INVESTIGATION OF CHEMICAL KINETIC MECHANISM OF HYDROGEN SULFIDE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final Thesis Book_Md Habibur Rahman Sakib.pdf Restricted to Repository staff only until 30 December 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

يتزايد الطلب العالمي على الطاقة، ولا يزال الغاز الطبيعي يُلبي جزءًا كبيرًا منه. مع ذلك، تحتوي العديد من مصادر الغاز الطبيعي والغاز الحيوي على كبريتيد الهيدروجين. حتى الكميات الضئيلة من كبريتيد الهيدروجين قادرة على تغيير خصائص احتراق الغاز الطبيعي. لذا، يتطلب الاستخدام الآمن والفعال لهذا الغاز الطبيعي الملوث معرفة دقيقة بكيمياء احتراق كبريتيد الهيدروجين. على الرغم من العديد من الدراسات التجريبية والحركية، لا تزال كيمياء احتراق كبريتيد الهيدروجين غير مفهومة تمامًا، وتحتاج إلى مزيد من البحث لتحسين فهمنا لها. في هذه الدراسة، تم تطوير آلية حركية مفصلة لاحتراق كبريتيد الهيدروجين لسد الثغرات المعرفية الحالية. وقد تم ذلك على أربع مراحل رئيسية. تبدأ الدراسة بمراجعة التجارب الحديثة وآليات الكيمياء الحركية الموجودة. ثم تم اختبار العديد من الآليات الكيمياء الحركية المنشورة حديثًا مقابل بيانات تجريبية من الأدبيات العلمية حول تأخير الاشتعال وسرعة اللهب وتوزيع الأنواع الكيميائية. ساعدت هذه المقارنات في تحديد آلية أساسية مناسبة، وكشفت عن اختلافات تتطلب تحسينًا. ثانيًا، تم تطوير آلية كيميائية حركية مفصلة من خلال دمج كيمياء كبريتيد الهيدروجين من دراسة حديثة مع آلية فرعية جديدة لكبريتيد الهيدروجين وتحول الكربون واحد (C1) إلى الكربون اثنين (C2). أُضيفت تفاعلات إضافية للهيدروجين والكبريت والأكسجين، كما أُدخلت تفاعلات رئيسية للكربون والهيدروجين والأكسجين لتحسين القدرة التنبؤية لأكسدة الميثان وكبريتيد الهيدروجين. إجمالًا، تم تحديث ١٠ ثوابت معدل، وأُضيف ٤٢ تفاعلًا بناءً على دراسات حركية منشورة. في المرحلة الثالثة، تم التحقق من صحة الآلية الكيميائية الحركية المطورة باستخدام ٤٠ مجموعة بيانات من أنبوب الصدمة، و١١ مجموعة بيانات من مفاعل التدفق الأنبوبي، وقياسات حديثة لسرعة اللهب عبر نطاقات واسعة من درجات الحرارة (٦٠٠-٢٢٠٠ كلفن)، والضغط (١-٥٠ ضغط جوي)، ونسبة تكافؤ (φ = ٠٫٥–٢). أظهرت الآلية النهائية تنبؤات محسّنة لتأخير الاشتعال، والتغيرات الزمنية للأنواع الكيميائية، وملامح المفاعل مقارنةً بالآليات الموجودة. وأخيرًا، تم تحديد التفاعلات المهمة ومسارات التفاعل الرئيسية التي تتحكم في استهلاك كبريتيد الهيدروجين، وتكوين أكاسيد الكبريت، وأكسدة الميثان/كبريتيد الهيدروجين، من خلال تحليل الحساسية وتدفق التفاعل. وبذلك، توفر هذه الآلية نقطة انطلاق متسقة وموثوقة لإجراء تحسينات مستقبلية على حركية احتراق كبريتيد الهيدروجين.

English Abstract

Global energy demand is rising, and natural gas continues to supply a major share of this demand. Many natural gas and biogas sources, however, contain hydrogen sulfide (H2S). Even small amounts of H2S can change the combustion properties of natural gas. Therefore, safe and efficient use of this contaminated natural gas requires accurate knowledge of H2S combustion chemistry. Despite several experimental and kinetic studies, the overall combustion chemistry of H2S remains less understood and requires further investigation to improve our understanding. In this study, a detailed kinetic mechanism for H2S combustion has been developed to bridge the existing knowledge gaps. This has been conducted in four main stages of work. The work begins with a review of recent experiments and existing chemical kinetic mechanisms. Several recently published chemical kinetic mechanisms were then tested against experimental ignition delay, flame speed and speciation data from the literature. These comparisons helped identify a suitable base mechanism and reveal discrepancies that require refinement. Subsequently, a detailed chemical kinetic mechanism was developed by combining hydrogen sulfide chemistry from a recent study with a new hydrogen sulfide and C1 to C2 sub-mechanism. Additional hydrogen, sulfur, and oxygen reactions were added, and key carbon, hydrogen, and oxygen reactions were introduced to improve the predictive capability of methane and hydrogen sulfide oxidation. Overall, 10 rate constants were updated, and 42 reactions were added based on published kinetic studies. Furthermore, the developed chemical kinetic mechanism was validated with 40 shock tube datasets, 11 plug-flow reactor datasets, and recent flame speed measurements across broad ranges of temperature (600–2200 K), pressure (1–50 atm), and equivalence ratio (φ = 0.5–2). The final mechanism showed improved predictions of ignition delay, species time histories, and reactor profiles compared to existing mechanisms. Finally, important reactions and the main reaction pathways that control H2S consumption, SOx formation, and CH4/H2S oxidation, were identified through sensitivity and reaction flux analysis. The new mechanism therefore provides a consistent and well-validated starting point for future improvements in H2S combustion kinetics.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Alturaifi, Sulaiman Abdulaziz
Committee Members:	Habib, Mohammed Abdulaziz and Alquaity, Awad Bin Saud
Depositing User:	MD. HABIBU SAKIB (g202315830)
Date Deposited:	31 Dec 2025 05:22
Last Modified:	31 Dec 2025 05:22
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143956