Geri Dön

Modeling and design of reactor for hydrogen production using non-stoichiometric oxide

Stokiyometrik olmayan oksitler kullanılarak hidrojen üretim reaktörünün süreç modellemesi ve tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 463621
  2. Yazar: ARDA YILMAZ
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. SERKAN KINCAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 171

Özet

Bugünlerde ülkeler güneş enerjisi, biyokütle, rüzgar enerjisi ve hidrojen gibi alternative enerji teknolojilerini geliştirmek için araştırmalar yapıyorlar. Hidrojen gazı çok kullanışlı bir enerji taşıyıcısıdır ve yakıt pilleri hidrojen gazı yardımıyla elektrik üretir. Birçok araştırmacı tarafından yüksek maliyetli üretiminden dolayı hidrojen üretim teknolojileri araştırılmaktadır. Termokimyasal üretim yolu önemli hidrojen üretim yöntemlerinden birisidir. Aynı zamanda güneş enerjisi de temiz, yenilenebilir ve alternatif bir enerji kaynağıdır. Güneş enerjisi, reaksiyon sistemini ısıtmada kullanılır fakat güneş enerjisi modeli reaksiyonun ısı ihtiyacı ve operasyon sıcaklığına göre optimizasyona ihtiyaç duyar. Bu çalışmanın ana amacı ısı,kütle ve momentum olarak optimum reaktör sistemini JMP, COMSOL, MATLAB programları ve istatistiksel yaklaşımla modellemek ve tasarlamaktır. Bu reaktör sisteminde hidrojen gazı su buharından güneş enerjisi ve metal oksit katalizör kullanılarak monolit reaktörde üretilmektedir. Reaktörün ön yüzeyinde quartz cam bulunmaktadır. Arka yüzeyi ise mükemmel izolasyon mekanizmasına sahipmiş gibi değerlendirilmiştir. Reaktörün kanallarının duvarları katalizör malzeme ile kaplıdır ve ısı kaybını azaltmak amacıyla reaktörün çevresini saran izolasyon malzemeleri kullanılmıştır. Sanal deney setleri, termal ve kinetik model için önemli parametreleri belirlemek amacıyla JMP programında kurgulanmıştır. Termal ve kütle-momentum taşınım modelleri COMSOL programında yapılandırılmıştır. Hidrojen dönüşüm değerleri gerçek deneylerin hız denklemleri ve COMSOL sonuçlarının sıcaklık profilleri kullanılarak MATLAB üzerinde elde edilmiştir. Aynı zamanda model doğrulama çalışması da COMSOL üzerinde yapılandırılmıştır. Transport modelde kütle ve momentum transferinin sıcaklık profillerine etkisinin ihmal edilmesi iki modelde de düşük sıcaklık farkları olması sayesinde teyit edilmiştir. Hidrojen dönüşüm değeri 0.7 olarak bulunmuştur. Kanalın sonuna doğru hidrojen konsantrasyonu yüksek reaksiyon hızından dolayı daha fazladır. Kinetik modelde ısı iletkenlik katsayıları yüzünden oksijen üretimi bakımından ısınma süresi 3 dakikadan az olursa kordierit en iyi malzemedir fakat ısınma süresi 3 dakikadan fazla olursa silikon karbür en iyi malzemedir. Güneş akısı için yüzey alanı ve reaktör uzunluğu kanal şeklinin oksijen dönüşümü üzerindeki etkisinin analizi için çok önemli parametrelerdir. Termal model ve istatistiksel yaklaşım kısmının ana ve ikincil etkenlerini içeren fakat kanal şekli etkisini içermeyen ilk ve ikinci simulasyonlarında optimum reaktör modeli silikon karbür malzeme, yüksek CPSI (kanal sayısı), ortalama 300 sun civarı güneş akısı, ince et kalınlığı gibi özelliklere sahiptir. Tüm etkenlerin yer aldığı son istatistiksel analize göre optimum reaktör modeli yüksek CPSI, yüksek güneş akısı, kare kanal şekli modeli, kordierit reaktör malzemesi, ince et kalınlığı ve optimum iç izolasyon kalınlığı gibi özelliklere sahiptir. Bu optimum reaktör modelinde oksijen dönüşüm değerleri 0.15-0.20 dakika-1, ısınma süresi 1-2 dakika ve sıcaklık farklılıkları da 50-200 º C olarak elde edilmiştir. Model doğrulama işlemleri güneş akısının ve yatışkın koşullarda çalışan reaktörün sıcaklık profillerinin doğrulanması üzerinden gerçekleştirilmiştir. Güneşten alınan enerji 300 W olarak bulunmuş ve sıcaklık profilleri bazı fiziksel parametreler üzerinden ayarlamalar, değişiklikler yapılarak örtüştürülmüştür.

Özet (Çeviri)

Nowadays countries investigate to improve alternative energy technologies such as solar power, biomass, wind energy, hydrogen etc. Hydrogen gas is very useful energy carrier and fuel cells produce electricity through hydrogen gas. Hydrogen production technologies are also investigated by many researches due to its high cost production. Thermochemical production way is one of the hydrogen production methods. Solar energy is also clean, renewable and alternative energy source. It is used for heating reaction systems but modeling of solar system requires optimization in terms of heating need of reaction and operation temperature. Main purpose of this study is to model and design optimum reactor system in terms of heat, mass and momentum transport phenomena via statistical approach, JMP, COMSOL and MATLAB programs. In this reactor system, hydrogen gas is produced in monolith reactor from steam through solar energy and metal oxide catalyst. In front side of reactor, quartz glass takes place for solar irradiation. Backside of reactor is assumed well insulated because this side is closed and reactor channels connect to gas storage place via valve and vacuum system throughout this side. Reactor channel walls are coated with metal oxide catalyst. There is an insulation layer on the outside of reactor for decreasing energy loss. Artificial experiment (design of experiment-DOE) runs are set via JMP program to determine significant parameters for thermal and kinetic model. After that, thermal, mass-momentum transport simulation models, which are based on significant parameters, are configured on COMSOL. Hydrogen conversion value is obtained on MATLAB by using rate expressions of real experiment and temperature profiles of COMSOL results. Also, model validation studies are configured on COMSOL. In mass-momentum transport model, neglecting effects of mass transfer and momentum transfer on temperature profiles is verified due to low temperature differences for both reduction and oxidation reactions. Hydrogen conversion is found as 0.7. Hydrogen concentration toward end of the channel is higher because of high reaction rate. In kinetic model, when heating time is shorter than 3 min cordierite is the best material but when heating time is more than 3 min, silicon carbide is the best material in terms of oxygen conversion due to thermal conductivity. Surface area for solar flux and reactor length are very significant parameters for analysis of channel shape effect on oxygen conversion. In first and second simulations including main and second order effect except channel shape of thermal model and statistical approach, optimum conditions of reactor system are silicon carbide as reactor material, high CPSI (cell per square inch), averaged 300 sun solar flux, thin wall thickness for minimum temperature difference. According to final statistical analysis including all effects, optimum conditions of reactor system are high CPSI, high solar flux, square channel model, cordierite material, low wall thickness and optimum inner insulation thickness. In this optimum reactor model, oxygen production rate is 0.15-0.20 min-1, heating time is 1-2 mins and all temperature differences are 50-200 º C. Model validation is carried out for solar flux and temperature profiles of reactor at steady-state. Solar energy is determined 330 W and temperature profiles overlap each other by tuning some physical parameters.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    601920

    Multi-scale modeling and simulation of intensified reactive-separation processes for hydrogen production and CO2 capture via the water-gas shift reaction (WGSR)

    Başlık çevirisi yok

    SEÇGİN KARAGÖZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya MühendisliğiUniversity of California Los Angeles

    PROF. VASILIOS MANOUSİOUTHAKIS

  2. Tez No

    892120

    Multi-Scale Modeling and Simulation of Intensified Reactive-Separation Processes for Hydrogen Production and CO2 Capture via the Water-Gas Shift Reaction (WGSR)

    Su-Gaz Değişimi Reaksiyonu (WGSR) Yoluyla Hidrojen Üretimi ve CO2 Yakalama için Yoğunlaştırılmış Reaktif Ayırma Proseslerinin Çok Ölçekli Modellenmesi ve Simülasyonu

    SEÇKİN KARAGÖZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    EnerjiTexas A&M University

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. Vasilios Manousiouthakis

  3. Tez No

    403074

    Experimental and theoretical investigations of magnesium-chlorine cycle and its integrated systems

    Başlık çevirisi yok

    HASAN ÖZCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine MühendisliğiUniversity of Ontario Institute of Technology

    PROF. DR. İBRAHİM DİNÇER

  4. Tez No

    826343

    Metanolden reformlama tepkimeleri ile hidrojen üretimi için reaktör sistemi tasarımı ve simülasyonu: katalizör geliştirilmesi ve kinetik model çalışmaları

    Reactor system design and simulation for hydrogen production from methanol by reforming reactions: catalyst development and kinetic model studies

    ORHAN ÖZCAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE NİLGÜN AKIN

  5. Tez No

    451001

    Hidrojen ile redüksiyona uygun akışkan yatak tasarımı ve çelik dekapaj atıklarından metalik demir üretimi

    Fluidized bed design suitable for reduction with hydrogen and metallic iron production from steel pickling waste

    ARİF OĞUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR

Geri Dön