دانلود تحقیق رآکتور غشایی

چکیده امروزه برای تولید انرژی الکتریکی که در خانه ها و وسایل نقلیه استفاده می شود ناگزیر به استفاده از تکنولوژی های جدید برای صرفه جویی بیشتر در انرژی هستیم.یکی از روشهای تولید انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell یا پیل سوختی است که از جهات بازده بیشتر برای تولید انرژی:آلودگی کمتر محیط زیست وعمر طولانی که دارند:بسیار مطلوبتر ازسایروسایل تبدیل انرژی مثل توربین گازی:موتور بنزینی وباتری هستند.

پیل سوختی را میتوان وسیله ای دوستدار محیط زیست نامید :چرا که باتوجه به واکنشی که در آن روی میدهد: تنها چیزی که از خود به جای می گذارد آب است( وقتی که سوخت آن هیدروژن باشد).اگر چه هیدروژن خالص یک سوخت عالی برای پیل سوختی است : اما تهیه :ذخیره سازی وتوزیع چنین سوختی به عنوان یک مسئله مطرح می شود.

به عنوان یک راه حل عملی : پیشنهادمیشود:هیدروژنی که در پیل سوختی به کار می رود از واکنش رفرمینگ سوختهای در دسترس مثل متانول :گاز طبیعی :بنزین وگازوئیل تهیه شود.رفرمینگ بخار (SR) : اکسیداسیون جزئی (POX) ورفرمینگ Auto thermal (ATR) سه فرایند اصلی رفرمینگ برای تولید هیدروژن هستند.

یکی از مسایل مهمی که در پیل سوختی وجود دارد :خلوص هیدروژن است .

حتی مقدارکمیCO در داخل هیدروژن (مثلا"بیشتر از 10ppm ) شدیدا" باعث تخریب کاتالیست موجود در پیل سوختی می شود.

یکی از روشهایی که می توان به وسیلهء آن COای که در گاز سنتزی ریفرمر تولید می شود را از بین برد :واکنش WGS است که با تبدیل CO به CO2 و H2 به خلوص بیشتر هیدروژن کمک می کند .

واکنش WGS به صورت زیر انجام می شود: CO2 + H2O CO + H2 از طرفی vWGS بازگشت پذیر و گرماده است که هر دوی این موارد نامطلوب است .

چون در دمای بالا واکنش به سمت تولید CO بر می گردد.به همین دلیل راکتورهای پر شدهء قدیمی که برای این واکنش در نظر گرفته می شوند: بسیار بزرگ وسنگین بودند.

گونهء جدیدی از راکتورها که برای این منظور به کار می روند : راکتورهای با غشای سرامیکی هستند که می توانند میزان انجام واکنش را تا حد زیادی افزایش دهند ومحصول CO2 و H2 را به صورت جداگانه تحویل می دهند.

با توجه به واکنش WGS: برای پیشرفت واکنش به سمت تولید CO2 و H2می توان COرا به صورتی پیوسته از محیط واکنش خارج کرد:به عبارت دیگر می توان CO2 را بوسیلهء نوعی جاذب که در محیط واکنش قرار می گیرد: جذب کرد ودر نتیجه واکنش به سمت تولید بیشتر CO2وH2 پیش می رود و در واقع درجه ء تبدیل CO بهCO2 افزایش می یابد.بدین منظور طرحهایی بررسی شده است که در زیر به آنها اشاره می کنیم :طرح 1 جذب افزایشی WGS در راکتور پر شده وطرح 2 : شامل جذب افزایشیWGS در راکتور غشایی.در طرح 1جاذب CO2( hydrotalcite)را با کاتالیست واکنش WGS( Cu/Zno ) در یک بستر پرشده مخلوط کرده و اجازه داده ایم تا عملیات انجام شود.در طرح 2 راکتور غشایی که غشا آن از نوع سل ژل است و نسبت به CO2و H2 انتخابگری دارد استفاده شد.جاذبی که برای جداسازی CO2 به کار میرود :در قسمت تراوای غشا قرار می گیرد.بنابراین هر دو محصول واکنش می توانند به وسیلهء غشا جدا شوند .در ضمن جذب CO2در قسمت تراوا می تواند درصد خلوص H2 را نیزافزایش دهد Hydrotalcite یک ماده جاذب خوب با بازگشت پذیری زیاد CO2 است که طبق آزمایشات انجام شده حتی بخار آب روی بازگشت پذیری آن تاثیری ندارد.فرمول شیمیایی آن به وسیلهء XRDکه روی آن انجام شد.

Mg0.645Al0.355(OH)2(CO3)0.178 0.105 (H2O) بدست آمد.

بنابراین وجود غشا در راکتور غشائی از مخلوط شدن واکنشگرها با محصولات واکنش جلوگیری می‌کند و همچنین وجود جاذب Hydrotalcite باعث افزایش جذب دی اکسید کربن و در نتیجه افزایش درصد خلوص هیدروژن می‌شود.

مقدمه امروزه برای تولید انرژی الکتریکی که در خانه‌ها و وسایل نقلیه استفاده می‌شود، ناگزیر به استفاده از تکنولوژیهای جدید برای صرفه‌جویی بیشتر در انرژی هستیم.

یکی از روشهای تولید انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell یا پیل سوختی است.

پیل سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است.

یک پیل سوختی هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در طی این پروسه الکتریسیته تولید می‌کند.

یکی از وسیله‌هایی که تا حد زیادی شبیه به پیل سوختی عمل می‌کند، باتری است.

اما یک باتری با مصرف مواد شیمیایی ذخیره شده درونی‌اش و تبدیل آنها به انرژی الکتریکی سرانجام از بین رفته و تمام می‌شود و باید دور انداخته شود و یا دوباره شارژ شود.در یک پیل سوختی مواد شیمیایی دائماً درون سل‌های آن جریان دارد, بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی درون سلها ادامه دارد , Fuel cell از کار نمی‌افتد و جریان الکتریسته ایجاد می‌کند.

پیلهای سوختی از جهات بازده بیشتر برای تولید انرژی ، آلودگی کمتر محیط زیست و عمر طولانی‌ای که دارند بسیار مطلوب‌تر از سایر وسایل تبدیل انرژی مثل توربین گازی، موتور‌بنزینی و باتری هستند.

پیل سوختی را می‌توان وسیله‌ای دوست‌دار محیط زیست نامید چرا که با توجه به واکنشی که در آن روی می‌دهد تنها چیزی که از خود به جای می‌گذارد آّب است (وقتی که سوخت آن هیدروژن است).

فرآیند شیمیایی که در پیل سوختی روی می‌دهد به صورت زیر است: آند کاتد واکنش کلی این واکنش‌ روی کاتالیست انجام می‌شود تا واکنش هیدروژن و اکسیژن تسهیل گردد.

این کاتالیست معمولا از پودر پلاتین که به صورت خیلی نازک روی ورقه‌ای از کربن پوشیده شده ساخته می‌شود سطح کاتالیست باید زبر و متخلخل باشد تا حداکثر سطح تماس را برای ما ایجاد کند.

اکسیژنی که در یک پیل سوختی بکار می‌رود به راحتی از هوا تأمین می‌شود اما اگر چه هیدروژن خالص یک سوخت عالی برای پیل سوختی است اما تهیه ذخیره سازی و توزیع چنین سوختی به عنوان یک مسئله مطرح می‌شود .

امروزه برای تولید انرژی الکتریکی که در خانه ها و وسایل نقلیه استفاده می شود ناگزیر به استفاده از تکنولوژی های جدید برای صرفه جویی بیشتر در انرژی هستیم.یکی از روشهای تولید انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell یا پیل سوختی است که از جهات بازده بیشتر برای تولید انرژی:آلودگی کمتر محیط زیست وعمر طولانی که دارند:بسیار مطلوبتر ازسایروسایل تبدیل انرژی مثل توربین گازی:موتور بنزینی وباتری هستند.

واکنش WGS به صورت زیر انجام می شود: CO2 + H2O CO + H2 از طرفی واکنش WGS بازگشت پذیر و گرماده است که هر دوی این موارد نامطلوب است .

با توجه به واکنش WGS: برای پیشرفت واکنش به سمت تولید CO2 و H2می توان COرا به صورتی پیوسته از محیط واکنش خارج کرد:به عبارت دیگر می توان CO2 را بوسیلهء نوعی جاذب که در محیط واکنش قرار می گیرد: جذب کرد ودر نتیجه واکنش به سمت تولید بیشتر CO2وH2 پیش می رود و در واقع درجه ء تبدیل CO بهCO2 افزایش می یابد.بدین منظور طرحهایی بررسی شده است که در زیر به آنها اشاره می کنیم :طرح 1 جذب افزایشی WGS در راکتور پر شده وطرح 2 : شامل جذب افزایشیWGS در راکتور غشایی.در طرح 1جاذب CO2( hydrotalcite)را با کاتالیست واکنش WGS( Cu/Zno ) در یک بستر پرشده مخلوط کرده و اجازه داده ایم تا عملیات انجام شود.در طرح 2 راکتور غشایی که غشا آن از نوع سل ژل است و نسبت به CO2و H2 انتخابگری دارد استفاده شد.جاذبی که برای جداسازی CO2 به کار میرود :در قسمت تراوای غشا قرار می گیرد.بنابراین هر دو محصول واکنش می توانند به وسیلهء غشا جدا شوند .در ضمن جذب CO2در قسمت تراوا می تواند درصد خلوص H2 را نیزافزایش دهد.

Hydrotalcite یک ماده جاذب خوب با بازگشت پذیری زیاد CO2 است که طبق آزمایشات انجام شده حتی بخار آب روی بازگشت پذیری آن تاثیری ندارد.فرمول شیمیایی آن به وسیلهء XRDکه روی آن انجام شد.

فرآیند شیمیایی که در پیل سوختی روی می‌دهد به صورت زیر است: : آند : کاتد : واکنش کلی این واکنش‌ روی کاتالیست انجام می‌شود تا واکنش هیدروژن و اکسیژن تسهیل گردد.

به عنوان یک راه‌ حل عملی، پیشنهاد می‌شود ، هیدروژنی که در پیل سوختی به کار می‌رود از واکنش رفرمینگ سوختهای در دسترس مثل متانول، گاز طبیعی، بنزین و گازوئیل تهیه شود.

رفرمنیگ بخار (SR) ، اکسیداسیون جزئی (POX) و رفرمینگAuto Thermal(ATR) به فرایند اصلی رفرمینگ برای تولید هیدروژن هستند.

در SR بخار با هیدروکربن روی کاتالیست واکنش داده و را تولید می‌کند.

این واکنش بسیار گرماگیر است و در دمای همراه با تولید مقدار زیادی گرما انجام می شود.

رفرمینگ ATR هر دو واکنش بالا را با هم انجام می‌دهد و خوراک آن مخلوطی از هیدروکربن، آب و هواست که همزمان با هم وارد راکتور می‌شوند.

واکنش SR گرمایی که در واکنش POX تولید می‌شود را مصرف می‌کند به طوریکه واکنش کلی کمی گرما زا است.

جدول 1- ترکیب درصد syn gas مربوط به SR , ATR یکی دیگر از مسائلی که در پیل سوختی وجود دارد، خلوص هیدروژن است.

حتی مقدار کمی از CO در داخل هیدروژن مثلا بیشتر از ppm 10 شدیداً باعث تخریب کاتالیست موجود در پیل سوختی می‌شود و این خود باعث پایین آمدن بازده پیل سوختی می‌شود.

یکی از روشهایی که می‌توان به وسیله آن CO ای که در گاز سنتزی ریفرمر تولید می‌شود را از بین برد، واکنش WGS است که با تبدیل CO به به خلوص بیشتر هیدروژن کمک می‌کند.

واکنش WGS به صورت زیر انجام می‌شود.

از طرفی واکنش WGS بازگشت پذیر و گرماده است که هر دوی این موارد برای ما نامطلوب است , چون در دمای بالا واکنش به سمت تولید CO بر می‌گردد.

راکتورهای پرشده قدیمی که برای این واکنش در نظر گرفته می‌شدند, بسیار بزرگ و سنگین بودند و همچنین بازده مطلوبی نداشتند.

گونه جدیدی از راکتورها که برای این منظور به کار می‌روند، راکتورهای با غشای سرامیکی هستند که می‌توانند میزان انجام واکنش را تاحد زیادی افزایش دهند و محصول را به صورت جداگانه به ما تحویل دهند.

تحقیقات نشان داده شده است که با استفاده از این نوع راکتورها تبدیل CO تا % 100 افزایش می‌یابد.

فصل اول غشاء کاربردهای بسیار زیاد غشاء، جایگاه مهمی در تکنولوژی شیمیایی پیدا کرده است، قدرت غشاء درکنترل میزان نفوذ گونه‌های شیمیایی از بین غشاء، خاصیت کلیدی آن به شمار می‌رود.

در فرآیند‌های جداسازی، هدف، اجازه دادن به جزئی از یک مخلوط برای نفوذ آزادانه داخل غشاء است واین در حالی است که غشاء از عبور اجزاء دیگر جلوگیری می‌کند.

تاریخچه غشاء تحقیقاتی که به صورت جدی روی غشاء انجام شد، توسط دانشمندان قرن 18 صورت گرفت به عنوان مثال Abbe Nolet در سال 1748 واژه اسمز را برای نفوذ آب از بین یک دیافراگم به کاربرد.

غشاها در بین قرنهای نوزدهم و بیستم کاربرد صنعتی یا تجاری نداشتند و تنها به عنوان تجهیزات آزمایشگاهی و برای انجام تئوری‌های فیزیکی/ شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

به عنوان مثال برای اندازه‌گیری فشار اسمزی محلول، در سال 1887 غشایی توسط Trauble & Pfeffer ساختند که با قانون وانت‌هوف (van’t Hoff ) کار می‌کرد و رفتار محلولهای خالص ایده‌آل را توضیح می‌داد.

به عبارت دیگر این عملیات مستقیما به قانون وانت‌هوف منجر شد.

در همان زمان، نظریه غشای نیمه تراوای انتخابگر به وسیله ماکسول و دیگران (Maxwell & others) به منظور توسعه تئوری جنبشی گازها ارائه شد.

محققین غشاهای نخستین، انواع دیافراگمهایی که در اختیار داشتند مثل مثانه خوک، گاو یا ماهی، و روکش سوسیهایی که از دل و روده حیوانات ساخته می‌شد را مورد آزمایش قرار دادند.

بعدها غشاهای ساخته شده از کلودین (نیتروسلولز) (collodion) به دلیل اینکه به صورت تکثیری ساخته می‌شدند مورد توجه قرار گرفتند.

بچهولد (Bechhold) در سال 1907 شیوه‌ای برای تهیه غشاهای نیتروسلولزی با اندازه‌های درجه بندی شده‌ای برای منافذ ابداع کرد که باتست حباب انجام می‌شد .

و دیگران به خصوص الفورد (Elford) ، بچمن و زیگموندی (Bachmann & zsigmondy) و فری (Ferry) روش بچهولد را ادامه دادند.

در طی 20 سال اخیر تکنولوژی تولید غشاهای micro filtration توسط پلیمرها مخصوصا استات سلولز گسترش پیدا کرده است.

اولین کاربرد ویژه غشاها در آزمایش آب شرب در انتهای جنگ جهانی دوم بود.

آب شرب برای استفاده در آلمان و قسمتهایی از اروپا که شکست خورده بودند تأمین می‌شد.

و در آن زمان شدیدا به فیلترهایی برای آزمایش روی آب شرب نیاز بود.

محققین برای توسعه این فیلترها که به وسیله ارتش ایالات متحده مورد حمایت قرار می‌گرفت، تلاشهای زیادی را انجام دادند.

ایالات متحده به اولین وبزرگترین تولید کننده غشاهای micro filtration در جهان فعالیت می‌کند.

در 1960 اصول علم غشا توسعه پیدا کرده بود.

اما غشاها تنها برای تعداد کمی از آزمایشگاهها و کاربردهای ویژه صنعتی کوچک مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

در آن زمان صنعت غشاهای ویژه وجود نداشت و فروش خالص‌نهایی غشاها برای همه کاربردهای صنعتی بیشتر از 20 میلیون دلار امریکا در سال 2003