Modeling of ammonia synthesis reaction in membraneintegrated microreactors for small-scale applications
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Boğaziçi Üniversitesi, FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ, FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2024
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: DAMLA SIVACI
Danışman: AHMET KERİM AVCI
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
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