نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

روند افزایش دمای بستر کربنی در یک سیستم تولید فلز تحت امواج مایکروویو

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
چکیده
شرکت‌های داخلی تولید کننده فلزات برای تامین انرژی مورد نیاز فرآیندی با مشکلات بسیار زیادی رو به رو هستند. این شرکت‌ها اغلب از کوره‌های صنعتی گازی استفاده می‌کنند که علاوه بر مصرف انرژی بسیار بالا، تاثیر بسیار منفی بر محیط زیست دارند. به همین دلیل، پیشنهاد فرآیندهای مدرن برای احیای اکسید فلزات به منظور کاهش مصرف انرژی بسیار مورد توجه خواهد بود. در این پژوهش، بستر کربنی یک سیستم احیا کننده اکسیدهای فلزی جدید تحت امواج مایکروویو مدل سازی شده است. در این سیستم، بستر کربنی وظیفه گرمادهی را بر عهده داشته و امواج الکترومغناطیسی را به گرما تبدیل می‌کند. با توجه به اینکه گرانول‌های اکسیدهای فلزی در این سیستم در درون بستر کربنی قرار گرفته و بستر کربنی تقریبا تمام امواج الکترومغناطیسی را جذب می‌کند، از اثرات گرمایشی اکسیدهای فلزی صرف نظر شد. مقایسه نتایج حاصل از مدل سازی با داده‌های تجربی مرتبط با دمای بستر کربنی نشان داد که مدل مورد استفاده دارای دقت مناسبی بوده و میانگین خطا کمتر از 5 درصد است. بر اساس مدل سازی انجام شده مشخص شد که با افزایش توان مایکروویو از 1000 وات به 1200 وات میزان دمای بستر کربنی (بدون در نظر گرفتن گرانول‌های اکسیدهای فلزی) به اندازه 9 درصد افزایش یافت. علاوه‌بر‌این، مشخص شد که سیلیسیم کاربید به عنوان جاذب امواج مایکروویو از نظر نرخ تولید حرارت از کربن فعال مورد استفاده عملکرد بهتری داشت. همچنین، نتایج نشان داد با افزایش پارامتر قابلیت انتشار بستر کربنی میزان حداکثر دمای حاصله کاهش می‌یابد. همچنین، با تغییر پارامتر قابلیت انتشار از 95/0 به 65/0 میزان دمای نهایی بستر پس از 15 دقیقه 9 درصد افزایش یافت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] تقوی ایشکوه پ.، خوش بین ر., آقایی ع., کریم زاده ر.، ارزیابی ترمودینامیکی تولید هیدروژن از طریق واکنش ریفورمینگ متانول با بخار آب به کمک روش حداقل سازی انرژی آزاد گیبس، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)41: 229-221 (2021).
[2]     Chandran D., Compatibility of Diesel Engine Materials with Biodiesel Fuel, Renewable Energy, 147: 89-99 (2020).
[3]     Seraç M.R., Aydın S., Yılmaz A., Şevik S., Evaluation of Comparative Combustion, Performance, and Emission of Soybean-Based Alternative Biodiesel Fuel Blends in a CI Engine, Renewable Energy, 148: 1065-1073 (2020).
[4]     Hoang A.T., Tabatabaei M., Aghbashlo M., Carlucci A.P., Ölçer A.I., Le A.T., Ghassemi A., Rice Bran Oil-Based Biodiesel as a Promising Renewable Fuel Alternative to Petrodiesel: A Review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 135: 110204 (2021).
[5] ساری ع.ا.، اسدی س.، مدل‌سازی و شبیه‌سازی احتراق غیرکاتالیستی متان با شعله آرام برای تولید گاز سنتز، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)41: 423-401 (2021).
[6]     Valliyappan T., Bakhshi N.N., Dalai A.K., Pyrolysis of Glycerol for the Production of Hydrogen or Syn Gas, Bioresource Technology, 99(10): 4476-4483 (2008).
[7]     Shahirah M.N.N., Gimbun J., Ideris A., Khan M.R., Cheng C.K., Catalytic Pyrolysis of Glycerol into Syngas over Ceria-Promoted Ni/Α-Al2O3 Catalyst, Renewable Energy, 107: 223-234 (2017).
[8]     Fernández Y., Arenillas A., Díez M.A., Pis J.J., Menéndez J.A., Pyrolysis of Glycerol over Activated Carbons for Syngas Production, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 84(2): 145-150 (2009).
[9]     Hou B., Zhang H., Li H., Zhu Q., Study on Kinetics of Iron Oxide Reduction by Hydrogen, Chinese Journal of Chemical Engineering, 20(1): 10-17 (2012).
[10] Tomić-Tucaković B., Majstorović D., Jelić D., Mentus S.J., Thermogravimetric Study of the Kinetics of Co3O4 Reduction by Hydrogen, Thermochimica Acta, 541:  15-24 (2012).
[11] Nashtaee P.S.b., Khoshandam B.J., Noncatalytic Gas-Solid Reactions in Packed Bed Reactors: A Comparison between Numerical and Approximate Solution Techniques, Chemical Engineering Communications, 201(1): 120-152 (2014).
[12] Moon I.J., Rhee C.H., Min D.J.J., Reduction of Hematite Compacts by H2‐Co Gas Mixtures, Steel research, 69(8): 302-306 (1998).
[13] Bonalde A., Henriquez A., Manrique M.J., Kinetic Analysis of the Iron Oxide Reduction Using Hydrogen-Carbon Monoxide Mixtures as Reducing Agent, Isij International, 45(9): 1255-1260 (2005).
[14] Ono-Nakazato H., Yonezawa T., Usui T.J., Effect of Water-Gas Shift Reaction on Reduction of Iron Oxide Powder Packed Bed with H2-Co Mixtures, ISIJ international, 43(10):  1502-1511 (2003).
[15] Liu J.-h., Zhang J.-y., Zhou T.-p.J.G.Y.X., Assessment of Apparent Activation Energies for Reducing Iron Oxides by Co and Co-H Sub 2, 12:  5-9 (2000).
[16] Shojae K., Khoshandam B., A Novel Two-Step Fixed Bed Reactor for the Reduction of Cobalt Oxide under Microwave Heating, Materials Science and Engineering: B, 267:  115085 (2021).
[17] Shojae K., Khoshandam B., The Experimental and Modeling Study on a New Process of Iron/Cobalt Alloy Production Using Indirect Reducing Agent of Glycerol under Microwave Heating, Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 171:  108765 (2022).
[18] Ahmed H., Morales-Estrella R., Viswanathan N., Seetharaman S., Gas-Solid Reaction Route toward the Production of Intermetallics from Their Corresponding Oxide Mixtures, Metals, 6(8): 190 (2016).
[19] Spreitzer D., Schenk J., Reduction of Iron Oxides with Hydrogen—a Review, Steel Research International, 90(10):  1900108 (2019).
[20] Naseri Seftejani M., Schenk J., Spreitzer D., Andreas Zarl M., Slag Formation During Reduction of Iron Oxide Using Hydrogen Plasma Smelting Reduction, Materials, 13(4):  935 (2020).
[21] Aeppli M., Voegelin A., Gorski C.A., Hofstetter T.B., Sander M., Mediated Electrochemical Reduction of Iron (Oxyhydr-)Oxides under Defined Thermodynamic Boundary Conditions, Environmental Science & Technology, 52(2): 560-570 (2018).
[22] Najmi N.H., Mohd Yunos N.F.D., Othman N.K., Idris A., Characterisation of Reduction of Iron Ore with Carbonaceous Materials, Solid State Phenomena, 280:  433-439 (2018).
[23] Pozar D.M., "Microwave Engineering", John wiley & sons, (2011).
[24] Metaxas A.a., Meredith R.J., "Industrial Microwave Heating", IET, (1983).
[25] Mishra P., Upadhyaya A., Sethi G.J.M., B M.T., Modeling of Microwave Heating of Particulate Metals, 37(5): 839-845 (2006).
[26] Seplyarskii B., Kochetkov R., Lisina T., Alymov M., The Conditions for the Implementation of the Convective Mode of Combustion for Granular Mixtures of Ti + X C, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 558:  012045 (2019).
[27] Burgess  G.K., Foote P.D., The Emissivity of Metals and Oxides, Iron Oxide, (1915).  
[28] Warnes B.M., Aplan F.F., Simkovich G., Electrical Conductivity and Seebeck Voltage of Fe2O3, Pure and Doped, as a Function of Temperature and Oxygen Pressure, Solid State Ionics, 12: 271-276 (1984).
[29] Sánchez-González J., Macías-García A., Alexandre-Franco M.F., Gómez-Serrano V., Electrical Conductivity of Carbon Blacks under Compression, Carbon, 43(4): 741-747 (2005).
[30] Itai R., Shibuya M., Matsumura T., Ishi G., Electrical Resistivity of Magnetite Anodes, Journal of The Electrochemical Society, 118(10): 1709 (1971).
[32] Kuang J., Cao W., Silicon Carbide Whiskers: Preparation and High Dielectric Permittivity, Ceramics International, 96(9): 2877-2880 (2013).
[33] Ao W., Fu J., Mao X., Kang Q., Ran C., Liu Y., Zhang H., Gao Z., Li J., Liu G.J., Dai J., Microwave Assisted Preparation of Activated Carbon from Biomass: A Review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 92: 958-979 (2018).
[34] Kume S., Yasuoka M., Omura N., Watari K., Effects of Mgo Addition on the Density and Dielectric Loss of Aln Ceramics Sintered in Presence of Y2O3, Journal of the European Ceramic Society, 25(12): 2791-2794 (2005).