A Numerical Study of Hydrogen Production via High-temperature and Low-temperature Water-Gas Shift Reactors’ System: The Multi-Scale Modeling Approach and Simulation

Authors : Seçgin KARAGÖZ

Pages : 1167-1180

Doi:10.35414/akufemubid.821905

View : 24 | Download : 8

Publication Date : 2021-10-31

Article Type : Research Paper

Abstract :Bu çalışmanın temel amacı, hidrojen üretimi için yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık su-gaz değiştirme reaksiyonlarının (WGSR'ler) gerçekleştiği dolgu yataklı reaktörler sisteminin (PBR'ler) gelişmiş ve ayrıntılı çoklu-ölçekli matematiksel modellerini geliştirip, simülasyonlarını gerçekleştirmektir. Endüstriyel hidrojen üretimi için en yaygın kullanılan yöntem yüksek sıcaklık su-gaz değiştirme reaktörünün (HTSR) düşük sıcaklık su-gaz değiştirme reaktörüne (LTSR) aralarında soğutma işlemi olacak şekilde seri halde bağlanmasıyla oluşan sistemdir. Bu nedenle, bu çalışma hidrojen üretim sisteminin davranışını tahmin etmek için seri haldeki HTSR+LTSR sistemi üzerinde ayrıntılı ve gelişmiş nümerik simülasyonların gerçekleştirilmesini amaçlamaktadır. Çalışmada tek kataliz peletinin izotermal olmayan, kararlı durum simülasyonunu tamamladıktan sonra, hibrit çoklu-ölçekli reaktör modeli oluşturmak için izotermal olmayan (adyabatik), kararlı durum dolgu yataklı reaktör modeliyle birleştirilmiştir. Hem reaktör uzunluğu hem de kataliz pelet yarıçapı boyunca hız, sıcaklık ve türlerin konsantrasyon profilleri, konveksiyon, iletim ve reaksiyon-difüzyon gibi sistemde yer alan fiziksel mekanizmaları dikkate alarak titizlikle tanımlanmış momentum, enerji ve taşınım modelleri kullanılarak elde edilmiştir. Model denklemleri her bir çalışma alanı (reaktör gaz fazı alanı ve kataliz pelet alanı) için eş zamanlı olarak çözülmüştür. Maxwell-Stefan Modeli kütle difüzyon akışlarını hesaba katmak için reaktör ölçeğine uygulanırken, Dusty Gaz Modeli de tek kataliz pelet ölçeği için kütle difüzyon akışlarını hesaplama da kullanılmıştır. Bu çalışmada, üst ve alt limit koşullarının sonuçlar üzerindeki etkilerini araştırmak için çok çeşitli çalışma koşullarını ve tasarım parametrelerini içeren simülasyonlar gerçekleştirilmiştir.
Keywords : CFD Simülasyon, Dusty Gaz Model, HTSR, LTSR, Çoklu Ölçekli Modelleme, Maxwell Stefan Modeli