Performance Analysis of Oxygen Transport Reactors Utilizing Ion Transport Membranes. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (M S Thesis) AZHARUDDIN_THESIS_Final.pdf - Submitted Version Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في أداء مفاعل نقل ايوني أسطواني مصمم لاحتراق الوقود مع الأكسجين. تم اعتبار جدران المفاعل الاسطواني المصنوع من ماده غير مسامية من السيراميك ناقلة للأيونات والإلكترونات وتسمح فقط للأكسجين للتغلغل من الهواء الخارجي لغرفة الاحتراق . يدخل غاز الاكتساح (خليط من ثاني أكسيد الكربون وغاز الميثان) إلى المفاعل من جانب واحد، يختلط مع الأوكسجين ويتم تفريغه من نواتج الاحتراق من الجانب الآخر. تتأثر عملية تغلغل الأكسجين من خلال جدران المفاعل بحالة تدفق وتكوين الهواء في جانب التغذية. (مدخل الهواء الجانبي )، وخليط الغاز في الجانب الآخر من الغشاء (جانب غاز الاكتساح). ويستند وضع نماذج عملية التدفق على الحل العددي لمعادلات حفظ الكتلة والطاقة والحركة ومكونات الغاز. وتم تصميم ونمذجة الغشاء كطبقة انتقائية يعتمد فيها تغلغل الأكسجين على درجات حرارة الغشاء بالإضافة إلى الضغط الجزئي للأكسجين في جانبي الغشاء. وأجريت عمليات توازن الموائع الحسابية CFD باستخدام برنامج FLUENT 12.1في حين يتّبع انتقال كتلة الأكسجين من خلال الغشاء نموذجا خاصا تم تطويره في هذا البحث. تم التحقق من صحة نتائج النموذج بالمقارن مع بيانات تجريبية سابقة وأظهرت المقارنة اتفاقا جيدا مع النتائج. علاوة على ذلك، أجريت الدراسة لتكوين الخليط الأمثل لغاز الاكتساح من أجل الاحتراق البارد (الخلط) داخل المفاعل. وأخيرا تم دمج نموذج الغشاء مع مفاعل غشاء النقل الأيوني ( ITM ) كغرفة احتراق عن طريق استخدام احتراق غاز الميثان كيميائيا مباشرة إلى نواتج الحريق بخطوه واحده. واظهرت النتائج ان هناك زيادة كبيرة في تغلغل الأكسجين في حالة الاحتراق مقارنة مع الاحتراق البارد (الخلط).

English Abstract

This study aims at investigating the performance of a cylindrical ion transport reactor designed for oxy-fuel combustion. The cylindrical reactor walls are made of dense, nonporous, mixed-conducting ceramic membranes that only allow oxygen permeation from the outside air into the combustion chamber. The sweep gas (CO2 and CH4) enters the reactor from one side, mixes with the oxygen permeate and the combustion products are discharged from the other side. The process of oxygen permeation through the reactor walls is influenced by the flow condition and composition of air at the feed side (inlet air side) and the gas mixture at the permeate side (sweep gas side). The modeling of the flow process is based on the numerical solution of the conservation equations of mass, momentum, energy and species in the axi-symmetric flow domain. The membrane is modeled as a selective layer in which the oxygen permeation depends on the prevailing temperatures as well as the oxygen partial pressure at both sides of the membrane. The CFD calculations were carried out using FLUENT 12.1 while the mass transfer of oxygen through the membrane is modeled by a set of user defined functions. The model results were validated against previous experimental data and the comparison showed a good agreement. Further, the study is carried out for the optimal composition mixture of sweep gas for cold-combustion (mixing) within the reactor. Lastly the integration of membrane model with ITM reactor as combustion chamber is done by using single step methane combustion chemistry. The results showed the significant increase of O2 permeation in case of combustion in comparison with cold combustion.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Badr, Hassan M
Committee Members:	Habib, M A and Mansour, Rached Ben
Depositing User:	Azharuddin Najeeb (g200902170)
Date Deposited:	13 Mar 2012 08:42
Last Modified:	01 Nov 2019 15:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138600