• بازدید : 64 views
  • بدون نظر
موضوع : پایان نامه مدل سازی ریاضی راکتور بستر ثابت تبدیل مستقیم متان به اتانول با کمک دینامیک سیال محاسباتی (CFD ) 
رشته:مهندسی شیمی
تعداد صفحات: ۱۰۱ صفحه
نوع فایل: pdf

امیدوارم نهایت استفاده رو از این پایان نامه ببرید.

  • بازدید : 43 views
  • بدون نظر
این فایل در ۵صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

در احتراق با شعله , سرعت لايه اي شعله يك پارامتر مهم در توصيف احتراق متلاطم است. محاسبات با استفاده از يك مكانيزم جنبشي شيميايي كه اثر نسبت هم ارزي و دماي اوليه روي سرعتهاي شعله متان, اتيلن و پروپان را با هوا و در فشار اتمسفر مشخص مي كند انجام شده است.
اين نتايج با داده هاي موجود در منابع چك شده اند و سپس براي دماهاي خيلي بالا كه عموماً در جريانهاي گردابه اي مورد توجه هستند برون يابي شده اند.
رابطه ساده اي براي توصيف آنها در گستره ۳۰۰k تا ۱۱۰۰k با حدود% ۱۰ خطا براي اهداف مدل سازي توسعه يافته است.
سرعت لايه اي شعله توسعه نيافته SL نه فقط براي شعله هاي لايه اي بلكه در مفاهيم شعله ور شدن احتراق متلاطم و خاموشي نيز با اهميت است. بسياري از محققين به طور تجربي سرعت شعله سوختهاي معمول گازي , متان , پروپان و اتيلن با هوا در موقعي كه واكنش ها در دماي اتاق شروع مي شود را محاسبه كرده اند . داده هاي كمتري براي دماهاي اوليه بيشتر, به خصوص سوختهاي غير- استوكيومتريك حتي براي سيستم هاي واقعي كه معمولاً يك پيش گرم داخلي يا خارجي وجود دارد در دست است. به علاوه علاقه رو به افزايشي براي سوختهاي تركيبي يا بيوگازها وجود دارد, درجايي كه متان به طور عمده به وسيله دي اكسيد كربن رقيق مي شود. اينكه تا چه اندازه اين رقيق كننده خنثي است مي تواند به وسيله رقيق كردن با نيتروژن تست شود. بنابراين چندين عامل در توليد يك بانك داده جامع و نامتناقض براي سوزاندن  CH4 در دماي بالا و رقيق كننده هاي CO2 و N2 وجود دارد.
حداقل در آزمايشگاه داده هاي مشابهی براي C2H4 و C3H8 قابل انتظار است. روش اين مقاله محاسبه اختلاف SL با يك مدل شيميايي جنبشي است, تطبيق شده با كد Wang  كه در مقابل داده هاي تجربي تا جاييكه  وجود داشته اند چك شده اند.

اهداف مخصوص:
۱- محاسبه سرعت شعله متان , اتيلن و پروپان در فشار اتمسفر در گستره كامل نسبت هاي هم ارزي رقيق به عنوان يك تابع از دماي اوليه از ۳۰۰k به بالا.
۲- محاسبه اثر اضافه كردن CO2 و N2 به اين سوختها و بررسي اينكه CO2 تا چه اندازه مي تواند به عنوان يك رقيق كننده بي اثر در نظر گرفته شود.
۳- مرتبط كردن نتايج محاسبه شده براي فراهم كردن عبارتي با دقت مناسب براي پيش بيني مدل هاي شعله.



محاسبه مدل ها:
محاسبات جنبشي شيميايي به تفصيل توسط مدل گسترش يافته كد PREMIX مجموعه برنامه هاي Chemkin II انجام شده است.
كارهاي جديد انجام شده در اين مقاله شامل سهولت افزايش دماي اوليه و به كارگيري حل همگرا شده قبلي به عنوان حل اوليه جهت كم كردن زمان مورد نياز CPU است.
شبيه سازي شعله يك محدوده ۲۰cm را در بر مي گيرد و متجاوز از ۱۵۰ شبكه گره براي اطمينان از كاهش وابستگي حل به شبكه استفاده شده است. خواص متوسط منتقل شده مخلوط از پايگاه داده موجود در Chemkin استخراج شده است. در ابتدا از خصوصيات خوب و تست شده مدل جنبشي Gri-Mech3.0 استفاده شده است.
ضمن اينكه مكانيزم داده شده شبيه سازي عالي براي متان مي دهد و انحراف قابل توجهي براي پروپان و اتيلن دارد, Gri-Mech3.0 نتايج سرعت شعله براي اين سوختها را نيز پيش بيني مي كند.
اخيراً مكانيزمي به وسيله Wang و همكارانش بر پايه Gri-Mech3.0 منتشر شده كه بر پايه توجه ويژه به شيمي C3 گسترش يافته است [۴].
اين مكانيزم  براي استفاده در اين مطالعه با حذف شيمي C4  براي كاهش سايز كلي مدل به ۳۲۳ واكنش و ۴۶ گونه تطبيق يافته است.
داده هاي انتقال و ترموديناميك با دانلود از سايت مدل وانگ قابل دسترسي هستند.[۱] جنبه كليدي اين مقاله در مدل كردن سرعت شعله در دماهاي بالا است همان طور كه پيش بيني مي شود سرعت شعله با افزايش دما افزايش مي يابد.
اين امر نشان مي دهد كه خواص انتقال و نفوذ گرما در مقابل افزايش دما از اهميت كمتري برخوردار هستند در واقع, با افزايش دما واكنش جلويي به مرز  نزديك تر مي شود و اين اثر مهمي در توليد يك حل پايدار شده هم گرا و زماني كه براي رسيدن به اين حل صرف مي شود دارد. به اين علت مناسب است كه حد بالايي دما  را در نتايج قرار دهيم.

نتايج براي سوختهاي خالص:
براي اطمينان از درستي اعتبار محاسبات آنها اول با نتايج تجربي براي سوختهاي خالص در دماي اوليه مقايسه شده اند. درحالي كه مجموعه داده ها در منابع زياد است اين دو مركز انتخاب شده اند زيرا هر دو بيش از يك سوخت را پوشش مي دهند و بنابراين هماهنگي دروني با هم دارند.
تيلور [۵] از يك دستگاه بمب كروي در يك آزمايشگاه تحقيقاتي گاز بريتانيا استفاده كرده است (اكنون در دانشگاه ليدز) در صورتي كه والگنوپوس و الگوپولوس در دانشگاه كاليفرنياي جنوبي در شعله هاي جت نفوذ كننده اندازه گيري كرده اند. [۶]
همان طور كه در شكل ۳-۱ ديده مي شود دو دسته عموماً با هم توافق دارند. براي۴ C2H  آنها به وسيله يك مطالعه قديمي تر توسط اگو فلوس و ديگران [۷] تكميل شده اند..
براي جتهاي مخالف جريان , نتايج آنها براي  های پايين تا   اخيراً توسط هيراواسا و بقيه نقل قول شده است [۸]. اين بررسي اخير تاييد مي كند كه داده هاي قديمي تر براي   با داده هاي تيلور مطابقت دارند اما براي مخلوط هاي رقيق تر پايين تر از آنها هستند (شكل۲).در شكل ۱ براي CH4 داده هاي تجربي شارما و بقيه [۹] در يك بمب استوانه نيز آورده شده است. آنها سرعت شعله را در شرايط استوكيومتريك كمي زير دو گروه ديگر اندازه گيري كرده اند.
همچنين نتايج محاسبات مواس و پترز [۱۰] نشان داده شده است. كه از طرح هاي C1 و C2 براي محاسبه وابستگي به نسبت هم ارزي استفاده كرده اند.
محاسبات ما با طرح C1 تقريباً هم خواني دقيقي دارد اما با طرح  Wang براي C1 و C2 و C3 (كه براي C2H4 و C3H8 ¬توافق بسيار بهتري دارد) SL  در شرايط استوكيومتريك در حدود %۶ كمتر از محاسبات ماوس و پترز با مكانيزم C2 است. توافق در سه محاسبه در نسبت هاي هم ارزي رقيق تقريباً عالي است. اما همان طور كه در شكل۱ نشان داده شده هرسه پيش بيني از مقدار اندازه گيري شده SL توسط تيلور در   بيشتر است.
اين امر ممكن است به دليل اختلافات در آزمايش رقيق نزديك به خاموشي باشد. هيچ شعله پايدار لايه اي CH4 بدون پيش گرم, شعله پيلوت يا گردابه اي براي   گزارش نشده است اما در محاسبات عددي خاموشي تا زير  رخ نمي دهد.
نتايج براي C2H4 (شكل۲) از پايين تا   به خوبي پيش بيني شده است. هر چند داده هاي C3H8 (شكل۳) قدري سوختن سريع تر را نسبت به پيش بيني هاي براي   هاي پايين تا  پيشنهاد مي دهد.
نتايج همچنين براي اين سوختها تا دماي اوليه k1100به دست آمده است. روي هم رفته انجام محاسبه حاضر در محدوده Ti=300k بايد بسيار رضايت بخش در نظر گرفته شود, اما تاييد رفتار نزديك به خاموشي ناقص است. هرچند هنگامي كه وابستگي دماي اوليه با يكي از مجموعه داده هاي محدود موجود شارما و ديگران [۹] براي CH4 مقايسه مي شود اطمينان افزايش مي يابد.
افزايش پيش بيني شده سرعت شعله با دما تا دماي ۱۳۰۰k در شكل ۴ نشان داده شده است ولو اينكه در محاسبات در دماهاي بالاترخطاهای قابل توجهي وجود داشته باشد كه اكنون مورد بحث است.
شارما و همكارانش داده ها براي Ti را تا دماي ۶۰۰k  به وسيله رابطه زير به هم مرتبط کردند.
 
اين شكل ساده گاهي اوقات براي توصيف محاسبات ما بعد از Ti = 1100k و   نزديك به يك ناكافي و ناقص است بنابراين رابطه به گستره ۳۰۰<Ti<1100k محدود مي شود, كه در آنها نتايج محاسبات را در محدوده %۱۰ خطا ارائه مي كند.
اين شكل ارتباط با وجود دقت كم به خاطر سادگي اش در اينجا پذيرفته شده است.
برای معرفي يک پيش بيني با محدوده خطای %۲ در گستره ۳۰۰k<Ti<600k يک مجموعه ثابتهای ديگر براي همان معادله پديد مي آيد. مقايسه با داده هاي تجربي شارما و ديگران [۹] براي نماي   در شكل ۵ آمده است. در اينجا پيش بيني ها وابستگي مشابهي را با نسبت هم ارزي نشان مي دهند استفاده از اين رابطه براي گستره دماي محدود ( مطابق با آزمايشات اما در شكل ۵ نشان داده نشده است)   فقط% ۶ از مقادير تجربي براي <1 <0.8 بزرگتر است. شكل ۵ همچنين نشان مي دهد كه نماهاي دمای پيش بيني شده براي C2H4 و C3H8 در سطح مشابهي و هم وابستگي  CH4 را به نسبت هم ارزی دارند.منحني های درجه ۳ و ۴ برای تقريب)  n(1/و) c( به ترتيب مناسب هستند. نتايج براي گستره  300k<Ti<1100k در جدول ۱ و براي گستره  300k<Ti<600k در جدول ۲ آمده است.
  • بازدید : 40 views
  • بدون نظر
این فایل در ۲۲صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

گاز طبیعی که بیشتر از گاز متان (CH4 )  تشکیل می‌شود مانند هر ماده دیگر دارای ده‌ها  خصوصیت فیزیکی و شیمیائی است اما از آنجا که بحث ما در زمینه ایمنی است لذا در اینجا فقط به آن دسته از خواص گاز طبیعی میپردازیم که از نظر ایمنی اهمیت بیشتری دارند. سایر اجزاء تشکیل دهنده گاز طبیعی ، شامل گازهای اتان ، پروپان، بوتان و ئیدرو کربورها ی سنگین تر میباشند. در این میان گاز اتان درصد قابل ملاحظه‌ای ( تا حدود ۱۰٪ یا کمی بالاتر)را تشکیل می‌دهد. حال آنکه گاز‌های سنگین تر اجزای بسیار کوچکی را در ترکیب گاز طبیعی شامل می‌شوند همچنین عناصری از قبیل H2S,CO2,N2   نیز همراه گاز طبیعی یافت می شود و بالاخره  آب که همیشه با  گاز طبیعی استخراج شده از مخازن همراه است. در پالایشگاه و واحدهای نم زدائی ، ترکیبهای مزاحم که سبب پائین آوردن ارزش حرارتی گاز شده و مشکلاتی در انتقال و مصرف گاز بوجود میآورند، از گاز طبیعی تفکیک و سپس به خطوط انتقال تحویل می‌شود.
چگالی گاز طبیعی

 چگالی گاز متان ۵۵ صدم است ، ولی با توجه به ترکیبات سنگینتر همراه گاز طبیعی ، چگالی آن میتواند به حدود ۶۵صدم نیز برسد. بنا بر این گاز طبیعی از هوا سبکتر بوده و در صورت نشت از خطوط لوله و یا سایر اجزاء  شبکه گاز و یا لوله کشی وسائل گاز سوز در منازل بسمت بالا حرکت می‌کند و در مکانهای مسقف قسمت زیادی از گاز نشت شده در زیر سقف تجمع می‌کند.

سوختن گاز طبیعی
گاز طبیعی در صورتی که بطور کامل خشک و فاقد مواد زائد باشد و هوای کافی به آن برسد ، با شعله آبی میسوزد  ودر غیر اینصورت شعله‌های قرمز ، نارنجی  ،زرد یا سبز حاصل خواهد شد.
ارزش حرارتی گاز طبیعی
هر متر مکعب گاز طبیعی بصورت متوسط ده هزار کیلو کالری ارزش حرارتی دارد ، امّا این مقدار اسمی است و ارزش حرارتی دقیق گاز طبیعی هر میدان گازی ، تابع ترکیبات آن  بوده و بطور کلی هر چه درصد متان در گاز  طبیعی بیشتر باشد ارزش حرارتی آن پائین تر   است . ارزش یک متر مکعب گاز طبیعی در  شرایط استاندارد تقریباً به اندازه یک لیتر  بنزین می باشد.مصرف یک بخاری گازی در  هر ساعت از نیم تا یک و نیم متر مکعب گاز طبیعی می باشد. 


قابلیت اشتعال گاز طبیعی
قابلیت اشتعال گاز طبیعی فقط در محدوده  خاصی از نسبتهای اختلاط با هوا اتفاق می‌افتد که این محدوده را محدوده «قابلیت اشتعال »می نامند مرز پائین این محدوده را اشتعال L.E.L و مقدار بالای این محدوده را  ، حد بالای اشتعال L.H.L مي نامند حد پايين اشتعال گاز طبيعي و ۵ درصد و حد بالاي آن ۱۵ درصد میباشد . بهترین حالت  برای اشتعال گاز طبیعی نسبت ۱۰ درصد گاز با هواست که همان نسبتی است در فرمول  ترکیب متان و اکسیژن (هوا) دیده می‌شود .  
CH۴+۲O۲ = CO۲+۲H۲O+ ۱۰۰۰۰      Kcal/m۳


همانطور که واکنش فوق نشان می‌دهد یک  حجم متان برای سوخت کامل نیاز به ۲ حجم اکسیژن دارد و با توجه به اینکه یک حجم  اکسیژن تا حدودی در ۵ حجم هوا موجود است .  بنا بر این می توان گفت که یک حجم متان نیاز به ۱۰حجم هوا دارد که تا حدودی همان نسبت یک به ۱۰ و یا ده درصد است . البته برای سوختن کامل نیاز به ۲۰ الی ۳۰ درصد هوای اضافی داریم ولی در انفجارها هر چه به نسبت ۱۰ درصد گاز در هوا نزدیک تر باشیم انرژی حاصل از انفجار بیشتر است .




جدول زیر(۵-۱) مشخصات گاز طبیعی خط  لوله است وسپس هریک از اجزاء تشکیل دهنده آن  بطور مختصر توضیح داده شده است.

جدول (۵-۱) مشخصات گاز طبیعی

درصد مولکولی اجزاء تشکیل دهنده ردیف
۸۴٫۵۵ متان ۱
۸٫۱۸ اتان ۲
۴٫۴۰ پروپان ۳
۰٫۴۹ ایزو بوتان ۴
۱٫۰۳ نرمال بوتان ۵
۰٫۲۱ ایزو پنتان ۶
۰٫۱۷ نرمال پنتان ۷
ناچیز هگزان و مواد سنگین تر ۸
۰٫۴۰ انیدرید کربنیک ۹
۰٫۵۷ ازت ۱۰
۱۰۰٫۰۰ جمع کل ۱۱
جدول ( ۵-۲) سایر ترکیبات و مشخصات فیزیکی


سایر تر کیبات و مشخصات فیزیکی
۲٫۱ ppm هیدروژن سولفوره
۱٫۸ ppm مر کاپتان
۱۱ EBS/MM.CF آب موجود
۱۹٫۴۱ وزن مولکولی
۰٫۶۷۲ وزن مخصوص نسبت به هوا


متان
ساده ترین عضو خانواده آلکانها و در واقع ، یکی از ساده ترین ترکیبات آلی ، متان CH4 است. تمام آنچه که در مورد CH4 وجود دارد، می‌توان با اختلافات کمی در مورد سایر آلکانها نیز بکاربرد. 
ساختمان متان 
در متان ، هر یک از چهار اتم هیدروژن بوسیله یک پیوند کووالانسی به اتم کربن متصلند که این عمل ، با به اشتراک یک زوج الکترون انجام می‌شود. هنگامی که کربن به چهار اتم دیگر متصل شود، اوربیتالهای پیوندی (اوربیتالهای SP3 که از همپوشانی یک اوربیتال S و سه اوربیتال P تشکیل می‌شوند) به گوشه های یک چهار وجهی هدایت می‌شوند.
این آرایش چهار وجهی ، آرایشی است که اجازه می‌دهد اوربیتالها تا حد امکان از یکدیگر فاصله بگیرند. برای اینکه هر کدام از این اوبیتالها بتوانند به نحو موثری با اوربیتال کروی ۵ اتم هیدروژن همپوشانی نمایند و بنابراین قویترین پیوند را بوجود آورند، هسته هر کدام از هیدروژنها ، بایستی در گوشه این چهار وجهی قرار بگیرد. 
منبع متان 
متان ، محصولی متلاشی شدن ناهوازی (بدون هوا) گیاهان یعنی شکستن بعضی از مولکولهای خیلی پیچجیده می باشد. همچنین تشکیل دهنده قسمت اعظم (حدود ۷۹%) گاز طبیعی است. متان ، گاز آتشگیر خطرناک معادن زغال سنگ و به صورت جبابهای گاز از سطح مرداب‌ها خارج می‌شود.
اتان
اتان،  C2H6 از نظر اندازه بعد از متان است. اگر اتمهای این مولکول   را بر ( براي هر كربن با پيوند هاي كووالانسي ها به هم متصل كنيد . ساحتمان زير حاصل مي شود . هر كربن به سه هيدروژن ويك كربن ديگر متصل است .  از آنجا که هر کربن به چهار اتم  متصل شده است، 
اوربیتالهای پیوندی آن اوربيتال SP3 به سمت گوشه‌های یک چهاروجهی هدایت می‌شوند. همچون در متان، پیوندهای کربن-هیدروژن از همپوشانی اوربیتالهای SH3 با اوربیتالهای S     هیدروژن نتیجه می‌شوند. پیوند کربن – کربن از از همپوشانی دو اوربیتال  SP3                حاصل می گردد.
بنا بر این زوایای پیوند و طول پیوندهای کربن هیرروژن  در اتان بایستی بسیار  شبیه متان  یعنی به ترتیب در حدود و باشد پراش الکترونی و مطالعات طیف سنجی این ساختان  را از هر جهت تائید می کند.و این اندازه ها را  برای هر مولکول به دست می‌دهد.زاویة پیوند و و طول CH، طول C-C ، مطالعات مشابه نشان داده است که این مقادیر، با جزئی اختلاف ، تقریباً ازویژگی های پیوند کربن –هیدروژن و کربن-کربن آلکان ها است.
پروپان
پروپان یک گاز پر انرژی با فرمول شیمیایی C3H8  است و یکی از گاز های متراکم نفتی که حاوی مواد قابل اشتعال می باشد. این گاز بصورت نفت یا مواد خام دیگر برای تهیه مواد شیمیایی بکار می رودو در ترکیبات گاز طبیعی و نفت یافت می شود.
مقدار پروپانی که از گاز طبیعی و نفت تولید می شود به یک اندازه است.این گاز در فشارهای بالا ودماهای پایین مایع می شودزیرا پروپان ۲۷۰ مرتبه متراکم شده تر از مایع است.پروپان بصورت مایع ذخیره میشود و سپس حمل است.البته پس از اینکه شیر تانکر باز شود دوباره به حالت گاز بر می گردد و یا وقتی به فشار معمولی بر گردد به گاز تبدیل می شود.
 
تفاوت ایزو و نرمال:
ایزو دارای شاخه ی فرعی است در حالی که نرمال به صورت خطی رسم می شود آلکان های دارای  شاخه ی فرعی با زده   حرارتی بالاتری   و سوخت عالی تری دارند و هر چه نوع کربن افزایش پیدا کند فعالیت آن هم افزایش پیدا می کند مثلاً فعالیت کربن نوع سوم در ایزو بوتان بیشتر از فعالیت نوع دوم در نرمال بوتان است.
هگزان
                                        
این ترکیب آلی دارای فرمول شیمیایی  C6H14است و از ویژگی های آن,  این است که بشدت آتشگیر و سوزش آور بوده و برای محیط زیست بسیار خطرناک می باشد. 

آلکانی بی رنگ و مایع بوده که نقطه ذوب آن ۹۴٫۳ ودارای چگالی ۰٫۶۳ می باشد.

نیتروژن

عدد اتمی آن ۷ است. نیتروژن معمولاً به صورت یک گاز،غیر فلز، دو اتمی بی اثر، بی رنگ، بی مزه و بی بو است که ۷۸% جو زمین را در بر گرفته و عنصر اصلی در بافتهای زنده است. نیتروژن ترکیبات مهمی مانند آمونیاک اسید نیتریک و سیانیدها را شکل می‌دهد.

عتیقه زیرخاکی گنج