مدل‌‌سازی ترمودینامیکی و ارزیابی عملکرد یک سیستم انرژی تولید هیدروژن پاک با استفاده از غشای جداساز پالادیومی با روش کمینه‌سازی انرژی آزاد گیبس و ضرایب نامعین لاگرانژ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

10.24200/j40.2026.67527.1747

چکیده

در این پژوهش یک سیستم یکپارچه برای تولید هیدروژن پاک از زیست‌توده اکالیپتوس طراحی و بررسی شده است. این سیستم راکتور گازی‌سازی، راکتور اصلاح بخار-متان، راکتور جابجایی آب-گاز و غشای پالادیومی برای جداسازی هیدروژن است. ترکیب این فرآیندها امکان افزایش سهم هیدروژن در گاز سنتز و کاهش آلاینده‌ها را فراهم می‌سازد. معادلات حاکم در نرم‌افزار حلگر معادلات مهندسی پیاده‌سازی و حل شده و نتایج حاصل استخراج گردید. روش کار بر مبنای شبیه‌سازی ترمودینامیکی بوده و اعتبارسنجی نتایج با داده‌های تجربی موجود در ادبیات انجام شده است که تطابق خوبی را نشان می‌دهد. یافته‌ها حاکی از آن است که دمای گازی‌سازی نقش تعیین‌کننده‌ای در ترکیب گاز تولیدی دارد؛ به طوری‌که با افزایش دما، سهم هیدروژن در خروجی راکتور گازساز به میزان 26/15 درصد و در راکتور اصلاح بخار-متان به میزان 71/20 درصد افزایش یافته، در حالی که این مقدار در راکتور جابجایی آب-گاز 12/2 درصد کاهش نشان می‌دهد. همچنین، افزایش دما موجب افزایش شار عبوری هیدروژن از غشای پالادیومی از مقدار 29/0 به 52/1 ژول بر مترمربع ثانیه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Thermodynamic Modeling and Performance Assessment of a Clean Hydrogen Production Energy System Using a Palladium Separation Membrane Based on Gibbs Free Energy Minimization and Lagrange Undetermined Multipliers Method

نویسنده [English]

  • Parisa Mojaver
Department of Mechanical Engineering, Kermanshah University of Technology, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

In light of the depletion of fossil fuel resources and growing environmental concerns caused by greenhouse gas emissions, the utilization of renewable energy sources, particularly biomass, has garnered increasing attention. This study presents an innovative system for clean energy production using eucalyptus biomass. The proposed system consists of four main components: a gasification reactor, a steam methane reforming reactor, a water-gas shift reactor, and a palladium membrane for hydrogen purification. Thermodynamic modeling and simulation of the system components were conducted using Engineering Equation Solver software, with a particular focus on the effects of process temperature on system performance. The results indicate that increasing the temperature of the gasification reactor from 800 to 1000 K significantly influences the composition of the syngas. The hydrogen content increases from 32.35% to 40.71%, while carbon monoxide content rises from 9.93% to 18.85%. In the steam methane reforming reactor, elevated temperature improves reforming efficiency, reducing the carbon dioxide concentration in the product gas by 4.17%. On the other hand, in the water-gas shift reactor, higher temperature leads to a slight decrease in hydrogen conversion from 61.31% to 60.01%, accompanied by an increase in carbon dioxide content from 10.22% to 12.13%. These findings emphasize the critical role of temperature in directing the equilibrium and reaction kinetics within each subsystem. The hydrogen flux through the palladium membrane shows a substantial enhancement with temperature rise, improving from 0.29 to 1.52 J/m2.s. This reflects the superior performance of palladium membranes at higher temperatures for separating and purifying hydrogen from the gas mixture. The use of eucalyptus biomass as a renewable and widely available feedstock, coupled with advanced hydrogen production and purification technologies, presents a promising approach to addressing energy and environmental challenges. The insights gained from this study highlight the potential for improving overall system efficiency and hydrogen yield through careful thermal management across each reactor unit.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gibbs free energy minimization
  • Lagrange undetermined multipliers
  • Clean hydrogen
  • Water-gas shift reactor
  • Palladium separation membrane