بهينه سازي پارامترهاي طراحي ريفورمرهاي پيل هاي سوختي با استفاده از روش هاي شبيه سازي در ابعاد ميكروسكوپي و ماكروسكوپي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

افزايش تقاضاي جهاني براي توليد هيدروژن و گسترش كاربرد آن در پيل‌سوختي، توسعه فرايندهاي كارآمد براي توليد هيدروژن را ضروري ساخته است. هدف از اين پژوهش طراحي و بهينه‌سازي چند منظوره راكتور ريفورمينگ متان با بخار آب در يك چارچوب چندمقياسي و چندابزاره است. روش انجام اين پژوهش شامل محاسبات ابتدا به ساكن (DFT)، شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي(CFD) و بهره‌گيري از مدل‌هاي يادگيري ماشين است. در بخش ميكروسكوپي، محاسبات DFT براي شش سطح كاتاليزوري پايه نيكلي شامل نيكل خالص (با و بدون نقص جاي خالي)، نيكل دوپ شده با روديوم (با و بدون نقص جاي‌خالي)، نيكل دوپ شده با پلاتين و نيكل دوپ شده با پلاتين–روديوم انجام شد. نتايج اين بررسي ها نشان داد كه وجود نقص‌هاي جاي خالي موجب تثبيت گونه كربن آمورف شده وبا كاهش سد انرژي رسوب كربن به ميزان 26/0 الكترون ولت نسبت به نيكل خالص و بدون عيب، عامل افزايش احتمال رسوب كربن بر روي كاتاليزور مي‌شود. در مقابل، سطوح نيكلي دوپ شده با فلزات نجيب، به‌ويژه پلاتين، موجب افزايش سد انرژي فعالسازي رسوب كربن به ميزان 35/0 الكترون ولت شده و باعث تسهيل تشكيل گونه‌هاي اكسيژن دار و كاهش رسوب كربن مي‌شود. از اينرو كاتاليزور نيكل دوپ شده با پلاتين به‌عنوان گزينه منتخب براي مراحل بعدي انتخاب شد. سپس به‌منظور انجام شبيه‌سازي‌هاي ماكروسكوپي با استفاده از روش شبيه¬¬سازي CFD، يك مدل ميكروسينتيكي استخراج‌شده از نتايج DFT به‌عنوان مكانيزم واكنش ريفورمينگ متان با بخار آب بر سطح كاتاليزور منتخب به كار گرفته شد. شبيه‌سازي‌هاي فرايند ريفورمينگ متان در مقياس ماكروسكوپي با CFD براي دو پيكربندي راكتوري شامل بستر ثابت و فوم‌هاي متخلخل انجام شد. ابتدا 800 شبيه‌سازي‌ عددي در راكتور بستر ثابت پياده¬سازي شد و اثر پارامترهايي شامل دماي ديواره، طول راكتور، نسبت بخار به كربن و سرعت ورودي گاز تحليل گرديد. همچنين به‌منظور كاهش هزينه محاسباتي از شبكه عصبي عميق (با دقت97 درصد) استفاده شد و بر اين مبنا يك الگوريتم بهينه‌سازي طراحي و اجرا گرديد. در فوم‌هاي متخلخل 350 شبيه‌سازي به منظور بررسي تاثير پارامترهاي ساختاري و عملياتي شامل نسبت بخار به متان، سرعت ورودي، قطر تخلخل و درصد تخلخل انجام شد. براي پيوسته كردن دامنه پارامترهاي هندسي، شرايط عملياتي و كاهش حجم محاسبات، مجموعه‌اي از مدل‌هاي يادگيري ماشين شامل OLS (با دقت 69/99 درصد) DNN (با دقت 38/99)، XGBoost (با دقت 86/98 درصد) و Ridge(با دقت 18/97 درصد) استفاده شدند. همچنين جهت تحليل دقيق‌تر 300 شبيه‌سازي با در نظر گرفتن 42 بنيادي انجام گرديد. براي كاهش حجم محاسبات از مدل DNN با مفسر SHAP استفاده شد. نتايج تحليل SHAP نشان داد كه دماي ديواره بيشترين اثر مثبت (با ضريب SHAP 1/0) و سرعت گاز (با ضريب SHAP 08/0) و درصد تخلخل (با ضريب SHAP 05/0) بيشترين اثر منفي را بر توليد هيدروژن دارند. با بهره‌گيري از الگوريتم‌هاي گرگ خاكستري و ژنتيك، ساختار بهينه با توليد 2/1 مول بر متر مكعب با افت فشار 89/1159 پاسكال بر متر در شرايطي با سرعت 4/0 متر برثانيه، نسبت بخار به متان 5/2، دماي 1200 كلوين، درصد تخلخل 70 و قطر 2 ميلي متر بدست آمد. پس از تعيين شرايط بهينه اثر طول راكتور و نسبت توان جذب‌شده توسط جامد (β) مورد بررسي قرار گرفت. بهينه‌سازي چندهدفه با الگوريتم ژنتيك ، جبهه پارتويي با شرايط بهينه طول 56/6 سانتي متر و β برابر 39/0پيشنهاد داد. در انتها با ادغام نتايج DFT (ميكروسينتيك كاتاليزور بهينه نيكل دوپ شده با پلاتين) و CFD، مشخص شد كه دوپ پلاتين به‌طور چشمگيري نرخ واكنش‌هاي كليدي تشكيل كربن را كاهش و مسيرهاي واكنشي را به سوي اكسيداسيون و حذف كربن سوق مي‌دهد. نتايج اين پژوهش حاكي از آن است كه در طراحي ريفورمرهاي متان، بهره‌گيري از ساختارهاي فوميِ حاوي كاتاليزورهاي نيكل آلاييده با پلاتين، نه تنها جايگزين كارآمدي براي بسترهاي ثابت به شمار مي‌رود، بلكه با مهار مؤثرِ تشكيل كربن، از رسوب و تجمع آن بر سطوح كاتاليزور و ديواره‌هاي ريفورمر به خوبي جلوگيري مي‌كند.

237713

خواص فيزيكي و مكانيك مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان