عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی و بهینه سازی فرایند ریفمینگ ترکیبی متان
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندها
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1007.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 48103
- تاریخ دفاع
- ۲۷ بهمن ۱۳۸۹
- دانشجو
- پیروز شاه کرمی
- استاد راهنما
- شهره فاطمی
- چکیده
- در این پروژه مدل‌سازی ریاضی و بهینه سازی فرایند ریفرمینگ ترکیبی متان (انجام هم‌زمان دو فرایند ریفرمینگ خشک و ریفرمینگ متان با بخار آب) در رآکتور بستر سیال غشایی و رآکتور بستر ثابت انجام پذیرفته است. به منظور مدل¬سازی رآکتور بستر ثابت با استفاده از مدلی دو بعدی و با بررسی مکانیسم‌های انتقال حرارت و انتقال جرم در این فرایند، دو برنامه بر پایه دو روش تعامد تطبیقی و روش خط توسعه داده شده است که قادر هستند ترکیب گازهای خروجی، دما و فشار داخل رآکتور را محاسبه نمایند. نتایج حاصل از هر دو برنامه با اختلاف کمی مشابه یکدیگر بوده و با تقریب خوبی با داده‌های صنعتی تطابق دارند. در ادامه برای شبیه‌سازی فرایند ریفرمینگ ترکیبی متان در رآکتور بستر سیال غشایی ، در ابتدا فرایند ریفرمینگ متان با بخار آب در یک رآکتور بستر سیال غشایی مدل‌سازی شده است. به منظور یافتن الگویی مناسب که رفتار سیستم را به درستی پیش‌بینی کند عملکرد سیستمی مرکب از N رآکتور اختلاط کامل هم اندازه با اتصال سری با یک رآکتور جریان قالبی مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج مدل‌سازی با داده‌های تجربی موجود در مراجع در یک رآکتور بستر سیال غشایی مقایسه شد و تطابق خوبی میان نتایج مدل و آزمایش حاصل شد. پس از سنجش اعتبار مدل، فرایند ریفرمینگ ترکیبی متان در رآکتور بستر سیال غشایی شبیه‌سازی شد و تأثیر شرایط مختلف عملیاتی بر عملکرد رآکتور و کیفیت محصول گازسنتز خروجی مورد بررسی قرار گرفت. در پایان با استفاده از الگوریتم ژنتیک، بهینه‌سازی شرایط عملیاتی رآکتور بستر سیال غشایی با هدف رسیدن به بیشینه تبدیل متان، کمینه میزان تشکیل کک و همچنین رسیدن به محصول گازسنتزی با کیفیت مطلوب جهت استفاده مستقیم در فرایند فیشر- تروپش انجام شد. نتایج نشان می‌دهند که در شرایط یکسان ریفرمینگ ترکیبی متان دارای تبدیل بالاتری نسبت به ریفرمینگ متان با بخار آب بوده و گاز سنتز حاصل از آن دارای کیفیت مطلوب‌تری می‌باشد. در حالی که، میزان تولید و تراوش هیدروژن خالص از غشاء در فرایند ریفرمینگ متان با بخار آب بیشتر می‌باشد.
- Abstract
- In this research, mathematical modeling and optimization of methane-combined reforming process is comparatively performed in an industrial fixed bed and a fluidized bed membrane reactor. The steady-state operation of industrial reformer is analyzed by means of a heterogeneous two-dimensional model which accounts the diffusion limitation in the catalyst particle at each axial and radial reactor position. In order to solve the equations in bulk phase and catalyst particle two computational programs are developed based on finite difference and orthogonal collocation methods. The applied numerical methods showed no significant variation between the output results and they were in a good agreement with the industrial data. In advance to the simulating methane combined reforming in bubbling fluidized bed membrane reactor, a mathematical model is implemented for the simulation of methane steam reforming process. The model characterizes multiple phases and regions considering low-density phase, high-density phase, staged membrane and freeboard region that allows for studying the reactor performance. In order to describe the flow pattern within the emulsion and bubble phases two different approaches are considered. In the first approach (compartment model) the dense zone is axially divided into several sections and in each section two CSTR reactors are considered that represents the gas flow through the bubble and emulsion phases. However the free board region is considered to have plug flow regime. In the second approach (plug flow model), the gas stream is considered as a plug flow in all phases. The results reveal that the plug flow model is in more agreement with the experimental data published for methane steam reforming. Since the model is consistent with the experimental data, a well-mixed catalyst pattern is employed for coupling the reactions and it has been shown that the combined effect of the membrane and reaction coupling provides opportunities to overcome equilibrium conversion limits and help to achieve higher conversion of methane. The influence of some key parameters on reactor performance including temperature, pressure, S/C and CO2/C have been investigated and Genetic Algorithm is employed to find optimal operating conditions of the reactor. Steam reforming is also simulated in selected optimal conditions and the results are compared to those of combined reforming. The comparison reveals the superiority of combined reforming process in terms of methane conversion, catalyst activity and H2/CO ratio.
