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初学COMSOL

铜虫 (初入文坛)

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[交流] 【交流】美国Argonne国家实验室利用COMSOL Multiphysics研究制氢技术

美国Argonne国家实验室利用COMSOL Multiphysics研究制氢技术

      “氢经济”是利用氢气经过化学反应后所产生的能量，它不但不会产生废气污染环境，而且也可以储存能量，所以是目前正在研究大量生产的方法。目标是取代现有的石油经济体系，并达到环保目标，但是诸多技术瓶颈导致“先有鸡、先有蛋”的循环难题，很多氢设备要大量使用才有成本效益，但是不先装设这些天价设备；则根本无法吸引人使用，更不会有相关产业，如何过渡到氢时代是氢经济的研究课题。
      “制氢技术”主要研究动机是要找寻使氢成为主要燃料的方法，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
   氢虽然不是主要的主要能源，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，美国能源部提出了核氢计划（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（750~1000摄氏度）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允许范围内，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计划来说非常有吸引力，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能都由核热提供。
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CaBr2，另一种方式就是在熔融CaBr2中通入蒸汽泡。利用COMSOL Multiphysics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氢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平台。
首先研究喷洒熔融CaBr2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液滴凝固过程可以为整个液滴化学反应提供一小部分的热量。
熔融CaBr2中通蒸气方法是否更好？
   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）可以作为储热材料，水蒸气以气泡的形式喷射到熔融池中。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，从而使得蒸汽能获得足够溴化钙与之发生反应。

图1熔融CaBr2的球形水蒸气气泡和球冠形水蒸气气泡模型的模拟结果。结果显示在了在CaBr2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，有效地阻止了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 中以合适的速度通入水蒸汽可以产生球冠形气泡，在此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，都会很好的反应效果。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并使之到达最佳效率。
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。对于新用户来说，在两天之内就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。仿真和实验相结合策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的过程必须在高温绝热的电炉中进行（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。
后记
   氢能作为一种很有应用前景的载能体,已得到越来越广泛的研究和应用.在化学制氢、电解水制氢、生物制氢这三种制氢模式中,化学制氢仍是近期主要的制氢方式,其中催化重整制氢仍然是大规模制氢的主流.随着燃料电池这一环境友好的发电方式在技术上的不断突破,诸如生物质制氢、金属置换制氢、太阳能制氢、金属氢化物制氢等许多其他的化学制氢技术得到了迅速的发展,并将伴随着燃料电池、氢燃料发动机等技术的发展和应用,一同步入氢能时代。
COMSOL Multiphysics在中国
   COMSOL在中国,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。
关于COMSOL Multiphysics和开发团队
      COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn
      COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com

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