COMSOL帮助阿拉贡国家实验室制氢技术突破 作者：Simwe 来源：中仿科技 发布时间：2012-03-06 【收藏】 【打印】 复制连接 【大 中 小】 我来说两句：(0) 逛逛论坛 世界各国都在找寻使氢成为主要运输燃料的方法，并最大程度上代替化石燃料。要实现这个目标,首先就是要找到最经济、最节约生产氢的方法，而且过程中不产生温室气体。电解和热化学循环方法是当今生产氢的主要方法之一。阿尔贡国家实验室正在使用COMSOL Multiphysics研究溴化钙水解方法是否可以应用于电解和热化学循环过程。 氢经济带来的挑战氢虽然不是目前主流的能源，却是一个新的能量载体。然而建立以氢能源为主体的经济面临着诸多挑战。对氢燃料来说，还没有大规模生产、存储、运输及其使用的基础设施。为了弥补这些不足，美国能源部建立了核氢计划（Nuclear Hydrogen Initiative）来研究核能源在氢生产中的应用。这项计划旨在研究利用热化学循环方法通过一系列的高温（750oC~1000oC）化学反应来实现氢的制备，而这个温度要远远高于水的热解温度。热化学循环技术的研究还处在初级阶段。尽管许多可能的循环已经确定，但是只有极少数有工业应用的可能。热能相对于电能的使用更有吸引力。溴化钙循环产生的高温不仅在下一代核电站的范围内，还可以省去使用昂贵高温材料制造辅助加热设备。Argonne国家实验室的研究小组正在研究溴化钙（Ca-Br）水裂解循环，与水发生吸热反应生成氧化钙（CaO）和溴化氢（HBr）。生成的溴化氢通过电解或者等离子体分解过程形成氢气和溴。这个循环过程对于NHI来说非常有吸引力，尽管这个过程是非常耗费热量，但是接近一半的水裂解需要的热动力学能量都由核热提供。CaBr2水解方法现在有两种方法将CaBr2­(带着反应需要的热量)和水蒸气在连续过程中混合，一种是在蒸汽环境中喷洒熔融的CaBr2，另一种方式就是在盛放熔融CaBr2的容器中喷射蒸汽泡。利用COMSOL Multiphysics就可以轻松的研究这两种方法的优缺点。对于每一种方法的模拟都是为了深入的了解气液固三相之间的质量、动量以及热传输等内在物理机制，进而研究过程的控制机制实现对生产效率和热效率的优化。COMSOL化学工程模块为这些复杂相互作用现象提供了建模和研究的良好环境。首先研究喷洒方法，研究人员首先对液滴半径和蒸汽流速都高出实验两个数量级的理想化模型进行了一系列的仿真模拟。他们发现雷诺数很大的情况下，液滴下游会形成一个回流区域，造成反应物在这个区域的聚集。另一个值得研究问题就是CaBr2液滴经过加热的水蒸汽之后多久才能凝固。研究中发现CaBr2液滴固化过程为整个液滴化学反应提供一小部分的热量。 喷射蒸气方法是否更好？ 得到了上面的结果之后，接下来就要研究熔池方法。因为熔融CaBr2具有低的粘度（室温下与水接近）从而可以作为储热材料，通过以气泡的形式把蒸汽喷射到熔融池中。首先研究球形和球冠气泡区域这两种极限情况，从而获得流的最佳条件以及对表面反应的影响。因为反应表面积与体积比较大，球形气泡区域具有较大优势。然而，实验室中在高温的熔盐中产生小气泡相当困难。相比之下，球冠形气泡形成的快速流动会产生回流区域，使得反应物在这个区域内聚集，减缓在气泡下界面上的反应（图1）。利用COMSOL模型来模拟球冠形气泡在气泡流中的生存能力，从而在蒸汽中获得足够溴化钙。
图1熔融CaBr2的球形蒸汽和球冠形蒸汽模型的模拟结果。结果显示在了在流经 气泡时流的方向和大小。球冠形气泡产生回流，而球形气泡没有产生回流。 通过仿真得到了非常好的结果，只有少量甚至可忽略的CaO被球冠形气泡带走，有效地阻止反向反应的发生以及反应速度的减缓（图2）。此外，蒸汽扩散以及气泡本身的回流将蒸汽带到气泡表面的速度足以维持反应的进行。
图2 HBr在气泡中的浓度以及CaO在熔融CaBr2中的浓度。可以看到在球冠形气泡回流区域CaO发生积累。 研究小组在证实了熔融的CaBr2­中以合适的速度喷射蒸汽可以产生球冠形气泡基础上，又进行了进一步的探索。他们发现化学动力学常数k在一个很大的范围内，都会很好的转化成HBr。还需要进一步的实验和模拟来确定化学动力学常数来调整反应器大小使之到达最佳效率。 仿真帮助任务如期完成 对于研究小组来说，及时的得到这些模拟结果非常重要。因为他们要抢在美国能源部的最后期限之前完成任务。元件设计以及大部分可行替代循环中反应的测试要在2007年完成。而Ca-Br循环是Argonne国家实验室研究的替代循环其中之一。在2008年要完成集成实验室规模的热化学氢生产系统的搭建并开始测试。到2011年中试规模的氢生产设备的示范技术完成筛选。在这样的时间安排中，COMSOL担任了重要的角色。甚至对于新用户来说，在两天之内也能得到初始的仿真结果。因为COMSOL Multiphysics可以轻松的设置具有不同相的子域条件以及在在它们中间耦合不同的物理过程（包括含有冷却设备的界面边界上的反应），所以COMSOL 可以帮助研究人员减少预算的开支和突破分析时间上的限制。
图3 CaBr2水解实验装置，包括蒸汽发生器、熔炉、节流阀端盖以及收集系统。 只有让美国能源部确信研究人员采用的是最好方法之后，搭建实验设备才是有意义。因为研究替代循环的经费是有限的，所以要利用仿真来甄别各种不同的设计方案的可行性，这相对于做一系列的实验来找到最佳设计方案来说，大大节省了经济和时间成本。利用COMSOL Multiphysics仿真可以帮助研究人员快速的获得许多问题的答案并最终作出决定。仿真和实验相结合战略的高效率帮助研究人员对Ca-Br循环的研究紧紧跟随热化学氢循环的整体研发进度。模拟也帮助科学家形象的理解实验过程。如发生在极端高温环境下的一些关键过程，如CaBr2的水解，需要在特殊的实验设备中进行，很难进行观测。还有蒸汽喷射到熔融CaBr2的过程必须在高问绝热的电炉中进行（图3），同样难以观测。 初步实验证实了采用在熔融CaBr2­中喷射蒸汽的方法取得了和仿真模拟结果完全一致的良好效果。由于熔融池的深度很小，蒸汽和HBr之间的转化率被限制在5%~10%之间。近来，模拟结果显示水解装置中的蒸汽温度不必达到780oC，因为气泡一旦进入熔融池温度就会快速的升高。这项结果大大降低了蒸汽传输系统对材料的要求，在蒸汽处理过程中可以使用很多低成本材料。现在实验和仿真工作的重心是当熔融池中生成大量的溴化钙时水解装置中的运行情况。反应速率和黏性等液体参数的改变共同决定热化学循环中CaBr2再生过程的工程要求。
来自阿拉贡国家实验室的氢技术科学家Robert W. Lyczkowski (左)和Steven A. Lottes (右) |
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