Buborékok és ammóniagyártás
Az ammónia napjainkban egy fontos energiahordozó, továbbá a műtrágya egyik alapanyaga. Az ammóniát egy több, mint százéves módszerrel, a Haber-Bosch-eljárással gyártják, amelyhez magas hőmérsékletet (500 °C) és nyomást (400 bar) biztosító berendezés szükséges, hogy a kívánt reakciók kellő sebességgel menjenek végbe. Mivel a berendezés nagyon veszélyes, ezért fontos célkitűzés az ammónia alternatív úton történő előállítása, például buborékok segítségével. A mikron méretű buborékokat mesterségesen hozzuk létre adott kezdeti hidrogén- és nitrogéntartalommal. Ezután a nyomás csökkentésével a buborékokat kitágítjuk. Végül a nyomást visszaállítjuk az eredeti értékre, ami miatt a buborékok szabadlengést fognak végezni, amely összeroppanásokból és kitágulásokból áll. Az első összeroppanás végén a buborékokban a nyomás és a hőmérséklet az ammónia keletkezéséhez elég magas lesz, azonban a berendezés környezetében ezek az extrém körülmények már nem jelentkeznek. A cél megtalálni a megfelelő paramétereket ahhoz, hogy ez az eljárás energetikailag minél hatékonyabb legyen (azaz egységnyi energia felhasználásával minél több ammóniát lehessen vele termelni).
A folyadékban lévő buborékok radiális pulzálását a módosított Keller-Miksis-egyenlettel lehet leírni, kiegészítve a kémiai reakciók egyenleteivel, amely egy közönséges differenciálegyenlet-rendszert ad. Egy klaszterben sok buborék van, amelyek hatnak is egymásra, azonban az egyszerűség kedvéért egyetlen buborékot vizsgálok. Mivel a rendszer nemlineáris, ezért numerikusan oldom meg. A megoldás során MATLAB-ot használok, ahol az egyenletrendszert annak merevsége miatt az ode15s megoldó segítségével oldom meg.
A szimulációk során a paraméterek a buborék egyensúlyi sugara, a kezdeti kitágítás mértéke, az alapnyomás és a hidrogén kezdeti mólaránya voltak. Az eredmények alapján az alapnyomás csökkentése egy határig növeli a kihozatalt, azonban a hidrogén kezdeti arányának megváltoztatása majdnem minden esetben rontja azt. Optimális paraméterek mellett az energiahatékonyság a Haber-Bosch-eljárásénak 0,78-szorosa volt. Azonban, mivel az energiahatékonyság sok további paramétertől függ (például a folyadék tulajdonságai vagy nyomás gerjesztés tulajdonságai), ez az érték további paraméterek vizsgálatával növelhető.
szerző
-
Kubicsek Ferenc
Gépészmérnöki mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Hegedűs Ferenc
Docens, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék -
Kalmár Csanád
doktorandusz, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék
