Mikrobuborékokkal történő ammóniatermelés energiahatékonyságának vizsgálata
Az ammónia napjainkban globalizált gazdaságunk egyik legmeghatározóbb anyaga. Az ammónia 70 %-át műtrágyagyártáshoz használják fel (mint a műtrágya elsődleges alapanyaga), amely a modern mezőgazdaság szempontjából kiemelten fontos. Emellett az ammónia el is égethető, ezáltal energiahordozóként is használható. Az ammóniát napjainkban a több, mint százéves Haber-Bosch-eljárással gyártják, melynek során hidrogént és nitrogént reagáltatnak egymással katalitikusan. Ehhez magas hőmérsékletre (500 °C) és nyomásra (400 bar) van szükség, ami miatt az eljárás rendkívül veszélyes és költséges. Az ammónia emellett a földgázfogyasztás 20 %-áért is felel, mivel a gyártásához szükséges hidrogént többségében metánból állítják elő. Ezért a karbonsemlegességre való törekvés feltétele, hogy megoldjuk a zöld ammónia problémáját.
Célom az ammónia gyártására egy alternatív módszer kidolgozása és energetikai szempontból történő optimalizálása. Az eljárás azon alapul, hogy egy folyadékban lévő, nitrogént és hidrogént tartalmazó buborékokat tágítunk ki és hagyunk szabadon lengeni. A buborékok egyre csökkenő amplitúdóval összeroppannak, majd újra kitágulnak, és az első egy vagy két összeroppanás során a bennük lévő hőmérséklet és nyomás megfelelő lesz az ammónia termelődéséhez. Egy buborékklaszter ugyan többezer buborékot tartalmaz, azonban az egyszerűség kedvéért csak egyetlen buborékkal dolgozom. A buboréksugár idő szerinti változását a módosított Keller-Miksis-egyenlettel írom le, kiegészítve a kémiai reakciók egyenleteivel, amelyből egy közönséges differenciálegyenlet-rendszer kapok. Mivel az egyenletrendszer nemlineáris és merev, ezért numerikusan oldom meg egy Python-kód segítségével.
A szimulációk készítése során először az egyensúlyi buboréksugarat és a kezdeti kitágítást, majd az alapnyomást és a kezdeti hidrogén-nitrogén arányt, végül a viszkozitást, a felületi feszültséget és a folyadékbeli hangsebességet változtattam, és vizsgáltam ennek hatását az ammóniatermelés energiahatékonyságára vonatkozóan. Azt tapasztaltam, hogy az alapnyomás csökkentése javítja az energiahatékonyságot, és a hidrogén optimális aránya némileg mindig a sztöchiometriai arány alatt van. A viszkozitás túlzott növelése és a felületi feszültség csökkentése az energiahatékonyságot rontotta, a folyadékbeli hangsebesség növelése viszont javította. Optimális esetben az energiahatékonyság 88,66 GJ/t volt, amely a Haber-Bosch-eljárás 2,27-szerese.
szerző
-
Kubicsek Ferenc
Gépészmérnöki mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Hegedűs Ferenc
Docens, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék