بررسي عملكرد نانوكاتاليست آهن در توليد سوخت هاي مايع از گازهاي سنتزي: مطالعات تجربي و مدل سازي CFD

Investigation of the Performance of Iron Nanocatalysts in Liquid Fuel Production from Synthetic Gases: Empirical Studies and CFD Modeling

در اين تحقيق براي بررسي توليد سوخت مايع از طريق فرآيند سنتز FTS از ديناميك سيالات محاسباتي و مطالعات تجربي استفاده شده است. براي مطالعات تجربي از راكتورلوله اي از جنس استيل با قطرcm 1.2 و طول 80 cm استفاده گرديد كه در آن از ذرات سراميكي به منظور رقيق كردن ابتداي بستر كاتاليست جهت جلوگيريي از فرار دما و ايجاد نقاط داغ استفاده شد. هيدروديناميك، واكنش هاي شيميايي ، انتقال حرارت و جرم در داخل راكتور به كمك CFD شبيه سازي گرديد. يك هندسه با تقارن محوري با تعداد شبكه (22016 از سلول هاي مربعي) ايجاد شد. رفتار غير ايده آل ترمو ديناميكي مخلوط گازها بوسيله ي معادله حالت Peng- Rabinson مدل سازي شد.مدل هاي سينتيكي براي سرعت واكنش هاي FTS و واكنش هاي جابجايي آب گاز بر اساس مدل Langmuir-Hinshelwood براي هر كدام از اجزا انتخاب گرديد.تطابق خوبي بين داده هاي تجربي و مدل بدست آمد.به دليل هزينه ي بالا ي آزمايشات از مدل معتبر CFD به عنوان آزمايش مجازي استفاده شد و جهت بررسي تاثير دما، فشار ، GHSV و نسبت H2/CO بر روي عملكرد راكتور مورد بررسي قرار گرفت.

In this work a computational fluid dynamic (CFD) and experimental study of Fischer–Tropsch Synthesis (FTS) process in a fixed-bed reactor is presented. The reactor was a 1.2 cm diameter and 80 cm length steel tube in which ceramic particles were employed to dilute the catalyst bed and thus prevent the emergence of hot spots in it. An axi-symmetric CFD model with an optimized mesh of 22016 square cells was developed to model hydrodynamics, chemical reaction and heat and mass transfer in the reactor. Non-ideal thermodynamic behavior of gas mixture was modeled using Peng-Rabinson equation of state. Kinetic models for FTS and Water–Gas-Shift (WGS) reaction rates based on Langmuir–Hinshelwood type for each of species were employed. Good agreement was achieved between bench experimental data and the model. Because of the high price of reaction experiments and also safety the validated model used as numerical setup and the CFD simulations considered as numerical experiments. A sensitivity analysis was carried out in order to find the effect of temperature, pressure, and GHSV and H2/CO ratio on the reactor performance.