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姓名	陳楷琳(KAI-LIN CHEN)  查詢紙本館藏	畢業系所	機械工程學系
論文名稱	利用多孔介質提升甲烷熱裂解產氫之研究 (Enhancement of Hydrogen Production from Methane Thermal Decomposition using Ceramic Porous Medium)
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摘要(中)	甲烷輻射熱裂解是一種無碳排放的產氫方式。過程中產生的碳為固體，不會產生一氧化碳和二氧化碳等溫室氣體，同時產生的碳顆粒還具有高附加經濟價值。甲烷輻射熱裂解於21世紀前便有許多相關研究，其中碳沉積問題致使甲烷輻射熱裂解在產氫工業上仍有不少問題需要克服。本研究對甲烷輻射熱裂解反應器進行模擬分析，使用商用數值軟體ANSYS FLUENT對陶瓷多孔介質提升反應器性能提升影響進行分析比較。 研究發現反應器性能主要受到反應器腔體高溫區域範圍大小影響，比較10PPI二氧化鋯、10PPI碳化矽、20PPI二氧化鋯和20PPI碳化矽的圓柱形陶瓷多孔介質對反應器甲烷轉換率影響，發現20PPI有最高的甲烷轉換率79%，同時增加陶瓷多孔介質後會使流體以活塞流的流動方式經過陶瓷多孔介質，並大幅提升碳顆粒滯留時間。
摘要(英)	Methane radiant thermal cracking is a hydrogen production method that does not emit carbon. The carbon produced in this process is solid and does not result in greenhouse gases such as carbon monoxide and carbon dioxide. Additionally, the carbon particles generated have high economic value. Numerous studies on methane radiant thermal cracking were conducted before the 21st century; however, carbon deposition issues have posed several challenges that need to be overcome for its application in the hydrogen production industry. This research conducts a simulation analysis of a methane radiant thermal cracking reactor using the commercial numerical software ANSYS FLUENT to analyze and compare the effects of ceramic porous medium on enhancing reactor performance. The study found that the reactor performance is primarily influenced by the size of the high-temperature region within the reactor cavity. By comparing the effects of cylindrical ceramic porous medium made of 10 PPI zirconia, 10 PPI silicon carbide, 20 PPI zirconia, and 20 PPI silicon carbide on the reactor′s methane conversion rate, it was found that 20 PPI materials achieved the highest methane conversion rate of 79%. Additionally, the incorporation of ceramic porous medium caused the fluid to flow through the medium in a plug flow, significantly increasing the resident time of methane.
關鍵字(中)	★ 陶瓷多孔介質 ★ 甲烷 ★ 輻射 ★ 產氫 ★ 熱裂解	關鍵字(英)	★ ceramic porous medium ★ methane ★ radiation ★ hydrogen production ★ thermal cracking
論文目次	目錄 圖目錄 v 表目錄 x 摘要 xii Abstract xiii 符號表 xiv 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究目的 6 第二章 文獻回顧 7 2.1甲烷熱裂解 7 2.2 陶瓷多孔介質 9 第三章 理論與計算模式 21 3.1模型假設 21 3.2 紊流模型 22 3.3 統御方程式 23 3.4 甲烷 25 3.5 輻射吸收與散射 26 3. 6陶瓷多孔介質 27 3.7 Discrete Ordinates輻射模型 30 3.8 數值演算法 31 第四章 模型與條件設定 33 4.1. 幾何模型 33 4.2 陶瓷多孔介質模擬分析 40 第五章 結果與討論 47 5.1 文獻驗證 47 5.2 模型驗證 49 5.3 陶瓷多孔介質影響 53 5.4 甲烷質量流率影響 75 第六章 結論與未來建議 93 6.1 結論 93 6.2 未來建議 94 參考文獻 95   圖目錄 圖 1、太陽輻射加熱爐之實驗設置[8] 7 圖 2、氬弧燈之光譜強度[10] 8 圖 3、氧化鋁在不同孔徑下的隨不同Re下的Nusselt數[16] 10 圖 4、10PPI二氧化鋯之掃描電子顯微鏡圖[17] 11 圖 5、10PPI碳化矽之掃描電子顯微鏡圖[17] 12 圖 6、獨立與相依散射劃分圖[18] 15 圖 7、10 PPI和20 PPI之ZrO2陶瓷多孔介質吸收、散射係數[17] 16 圖 8、10 PPI和20 PPI之ZrO2陶瓷多孔介質之modified Henyey-Greenstein相位函數參數fiso,λ、ghg,λ [17] 16 圖 9、10 PPI、20 PPI之SiC陶瓷之多孔材吸收、散射係數[17] 17 圖 10、10 PPI、20 PPI之SiC陶瓷多孔介質之modified Henyey-Greenstein相位函數參數fiso,λ、ghg,λ [17] 17 圖 11、輻射強度的衰減與孔隙率大小之關係[20] 19 圖 12、氫氣產率對比低孔隙率(φ=0.6)區域長度 [22] 20 圖 13、SIMPLE演算法流程圖 32 圖 14、模型幾何尺寸 33 圖 15、反應器出口溫度收斂性分析 39 圖 16、甲烷轉化率收斂性分析 39 圖 17、圓柱形陶瓷多孔介質示意圖 41 圖 18、在WebPlotDigitizer[32]輸出的氬弧燈光譜強度 44 圖 19、反應器截面示意圖 48 圖 20、驗證模型流線分佈 50 圖 21、甲烷裂解反應之速率常數與溫度關係 50 圖 22、驗證模型流體溫度分佈 51 圖 23、驗證模型甲烷莫爾分率分佈 51 圖 24、驗證模型氫氣莫爾分率分佈 52 圖 25、驗證模型氬氣莫爾分率分佈 52 圖 26、陶瓷多孔介質示意圖和參考座標 53 圖 27、10PPI二氧化鋯流線分佈 56 圖 28、10PPI二氧化鋯流體溫度分佈 56 圖 29、10PPI二氧化鋯甲烷莫爾分率分佈 57 圖 30、10PPI二氧化鋯氫氣莫爾分率分佈 57 圖 31、10PPI二氧化鋯氬氣莫爾分率分佈 58 圖 32、10PPI二氧化鋯沿腔體軸向方向的腔體平均溫度 58 圖 33、10PPI二氧化鋯沿腔體軸向方向的氣體莫爾分率 59 圖 34、10PPI碳化矽流線分佈 61 圖 35、10PPI碳化矽流體溫度分佈 61 圖 36、10PPI碳化矽甲烷莫爾分率分佈 62 圖 37、10PPI碳化矽氫氣莫爾分率分佈 62 圖 38、10PPI碳化矽氬氣莫爾分率分佈 63 圖 39、10PPI碳化矽沿腔體軸向方向的腔體平均溫度 63 圖 40、10PPI碳化矽沿腔體軸向方向的氣體莫爾分率 64 圖 41、20PPI二氧化鋯流線分佈 66 圖 42、20PPI二氧化鋯流體溫度分佈 66 圖 43、20PPI二氧化鋯甲烷莫爾分率分佈 67 圖 44、20PPI二氧化鋯氫氣莫爾分率分佈 67 圖 45、20PPI二氧化鋯氬氣莫爾分率分佈 68 圖 46、20PPI二氧化鋯沿腔體軸向方向的腔體平均溫度 68 圖 47、20PPI二氧化鋯沿腔體軸向方向的氣體莫爾分率 69 圖 48、20PPI碳化矽流線分佈 71 圖 49、20PPI碳化矽流體溫度分佈 71 圖 50、20PPI碳化矽甲烷莫爾分率分佈 72 圖 51、20PPI碳化矽氫氣莫爾分率分佈 72 圖 52、20PPI碳化矽氬氣莫爾分率分佈 73 圖 53、20PPI碳化矽沿腔體軸向方向的腔體平均溫度 73 圖 54、20PPI碳化矽沿腔體軸向方向的氣體莫爾分率 74 圖 55、0.5倍甲烷質量流率流線分佈 76 圖 56、0.5倍甲烷質量流率流體溫度分佈 77 圖 57、0.5倍甲烷質量流率甲烷莫爾分率分佈 77 圖 58、0.5倍甲烷質量流率氫氣莫爾分率分佈 78 圖 59、0.5倍甲烷質量流率氬氣莫爾分率分佈 78 圖 60、0.5倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向的腔體平均溫度 79 圖 61、0.5倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向的氣體莫爾分率 79 圖 62、1.5倍甲烷質量流率流線分佈 81 圖 63、0.5倍甲烷質量流率流體溫度分佈 82 圖 64、1.5倍甲烷質量流率甲烷莫爾分率分佈 82 圖 65、1.5倍甲烷質量流率氫氣莫爾分率分佈 83 圖 66、1.5倍甲烷質量流率氬氣莫爾分率分佈 83 圖 67、1.5倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向的腔體平均溫度 84 圖 68、1.5倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向的氣體莫爾分率 84 圖 69、2.0倍甲烷質量流率流線分佈 86 圖 70、2.0倍甲烷質量流率流體溫度分佈 86 圖 71、2.0倍甲烷質量流率甲烷莫爾分率分佈 87 圖 72、2.0倍甲烷質量流率氫氣莫爾分率分佈 87 圖 73、2.0倍甲烷質量流率氬氣莫爾分率分佈 88 圖 74、2.0倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向的腔體平均溫度 89 圖 75、1.5倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向的氣體莫爾分率 89 圖 76、不同質量流率沿腔體軸向方向的腔體平均溫度 90 圖 77、不同質量流率沿腔體軸向方向的甲烷莫爾分率 91 圖 78、不同質量流率沿腔體軸向方向的氫氣莫爾分率 91 圖 79、不同質量流率沿腔體軸向方向的碳莫爾分率 92 圖 80、不同質量流率沿腔體軸向方向的氬氣莫爾分率 92   表目錄 表格 1、陶瓷多孔介質物理性質 12 表格 2、二氧化鋯擬合係數 13 表格 3、碳化矽擬合係數 13 表格 4、邊界條件 36 表格 5、反應氣體光學性質 36 表格 6、材料參數 37 表格 7、陶瓷多孔介質性質 42 表格 8、二氧化鋯陶瓷多孔介質參數 44 表格 9、碳化矽陶瓷多孔介質參數 45 表格 10、實驗和驗證模型比較 48 表格 11、10PPI二氧化鋯反應器性能 55 表格 12、10PPI二氧化鋯沿腔體軸向方向之平均莫爾分率及溫度 55 表格 13、10PPI碳化矽反應器性能 60 表格 14、10PPI碳化矽沿腔體軸向方向之平均莫爾分率及溫度 60 表格 15、20PPI二氧化鋯反應器性能 65 表格 16、20PPI二氧化鋯沿腔體軸向方向之平均莫爾分率及溫度 65 表格 17、20PPI碳化矽反應器性能 70 表格 18、20PPI碳化矽沿腔體軸向方向之平均莫爾分率及溫度 70 表格 19、所有反應器性能結果 74 表格 20、0.5倍甲烷質量流率反應器性能 75 表格 21、0.5倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向之平均莫爾分率及溫度 76 表格 22、1.5倍甲烷質量流率反應器性能 80 表格 23、1.5倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向之平均莫爾分率及溫度 81 表格 24、2.0倍甲烷質量流率反應器性能 85 表格 25、2.0倍甲烷質量流率沿腔體軸向方向之平均莫爾分率及溫度 85
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指導教授	王淵弘 曾重仁(Yung-Hung Wang Chung-jen Tseng)	審核日期	2024-7-31
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