Razvoj koncepta dvomembranskog reaktora

Abstract

Cilj ovog rada je teorijska (računarska) analiza primenljivosti dvomembranskog reaktora za izvodenje povratnih gasnih reakcija. Specijalno, analizira se primenljivost dvomern- branske konhguracije za termolizu vode. Rezultati simulacije su pokazali značajnu pred- nost, u pogledu povečanja konverzije reaktanta iznad ravnotežne, dvomembranske u odnosu na jednomembransku konhguraciju, u slučaju kada su membrane najmanje pro- pustljive za reaktant. Rezultati neizotermske analize dvomembranskog reaktora su pokazali da je efekat energije aktivacije u odnosu na efekat toplote reakcije zanemarljiv, u oblasti vehkih Damköhler-ovih brojeva (odnos maksimalne brzine reakcije i protoka reaktanta u napoju). I za endotermne i za egzotermne reakcije, konverziona efikasnost opada sa porastom indeksa generisanja toplote (odnos toplotnog efekta reakcije i toplotnog kapaciteta reaktanta), a raste sa intenzitetom dovodenja odnosno odvodenja toplote. Što se tiče uticaja temperature napoja, kod endotermnih reakcija postoji optimum ako permeabilnosti komponenata opadaju sa temperaturom. Na bazi raspoloživih literaturnih podataka formulisan je izotermski model dvomembranskog reaktora za termolizu vode sa jednom membranom propustljivom za vodonik, a drugom propustljivom za kiseonik. Pokazano je da se pri dovoljno velikim vrednostima Damköhler-ovih broja i odnosa brzina (odnos maksimalne brzine permeacije za membranu i maksimalne brzine reakcije) u reaktoru može postići potpuna disocijacija vode. Zapaženo je postojanje optimalne raspodele ukupnog odnosa brzina izmedu dve membrane kao i, u slučaju uvodenja inerta u separacionu zonu, optimalne raspodele inerta između dve zone. Analiza je pokazala da dvomembranski reaktor predstavlja perspektivno rešenje problema termolize vode koje zaslužuje dalja teorijska i eksperimentaina istraživanja.

The aim of this study is a theoretical (computer) analysis of the applicability of a double-membrane reactor for reversible gas phase reactions. Particulaidy, the applicability of double-membrane configuration for the direct thermal water splitting is studied. The double-membrane configuration proved to be significantly superior over the single membrane configuration with respect to the equilibrium shift, in the case when the reac- tant is the slowest permeating component. By the non-isothermal analysis, it is shown that, in the region of high Damköhler numbers (the ratio of the maximal reaction rate to the feed reactant flow), the effect of activation energy is negligible when compared to the effect of reaction heat. The conversion efficiency is decreasing by the increase of the heat generation index (the ratio of reaction heat to reactant heat capacity) and increasing by the increase of the added or removed heat, for both endo- and exothermic processes. As to the feed temperature, an optimal value exists for endothermic reactions, if component permeabilities are decreasing functions of temperature. On the basis of the available literature data, the isothermal model of double-membrane reactor (one membrane permeable for hydrogen an the other for oxygen) for direct thermal splitting of water is formulated. It is shown that the complete water dissociation could be achieved at the high enough values of Damköhler number and of the rate ratio (the ratio of maximal permeability of membrane to the maximal reaction rate). The optimal distribution of the total rate ratio between the membranes as well as the optimal inert flow distribution could be determined. Double-membrane configuration seems to be a promising solution for the problem of direct thermal water splitting, deserving further theoretical and experimental investigations.