. آن‌ها برای ترکیب دو فرآیند ریفرمینگ با بخار آب و اکسایش، راکتور را به دو بخش تقسیم کردند؛ بخش درونی راکتور و بخش حلقوی بین دیواره خارجی راکتور و بخش درونی. مواد ورودی به راکتور برای هر فرآیند از بخش‌های جداگانه وارد راکتور می‌شود. فرض شده است که فرآیند ریفرمینگ با بخارآب و احتراق کاتالیستی متان بترتیب بر روی Ni/MgAl2O3 و Pd/Al2O3 صورت می‌گیرد. واکنش‌های در نظر گرفته شده در این مدل‌سازی، واکنش‌های (2-9) تا (2-12) می‌باشند.
آن‌ها برای جلوگیری از اتلاف حرارتی، مخلوط گازی برای واکنش احتراق (مخلوط متان/هوا) را از بخش درونی راکتور و مخلوط مواد واکنش‌دهنده برای واکنش ریفرمینگ بخار (مخلوط متان و بخار آب به همراه کمی CO2، H2 و N2) را از بخش حلقوی شکل عبور دادند. در این مطالعه، یک مدل سه بعدی بر مبنای مدل‌سازی کل راکتور برای جریان هم‌سوی مواد واکنش‌دهنده استخراج شده است که در آن انتقال حرارت جابجایی ، موازنه جرم گاز، جریان گاز و انتقال حرارت هدایتی جامد در نظر گرفته‌ شده است. در این مدل، اثرات نسبت سرعت خوراک دو بخش، دمای ورودی، غلظت خوراک و ساختار راکتور بررسی شده است؛ هرچند که بهینه‌سازی پارامترها در این مطالعه صورت نگرفته است. برای دستیابی به توان حرارتی مورد نیاز فرآیند ریفرمینگ، نسبت سرعت‌ بالاتر بخش ریفرمینگ به احتراق، دمای ورودی بالاتر و آرایش مناسب برای توزیع کاتالیست پیشنهاد شده است.
Shi و همکاران ] [، یک مدل عددی را برای بررسی عملکرد یک ریفرمر مونولیتی کاتالیستی که در آن ریفرمینگ خودگرمازای نرمال هگزادکان صورت می‌گرفت توسعه دادند. در این مدل‌سازی، آن‌ها به جای مدل‌سازی کل کانال‌ها، کل راکتور را به عنوان یک محیط متخلخل در نظر گرفتند. با این فرض، محیط محاسباتی، شامل دیواره‌های جامد راکتور و فضای خالی کانال‌ها برای عبور جریان می‌باشد. در این حالت، درصدی از حجم که برای عبور جریان اختصاص می‌یابد از طریق ضریب تخلخل مشخص می‌شود. کاتالیست استفاده شده در مطالعه Shi ]31[ و همکاران شامل اکسید سریم، اکسید گادولینیوم و 1% وزنی پلاتین بود.
آن‌ها در مطالعه خود، اثر هدایت حرارتی ماده جامدی را که راکتور از آن ساخته می‌شود مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که هدایت حرارتی ماده سازنده راکتور روی پروفایل دمای درون راکتور تأثیر می‌گذارد ولی اثر آن بر روی درصد مولی H2، CO و CO2 ناچیز است. بیشینه دمای مشاهده شده در راکتور با افزایش هدایت حرارتی از 76/2 به W/m.K 4/202 تنها C 30 کاهش یافته است. کانتورهای دما برای تغییر هدایت حرارتی از 76/2 به W/m.K 4/202 در شکل (2-2) نمایش داده شده است:

شکل ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2): کانتورهای دما بر روی 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 سانتیگرادهمچنین آن‌ها اثر دبی ورودی را روی عملکرد راکتور بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که افزایش دبی ورودی به راکتور، منجر به کاهش بازده ریفرمینگ -که بصورت ارزش حرارتی هیدروژن به ارزش حرارتی سوخت مورد استفاده تعریف می‌شود- خواهد شد. این اثر در شکل (2-3) نمایش داده شده است. همچنین افزایش دبی ورودی به راکتور، پروفایل غلظت محصولات و پروفایل دمای درون راکتور را نیز تغییر داد؛ بگونه‌ای که برای دستیابی به میزان هیدروژن یکسان، طول راکتور در دبی‌های بالاتر، باید بیشتر باشد.

شکل ( STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 3): بازده ریفرمینگ بر مبنای هبدروژن و گاز سنتز در اثر تغییر توان حرارتی ورودی
Liu ][ و همکاران راکتور مونولیتی را طراحی کردند که میزان انتقال جرم در آن بیشتر می‌باشد. آن‌ها برای دستیابی به انتقال جرم بهتر، یک ماده‌ی متخلخل با هدایت حرارتی بالا را روی دیواره داخلی پایه مونولیتی قرار دادند. در واقع در کانال راکتور مونولیتی مورد مطالعه، دو لایه استفاده شده است. یک لایه پایه فلزی است که راکتور از آن ساخته می‌شود و لایه دیگر، فلزی است که بر روی پایه نشانده می‌شود. این نوع طراحی مزایای زیر را دارد: (1) هدایت حرارتی بالای ماده‌ی سازنده راکتور انتقال حرارت شعاعی بین کانال‌ها را مؤثرتر می‌کند (2) لایه دوم شامل ذرات فعال کاتالیستی می‌باشد (3) این طراحی می‌تواند انتقال جرم خارجی و نفوذ درون لایه دوم را مؤثرتر کند.
آن‌ها برای بررسی راکتور طراحی شده، احتراق کاتالیستی متان را به عنوان واکنش انتخاب کردند و یک رابطه سرعت درجه اول برای واکنش درون لایه متخلخل و دیواره جامد را استفاده کردند. آن‌ها دو مجموعه معادله‌ی 2 بعدی را برای بالک گاز و ماده جامد متخلخل در نظر گرفتند که این معادلات شامل معادلات ممنتوم، حرارت و انتقال جرم بود. بعد از حل این معادلات آن‌ها به نتایج زیر رسیدند: (1) با این طراحی، سطح ویژه‌ی بیشتری برای واکنش فراهم می‌شود. همچنین آن‌ها از مدل‌سازی خود متوجه شدند که انتقال جرم بین بالک گاز و ماده جامد متخلخل در این نوع طراحی به علت کاهش مقاومت خارجی فیلم بین بالک و لایه کاتالیست، افزایش می‌یابد. (2) اثرات دمای گاز ورودی، غلظت ورودی متان و سرعت ورودی مخلوط گازی بر روی انتقال جرم خارجی این کانال دو لایه ناچیز است.
نتیجه گیریهمان‌طور که مشاهده شد بسیاری از تحقیقات صورت گرفته برای ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست‌های مرسوم صورت گرفته است. در این تحقیق به بررسی عملکرد فرآیند ریفرمینگ خودگرمازای متان بر روی کاتالیست 5% در یک راکتور مونولیتی کاتالیستی پرداخته می‌شود. علاوه بر این در بسیاری از تحقیقات صورت گرفته از هوا برای فرآیند ریفرمینگ خودگرمازا استفاده شده است. با توجه به اینکه حضور نیتروژن موجب رقیق شدن محصولات می‌شود، در این مدل‌سازی از اکسیژن خالص استفاده شده است. در نهایت نتایج حاصل از مدل‌سازی با کار آزمایشگاهی صورت گرفته توسط Rabe ][ و همکاران مقایسه شده است و اثر دمای گاز ورودی به راکتور و غلظت اکسیژن و بخارآب ورودی مورد بررسی قرار گرفته است.
ارائه‌ی مدل‌سازیمقدمهمدل‌های عددی صورت گرفته بر مبنای CFD را می‌توان برای مطالعه و طراحی راکتورهای کاتالیستی استفاده کرد. به طور کلی یک مدل CFD برای یک ریفرمر سوخت شامل دو مدل می‌شود. یک مدل برای راکتور و یک مدل برای مدل‌سازی واکنش. مدل مربوط به راکتور شامل معادلات بقای جرم، انرژی، ممنتوم و گونه‌های شیمیایی می‌باشد. مدل مربوط به واکنش، شامل مکانیزم واکنش‌های صورت گرفته و سینتیک هر یک از این واکنش‌ها می‌باشد. منظور از سینتیک در این مدل‌سازی، معادلات سرعت واکنش‌های صورت گرفته می‌باشد. در این فصل ابتدا مشخصات راکتور مونولیتی مورد استفاده برای مدل‌سازی شرح داده می‌شود و در ادامه معادلات استفاده شده در مدل‌سازی ارائه شده‌اند.
مشخصات راکتور مونولیتی مدل‌سازی شدهراکتور مونولیتی مورد استفاده توسط Rabe ] 33 [و همکاران، مجهز به یک ترموکوپل (TC) برای ثبت دما در طول راکتور است. در ناحیه ابتدایی این راکتور (قبل از ناحیه مونولیتی اول)، صفحه‌ای برای اختلاط هرچه بهتر گازها وجود دارد. این صفحه یک جریان یکنواخت را برای عبور از ناحیه مونولیتی فراهم می‌کند. این راکتور دارای سه ناحیه مونولیتی است. با این وجود تنها یکی از این سه ناحیه مونولیتی، کاتالیستی است و دو ناحیه‌ی دیگر بدون کاتالیست است. کاتالیست مورد استفاده در این کار آزمایشگاهی، 5% است. شایان ذکر است که آن‌ها اثر حضور دو ناحیه مونولیتی کاتالیستی را نیز بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که حضور ناحیه کاتالیستی دوم، تأثیر چندانی روی عملکرد راکتور ندارد. قطر و طول هر ناحیه مونولیتی cm 5/3 است. از آنجا که تعداد کانال‌های یک راکتور مونولیتی معمولاً بصورت تعداد کانال در واحد اینچ مربع تعریف می‌شود، برای راکتور استفاده شده این عدد برابر cpsi 400 است که با درنظر گرفتن قطر راکتور مونولیتی، حدود 597 کانال می‌شود. آب توسط یک پمپ به یک تبخیر‌کننده وارد می‌شود و متعاقباً بخار آب با متان مخلوط می‌شود. مخلوط بخارآب/متان تا دمای C ˚ 275 پیش‌گرم می‌شود. اکسیژن نیز در دمای اتاق وارد راکتور می‌شود. برای شروع آزمایش، راکتور تا دمای احتراق کاتالیستی خوراک ورودی (حدود C ˚ 500) توسط یک گرم‌کن ، گرم می‌شود و بعد از احتراق واکنش، گرم کردن خارجی راکتور قطع می‌گردد. نمایی از این راکتور در شکل (3-1) نشان داده شده است.

شکل ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ شکل * ARABIC s 1 1)- راکتور استفاده شده توسط Rabe ]33[از آنجا که مدل‌سازی کل این راکتور، بسیار هزینه‌بر و زمان‌بر است، برای مدل‌سازی این راکتور فرض شده است که رفتار هر کانال یکسان و مشابه رفتار کل راکتور باشد. در نتیجه تنها یک کانال از این راکتور مدل‌سازی شده است. کانال‌های این راکتور مونولیتی، استوانه‌ای فرض شده اند و به همین علت از تقارن این نوع کانال‌ها استفاده شده و تنها یک چهارم از کانال مدل‌سازی شده است. قطر هر کانال مونولیت استفاده شده توسط Rabe ]33[، mm 9/0 و طول آن بر ای هر ناحیه مونولیتی cm 5/3 در نظر گرفته شده است. برای مدل‌سازی این مجموعه از ناحیه اختلاط اولیه صرفنظر شده است و فرض شده است که مخلوط گازی که وارد ناحیه‌ی مونولیتی اول می‌شود، کاملاً هموژن باشد. با این فرض، در مدل‌سازی فقط سه ناحیه مونولیتی در نظر گرفته می‌شود که معادل طولی برابر cm 5/10 است. به علت آن که نسبت طول به قطر کانال بسیار بیشتر است، تنها بخشی از سطح مش‌بندی شده هندسه مورد استفاده در شکل (3-2) آورده شده است.

شکل ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ شکل * ARABIC s 1 2)- سطح مش‌بندی شده هندسه مورد استفاده در مدل‌سازیتعداد مش‌های زده شده بر روی حجم، حدود 37500 است. با توجه به اینکه تغییرات دما و غلظت اجزاء، در ورودی راکتور سریع است، تعداد مش‌های در نظر گرفته شده در ابتدای راکتور، بیشتر است.
فرضیات و معادلات استفاده شده در مدل‌سازیبنا به کار آزمایشگاهی Rabe ]33[ و همکاران، زمانی‌که WHSV (نسبت جرم واکنش‌گر خورانده شده به راکتور در ساعت به جرم کاتالیست ،1/3 گرم % Ru-γ Al2O35 به ازای هر مونولیت)، برابر hr-1 119 باشد، عدد رینولدز در یک کانال راکتور مونولیتی مورد استفاده برابر 32 بدست می‌آید که بیانگر آرام بودن جریان درون کانال است. جریان سیال داخل کانال، تراکم‌ناپذیر فرض شده است . مخلوط گازی نیز، ایده‌آل فرض شده است. از آن جا که فشار عملیاتی درون راکتور bar 1/2 می‌باشد و افت فشار در راکتور مونولیتی خیلی کم است، این فرضیات منطقی است. مدل‌سازی این سیستم، در حالت پایا صورت گرفته است. معادلات پیوستگی، ممنتوم، انرژی و گونه‌های شیمیایی در نظر گرفته شده بصورت زیر می‌باشند ][ که در ادامه نیز روش‌های محاسبه پارامترهای این معادلات که از مرجع ]34[ برگرفته شده است ارائه می‌شود. این معادلات به کمک نرم‌افزار FLUENT 6.3.26 حل شده‌اند.

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 1)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 2)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 3)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 4)
که در آن u سرعت گاز (m/s)، دانسیته گاز (kg/m3)، p فشار استاتیک (Pa)، تنسور تنشی جریان آرام (Pa)، نیروی ثقلی به ازای واحد حجم (N/m3)، h آنتالپی (kJ/kg)، Keff هدایت حرارتی مؤثر (W/m.K)، Tدمای مخلوط گازی (K)، hi آنتالپی گونه‌ی i (kJ/kg) و Jij فلاکس نفوذی گونه i در جهت j (kg/m2.s) است که فرض شده است شامل نفوذ کامل چند جزئی و نفوذ ناشی از حرارت باشد. N تعداد کل گونه‌های گاز، Sh منبع انرژی ناشی از واکنش شیمیایی (kW/m3)، Yi ترکیب درصد جرمی موضعی اجزاء و Ri (kg/m3.s) نرخ خالص تولید جزء i توسط واکنش شیمیایی می‌باشد.
تنسور تنشی جریان آرام () از معادله زیر بدست می‌آید:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 5)
که ویسکوزیته (N.s/m2) است. دو عبارت اول در سمت راست معادله انرژی (3-3)، بترتیب انرژی منتقل شده در اثر هدایت حرارتی و نفوذ اجزاء می‌باشد. از انرژی حرارتی تولید شده در اثرviscous shear در جریان صرفنظر شده است. هدایت حرارتی مؤثر برای جریان سیال در یک کانال، همان هدایت حرارتی سیال و برای جریان سیال در یک محیط متخلخل از رابطه زیر بدست می‌آید:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 6)
کهضریب تخلخل بستر، Kf هدایت حرارتی سیال و Ks هدایت حرارتی ماده جامد می‌باشد.
آنتالپی، h (kJ/kg)، برای یک مخلوط گاز ایده‌آل بصورت زیر تعریف می‌شود:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 7)
و hi بصورت زیر بدست می‌آید:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 8)
که Cp,i حرارت ویژه گونه i (kJ/kg.K) و Tref دمای مرجع می‌باشد (در این مطالعه K 15/298= Tref).
عبارت منبع انرژی، Sh (kW/m3) از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 9)
که آنتالپی تشکیل گونه‌ i (kJ/mol) و Mw,i وزن مولکولی گونه i (kg/mol) است.
از آنجا که فرآیند نفوذ مولکولی در ریفرمر سوخت، مهم است، فلاکس نفوذی جزء i، Jij ، با استفاده از روش نفوذ کامل چند جزئی که بر مبنای معادله Maxwell – Stefan است، محاسبه می‌شود:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 10)
که DT,i ضریب نفوذ حرارتی برای گونه‌ i در مخلوط است و Di,k بصورت زیر تعریف می‌شود:

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 11)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 12)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 13)

معادله ( STYLEREF 1 s ‏3 SEQ معادله_ * ARABIC s 1 14)

متن کامل و مطالب مشابه در سایت هماتز

« (Previous Post)
(Next Post) »

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *