Modeling of ammonia synthesis reaction in membraneintegrated microreactors for small-scale applications
Membran entegre edilmiş mikroreaktörlerde küçük ölçekli uygulamalar için amonyak sentezi reaksiyonunun modellenmesi
- Tez No: 909296
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET KERİM AVCI, PROF. DR. RAMAZAN YILDIRIM, PROF. DR. AYŞE NİLGÜN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 82
Özet
Dolgu yataklı reaktörlerden (PBR) ve membranlı mikrokanal ısı değiştiricilerden (micro-HEx) oluşan kaskad sistem, ANSYS ve MATLAB kullanılarak 2D ve 1D, nonizotermal, durağan durum koşulları altında modellenmiştir. Süpürme ve reaksiyon kanalları, NH3 geçişine seçici olan ZnCl2-immobilize erimiş tuz membran katmanlarıyla fiziksel olarak ayrılmıştır. Fe-bazlı katalizörle dolu adiabatik PBR'nin çıkışı, H2-N2-NH3 karışımından oluşur ve bu akım reaksiyon kanallarına, süpürme gazı olarak N2, permeat kanallarına beslenir ve PBR giriş sıcaklığını düzenler. Modellemede PBR ve micro-HEx'larda kütle, momentum ve enerji korunumu göz önünde bulundurulmuştur. Membran ayrımı Fick yasası ile modellenmiştir. Reaksiyon kanalının çıkışı, sentezin gerçekleştiği bir sonraki PBR'ye dozlanır. Mikro-HEx ünitelerindeki laminar akış koşulları nedeniyle, ısı transferi ve ayırma hem ko- hem de karşı-akım akışları için ANSYS (v.19.2)'de eş zamanlı olarak çözülmüştür. Çözümler MATLAB ile karşılaştırılmıştır; MATLAB ayrıca PBR'lerde adiabatik katalitik reaksiyonu 1D psödohomojen model ile simüle etmek için kullanılır. İki modelin benzerliği doğrulandıktan sonra, MATLAB platformu kullanılarak PBR ve microHEx üniteleri tek bir kod altında entegre edilmiştir. Karşı-akım modunun daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Daha sonra, sistemi iyileştirmek için iki farklı konfigürasyon tasarlanmıştır. İlk konfigürasyon, reaksiyon kanalının çıkışına 573K'de taze azot akışı eklemeyi içerir. Bu düzenlemede, sıcaklık profili istenildiği gibi gözlemlenmiştir. Ayrıca, dönüştürülen azot oranında önemli bir artış olmuştur. Diğer konfigürasyon ise süpürme kanalının çıkışını bir sonraki ısı değiştiriciye beslemeyi içerir. Bu, ekstra taze N2 beslemesi sorununu önler ve süpürme kanalındaki amonyak fraksiyonunu artırarak sonraki aşamada saf amonyak elde etmek için gerekli koşulu sağlamaya yardımcı olur. Bu hesaplamalara göre, ek N2 beslemesi ve birbirine bağlı ısı değiştiriciler ile çalışan, karşı-akım modunda 5 üniteden oluşan sistem optimaldir
Özet (Çeviri)
The cascade of packed–bed reactors (PBRs) and microchannel membrane heat exchangers (micro–HExs) is modeled using ANSYS and MATLAB under 2D and 1D, non-isothermal, steady-state conditions. Permeate and reaction channels are physically segregated by layers of ZnCl2-immobilized molten salt (IMS) membrane that is selective for NH3 transport. Each Fe-based catalyst packed adiabatic PBR effluent, composed of H2-N2-NH3 mixture, is supplied into the reaction channels while N2 is supplied in the permeate channels as the sweep gas that regulates the inlet temperature of the PBR. Modeling considers the conservation of mass, momentum, and energy in the PBR and the micro-HExs. Membrane separation is modeled by Fick's' law. Output of the reaction channel is dosed to the next PBR where synthesis takes place. Due to the laminar flow conditions in the micro-HEx units, heat transfer and separation are solved simultaneously in ANSYS (v. 19.2) for both co- and counter-current flow. The solutions are compared with MATLAB, which is also used in simulating adiabatic catalytic reaction in the PBRs by a 1D pseudohomogeneus model. Upon validating the similarity of two models, MATLAB is used, then PBR and micro-HEx units are integrated under a single code. It is observed that the counter-current mode yielded better results. Later, two different configurations are designed to improve the system. The first involves adding a fresh nitrogen flow at 573K to the output of the reaction channel. In this arrangement, the temperature profile is observed to be as desired. Additionally, there is a significant increase in the converted nitrogen ratio. The other configuration involves feeding the outlet of the sweep channel into the next one. This prevents the issue of additional fresh N2 feed and helps increase the fraction of ammonia in the sweep channel, thereby facilitating the necessary conditions for obtaining pure ammonia in the later stages. As a result, a system consisting of 5 units operating in a counter-current mode with additional N2 feed and interconnected heat exchangers is optimal based on these calculations
Benzer Tezler
- Modeling of ammonia synthesis in a wall-coated membrane microchannel reactor
Membran entegreli kaplanmış mikroreaktörde amonyak sentezinin modellenmesi
EMRE KÜÇÜK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET KERİM AVCI
- Çok yataklı amonyak sentez reaktörünün iki boyutlu (Eksenel radyal) modellenmesi
Two dimensional (Anial-radial) modeling of ammonia synthesis reactor
HALİL İBRAHİM ÜNAL
Doktora
Türkçe
1997
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN GÜLTEKİN
- Gazlaştırma yoluyla elde edilen sentez gazından kimyasal üretimine yönelik proses simülasyonu
A process simulation for the production of chemicals from synthesis gas obtained by gasification
OĞUZ ALP KURUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
- Investigation of redox-dependent benthic nutrient and metal feedbacks under anoxia using early diagenetic modeling
Anoksik koşullarda redoksa bağlı bentik besin ve metal döngülerinin erken diyajenez modellemesi ile incelenmesi
KADİR BİÇE
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Deniz BilimleriOrta Doğu Teknik ÜniversitesiYer Sistem Bilimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA YÜCEL
PROF. DR. AYŞEN YILMAZ
- Kentsel atıksu arıtma tesislerinde karbon giderimi kinetiği ve denitrifikasyon hızlarının belirlenmesi
Determination of carbon removal kinetics and denitrification rate in urban wastewater treatment plants
TUGBA DAVULCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR