MODELING OF A COMBINED ITM-POROUS OXYGEN TRANSPORT REACTOR: TOWARDS A SPATIALLY UNIFORM TEMPERATURE ITM. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (M.S_THESIS_PERVEZ) Thesis_Pervez_200904590.pdf - Accepted Version Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

ينبعث غاز ثاني أكسيد الكربون من احتراق جميع أنواع الوقود الأحفوري والذي يعتبر من الغازات الدفيئة. في هذا البحث سيتم تسليط الضوء على تطوير دورات توليد الطاقة بحيث يتم امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون والحد من انبعاثه. تعتبر التقنيات الحالية لامتصاص هذا الغاز مكلفة ومستهلكة للطاقة بشكل كبير. سيكون بديلا لهذه التقنيات الممتصة لغاز ثاني أكسيد الكربون هو حرق الوقود الأحفوري في الأوكسجين النقي ، بحيث أنه في تيار غاز الاحتراق يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون عاليا وبالتالي حرق الوقود في أوكسجين نقي يقلل أو يلغي الحاجة إلى استخدام تقنيات مكلفة لالتقاط غاز ثاني أكسيد الكربون. إن تقنية احتراق الوقود في الأوكسجين تعتبر واحدة من التقنيات الناشئة والمستخدمة في امتصاص وتحجيم غاز ثاني أكسيد الكربون. في مثل هذا النوع من الاحتراق يتم احتراق الوقود الأحفوري في الأوكسجين النقي بدلا من الهواء العادي بالإضافة إلى أن غازات الاحتراق عادة مكونة من غاز ثاني أكسيد الكربون وجزيئات الماء والتي يمكن فصلها بسهولة باستخدام عمليات التبريد. تقدم أغشية نقل الأوكسجين (ITM) تقنية واعدة لإنتاج الأوكسجين بنسبة نقاء عالية تصل إلى 99% دون أن تؤثر سلبا على كفاءة محطات احتراق الأوكسجين. يمكن زيادة معدل فصل هذه التقنية (ITM) باستبدال غاز الاكتساح الخامل بخليط متفاعل ومخفف مثل (غاز ثاني أكسيد الكربون ، غاز الميثان ) وهذه تقلل الضغط الجزئي على جانب الغشاء. من أهم مشاكل هذه المفاعلات هو الاستخدام الغير منضبط للوقود والذي يؤدي إلى عدم انتظام درجة حرارة الغشاء مما قد يؤدي إلى تلف الغشاء. في هذا البحث اقترحنا أن نستخدم مفاعل أغشية الانتقال الأيونية (ITM) بقنوات متعددة لنحصل على درجة حرارة متساوية تقريبا على طول الغشاء وذلك يتحقق بتوزيع غاز الأوكسجين باستخدام (ITM) إلى قناة الاحتراق ، و بتوزيع غاز الميثان عن طريق الغشاء المسامي إلى قناة الاحتراق أيضا مما يؤدي إلى احتراق متوزع على طول القناة فتصبح درجة الحرارة على طول الغشاء ثابتة. الهدف الرئيسي من هذه الرسالة هو التمكن من التنبؤ بخصائص الاحتراق الأوكسجيني في مفاعل نقل أوكسجين بهدف جعل المفاعل ذو درجة حرارة ثابتة تقريبا وذلك من خلال فصل الأوكسجين من الهواء باستخدام أغشية الانتقال الأيونية (ITM) وباستخدام أغشية مسامية لتحقيق نسبة موحدة القياس من الغاز إلى الأوكسجين من أجل أن يكون الاحتراق متوزع بالتساوي على طول الغشاء كاملاً. تم استخدام نموذج ثنائي الأبعاد لدراسة ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) في دراسة خصائص الاحتراق. وتستند عمليات المحاكاة على الحل العددي لمعادلات حفظ الكتلة، والقوة الدافعة، والطاقة، ومعادلة الانتقال المتعدد. لأداء حسابات (CFD) تم استخدم البرنامج التجاري FLUENT. تم استخدام نموذج معرف إضافي (FUD) لحساب كتلة الأوكسجين المنتقلة من خلال غشاء (ITM) ونموذج مبني بداخل البرنامج (1D) لحساب كتلة غاز الميثان المنتقل خلال الغشاء المسامي .تم تصميم غشاء (ITM) على شكل طبقة انتقائية على أنها تسمح للأوكسجين بالانتقال من خلالها متأثرة بدرجة الحرارة وبالضغط الجزئي للأوكسجين في كلا الجانبين ( الجانب المنتقل الأوكسجين منه والجانب المنتقل إليه)، أما بالنسبة لتدفق غاز الميثان من خلال الغشاء المسامي فهو يتأثر بمسامية الغشاء وبسماكة الغشاء المسامي. تم التحقق من النموذج المستخدم في هذا البحث مع تجربة سابقة تم أدائها في نفس مجال البحث وتم الحصول على اتفاق جيد في النتائج. تمت دراسة أداء غشاء (ITM) في فصل الأوكسجين عن الهواء بواسطة تغيير ظروف التدفق في جانب الاحتراق. توضح النتائج أنه عند تثبيت مستوى تدفق غاز الميثان يزداد معدل تغلغل الأوكسجين من خلال غشاء (ITM) بازدياد نسبة غاز الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون وهذه الزيادة تصل إلى ثلاثة أضعاف عند الاحتراق مقارنة بالتغلغل دون حدوث هذا الاحتراق. باستخدام غشاء (ITM) مع الغشاء المسامي تم الحصول على توزيع منتظم للحرارة على طول مفاعل انتقال الأكسجين.

English Abstract

Almost all the fossil fuels, on combustion, emit CO2 which is considered to be a greenhouse gas. Developing new power generation cycles that enables carbon-dioxide capture and sequestration are the limelight of current research. Present absorption technologies for carbon capture are energy-intensive and expensive. An alternative to these absorption technologies would be to combust fossil fuels in pure oxygen, wherein the flue gas stream will have a much higher concentration of CO2, reducing or eliminating the need for costly CO2 capture. Oxy-fuel combustion is considered to be one of the new emerging technologies capable of capturing and sequestrating CO2. In oxy-fuel combustion, the fossil fuel is burned in an environment of pure oxygen instead of air and the flue gas mainly consists of CO2 and H2O that can be easily separated through condensation processes. Ion Transport Membranes (ITMs) offer promising oxygen production technology with high purity (up to 99%) without adversely affecting the efficiency of the oxy-fired plants. The separation rate of such ITMs can be increased by replacing the conventional inert sweep gas with a reactant/diluent mixture (e.g. CO2, CH4) as this reduces the permeate partial pressure on the permeate side of the membrane, which, along with the temperature, governs the permeation flux. The significant limitation of this approach is that an uncontrolled, exothermic consumption of the permeated specie, can lead to membrane damage, and thus limits the potential of ITMs using reactive sweep gases (i.e. ITM reactors). By using a multichannel ITM reactor, it is proposed to operate the ITM reactor at, or near to isothermal conditions (i.e. a spatially uniform temperature). This may be achieved by introducing a reactant into the permeate stream uniformly across the entire ITM reactor length from an adjacent channel with porous walls. The present work is aimed at predicting the oxy-combustion characteristics in an oxygen transport reactor with the objective of developing a nearly isothermal reactor. This is achieved by separation of oxygen from air through Ion Transport Membranes (ITM’s) and by using a porous membrane, to achieve uniform stoichiometric ratio of fuel/O2 in order to have uniform combustion all along the length of the membrane. A two-dimensional, computational fluid dynamics (CFD) model is solved to study the combustion characteristics. The simulations are based on the numerical solution of the conservation of mass, momentum, energy and species transport equations of two dimensional flows. For the CFD calculations, the commercial solver FLUENT has been used. The mass transfer of oxygen through the membrane is modeled by user defined functions (UDF’s) and the mass transfer of fuel through the porous layer is modeled using a 1D porous jump model. The membrane (ITM) is modeled as a selective layer, which allows the permeation of oxygen as a function of temperature and the difference of partial pressures of oxygen in the feed side and the permeate side. The flux through the porous layer is a function of permeability and thickness of the medium in addition to the pressure difference. The models used have been validated against the experimental results found in the literature and are found to be in good agreement. Influence on the performance of oxygen separation through the ITM has been studied by varying the flow conditions at the permeate side. Results show that for a constant mass flow rate of fuel mixture, the permeation rate of oxygen through ITM increases with increase in CH4/CO2 ratio. It was found that the oxygen permeation rate increased by approximately 3 times with reaction taking place on the permeate side compared to the separation only case. An improved uniform temperature distribution along the membrane was obtained by the combined ITM-porous oxygen transport reactor.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mohamed, Habib
Committee Members:	Ben-Mansour, Rached and Hassan, Badr
Depositing User:	Pervez Shaik (g200904590)
Date Deposited:	04 Sep 2012 08:12
Last Modified:	01 Nov 2019 15:36
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138755