Loading...
- Type of Document: M.Sc. Thesis
- Language: Farsi
- Document No: 56790 (06)
- University: Sharif University of Technology
- Department: Chemical and Petroleum Engineering
- Advisor(s): Farhadi, Fathollah; Vafa, Ehsan
- Abstract:
- CFD models are accurate but time-consuming for simulation and optimization of steam methane reformer and controlling the tube wall temperature, and syngas production rate and unsuitable for online optimization. Empirical data-driven models are less accurate when there are wide variations in operating conditions. The physics-based model presented in this thesis overcomes these limitations. In this model, the furnace side and the process side are divided into zones with uniform temperature and composition, and for each zone, mass, energy and momentum balances are derived. Radiative heat transfer modeling and calculation of exchange areas are accomplished with the zone method. The system of nonlinear algebraic equations obtained in the steady state and the system of nonlinear differential-algebraic equations in the unsteady state are solved by numerical methods. The temperature profiles of the furnace gas, the inner and outer walls of the tube and the process gas, as well as the molar composition profiles and pressure profiles of the process gas are obtained. With the help of this model, the furnace is balanced. Balancing is the proper distribution of fuel between the burners in order to make the temperature distribution uniform in the cross section of the furnace. By reducing the non-uniform distribution of the tube wall temperature in the cross-section of the furnace, the maximum operational temperature of the furnace increases by observing the admissible temperature limit of the tubes, and the efficiency of the process and the rate of hydrogen production increase. Also, the transition behavior of the reformer is predicted in vis-a-vis the disturbances. The time constants and duration required to reach steady conditions after furnace balancing are calculated and reformer optimization and control structure design are obtained. The results of the static model, are similar to those of the literature and the results of the dynamic model, are appropriate for the studied scenarios. This model can be converted into more specialized versions. In this research, a benchmark dynamic model was presented to conduct control studies. A platform for calculating exchange areas between different zones of furnaces with conventional geometries was created and successfully realized
- Keywords:
- Steam Methane Reforming ; Static Models ; Dynamic Model ; Radiative Heat Transfer ; Zone Method ; Furnace Balancing ; Computational Fluid Dynamics (CFD)
- محتواي کتاب
- view
- 1 مقدمه
- 2 پیشینه پژوهش
- 3 مبانی مدلسازی ریاضی
- 3.1 هندسه ریفرمر
- 3.2 فرضیات سادهکننده
- 3.3 ورودیهای مدل
- 3.4 پارامترهای قابل تنظیم مدل
- 3.5 پارامترهای غیرقابل تنظیم مدل
- 3.6 خروجیهای مدل
- 3.7 معادلات جانبی مدل
- 3.7.1 مدل انتقال حرارت تابشی و محاسبه سطوح تبادل
- 3.7.2 مدل مجموع وزنی گازهای خاکستری
- 3.7.3 محاسبه سطوح تبادل و سطوح شار
- 3.7.4 احتراق و الگوی آزادسازی حرارت در کوره
- 3.7.5 الگوی جریان گاز احتراق
- 3.7.6 ضریب انتقال حرارت جابجایی بین گاز احتراق و دیواره خارجی لوله
- 3.7.7 مدل راکتور بستر ثابت
- 3.7.8 مدل سینتیکی واکنشهای ریفرمینگ متان با بخار آب
- 3.7.9 افت فشار در بستر کاتالیزوری
- 3.7.10 ضریب انتقال حرارت جابجایی بین دیواره داخلی لوله و گاز فرایندی
- 3.7.11 سطح معادل مؤثر دسته لولهها
- 3.7.12 کسر تابش جذب شده توسط لولهها
- 3.8 معادلات حاکم بر ریفرمر متان با بخار آب
- 3.8.1 موازنه انرژی برای اختلاط جریانهای تشکیلدهنده خوراک کوره
- 3.8.2 موازنه انرژی برای احتراق همدما و محاسبه حرارت آزاد شده از احتراق
- 3.8.3 موازنه انرژی برای شکستن همدمای آلکانهای با مرتبه بالاتر از متان
- 3.8.4 موازنه انرژی برای دیوارههای کوره
- 3.8.5 موازنه انرژی برای گازهای احتراق
- 3.8.6 موازنه انرژی برای دیواره خارجی لولهها
- 3.8.7 موازنه انرژی برای دیواره داخلی لولهها
- 3.8.8 موازنه انرژی برای گازهای فرایندی
- 3.8.9 موازنه جرم یا مول برای گازهای فرایندی
- 3.8.10 موازنه مومنتوم یا افت فشار برای گازهای فرایندی
- 3.9 مدل استاتیکی برای ریفرمر متان با بخار آب
- 3.10 مدل دینامیکی برای ریفرمر متان با بخار آب
- 4 پیادهسازی مدل در قالب کد
- 5 نتایج مدلسازی
- منابع و مراجع
- پيوستها
- پیوست 1: توضیحات تفصیلی فصل پیشینه پژوهش
- پیوست 2: توضیحات تفصیلی فصل مبانی مدلسازی ریاضی
- الف: توضیحات تفصیلی و اثبات معادلات جانبی مدل
- مدل انتقال حرارت تابشی و محاسبه سطوح تبادل
- احتراق و الگوی آزادسازی حرارت در کوره
- الگوی جریان گاز احتراق
- ضریب انتقال حرارت جابجایی بین گاز احتراق و دیواره خارجی لوله
- مدل راکتور بستر ثابت
- مدل سینتیکی واکنشهای ریفرمینگ متان با بخار آب
- افت فشار در بستر کاتالیزوری
- ضریب انتقال حرارت جابجایی بین دیواره داخلی لوله و گاز فرایندی
- سطح معادل مؤثر دسته لولهها
- کسر تابش جذب شده توسط لولهها
- ظرفیت حرارتی فشار ثابت
- آنتالپی واکنش
- دانسیته، سرعت سطحی و عدد رینولدز جریان گاز فرایندی
- تبدیل متان و بخار آب و بازده و خلوص هیدروژن
- ویسکوزیته مخلوط گازها
- هدایت حرارتی مخلوط گازها
- ب: توضیحات تفصیلی و اثبات معادلات حاکم بر ریفرمر متان با بخار آب
- موازنه انرژی برای اختلاط جریانهای تشکیلدهنده خوراک کوره [1]
- موازنه انرژی برای احتراق همدما و محاسبه حرارت آزاد شده از احتراق [1]
- موازنه انرژی برای شکستن همدمای آلکانهای با مرتبه بالاتر از متان [1]
- موازنه انرژی برای دیوارههای کوره [1]
- موازنه انرژی برای گازهای احتراق [1]
- موازنه انرژی برای دیواره خارجی لولهها [1]
- موازنه انرژی برای دیواره داخلی لولهها [1]
- موازنه انرژی برای گازهای فرایندی [1]
- موازنه جرم یا مول برای گازهای فرایندی [1]
- موازنه مومنتوم یا افت فشار برای گازهای فرایندی [1]
- موازنههای انرژی کلی
- روش حل معادلات دیفرانسیلی-جبری
- پیوست 3: توضیحات تفصیلی فصل پیادهسازی مدل در قالب کد
- تابع Inputs: ورودیها و پارامترهای قابل تنظیم و غیرقابل تنظیم مدل
- تابع Disturbances: ورودیها و پارامترهای مدل و اغتشاشات وارد شده بر سیستم
- تابع Enthalpy_Change: محاسبه تغییرات آنتالپی اجزای شیمیایی با تغییر دما
- تابع Heat_Capacity: محاسبه ظرفیت حرارتی اجزای شیمیایی بر حسب دما
- تابع Heat_Release_Profile: محاسبه پروفایل آزادسازی حرارت حاصل از احتراق
- تابع Radiant_Zone_Enthalpy_Fraction: محاسبه کسر تابش جذب شده توسط لولهها
- تابع Reaction: محاسبه سرعت واکنشهای ریفرمینگ
- تابع Total_Exchange_Area: محاسبه سطوح تبادل کل
- تابع Static_Modelling: تشکیل دستگاه معادلات جبری غیرخطی برای مدل استاتیکی شامل پدیدههای انتقال در حالت پایا
- تابع Static_Result: حل دستگاه معادلات جبری غیرخطی برای مدل استاتیکی و گزارش نتایج حالت پایا
- کد Static_Run: گزارش نتایج حالت پایای حاصل از حل مدل استاتیکی
- تابع Dynamic_Modelling: تشکیل دستگاه معادلات دیفرانسیلی-جبری غیرخطی برای مدل دینامیکی شامل پدیدههای انتقال در حالت پویا
- تابع Dynamic_Result: حل دستگاه معادلات دیفرانسیلی-جبری غیرخطی برای مدل دینامیکی و گزارش نتایج حالت پویا
- کد Dynamic_Run: گزارش نتایج حالت پویای حاصل از حل مدل دینامیکی
- پیوست 4: ورودیها، خروجیها و پارامترهای قابل تنظیم و غیرقابل تنظیم مدل