Document
Cost-effective and energy-efficient process for hydrogen liquefaction.
Other titles
عملية فعالة من حيث التكلفة و موفورة للطاقة لتسييل الهيدروجين
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2023
Language
English
Subject
English abstract
Hydrogen is a pure element, that is more prevalent in the environment and considered as
a source of energy. Many nations are switching from carbon-based economies to
hydrogen-based economies. The modern world is aware of the need to modify clean and
green energy methods and follow the international decarbonization measures like the Paris
agreement. Therefore, hydrogen is regarded as a solution to climate change, which is on
the verge of eradicating life on earth and is considered to be the greatest humanitarian
crisis of all time. However, hydrogen is a critical element to deal with due to its lower
energy content per unit volume. Therefore, long term storage and transportation of
hydrogen for long distance is a promising role. Hence, liquifying the hydrogen gas is a
solution to overcome this issue. However, hydrogen liquefaction is an energy intensive
process. If hydrogen is utilized to generate this energy, then between 25% to 35% of
hydrogen will be used. The commercial hydrogen liquefying plants that are currently in
operation have a specific energy consumption rage of 10-12 kW/kgLH2 and exergy
efficiency of 20%-30% with complicated equipment arrangements. This study presents a
compact, simple, energy efficient and economical process. A feed flowrate of 1 kg/s was
used in the suggested case, which functioned as an isothermal process.
Two refrigeration cycles (pre-cooling and liquification cycle) with varied refrigerants
flowrates are used. To create the ideal mix refrigeration composition, knowledge-based
optimization (KBO) was employed to the proposed hydrogen liquefaction process.
Additionally, two equilibrium reactors were used for ortho-para conversion. Energy
consumption of 6.961 kW/kgLH2 was achieved in the proposed process with exergy
efficiency of 37.23%. The coefficient of performance and figure of merit are 0.178 and
0.37, respectively. Furthermore, the economic analysis was done based on the capacity
parameter of each equipment. As a result, it was discovered that the proposed process is
more cost-effective than the base case. This study will help chemical engineers to build a
compact hydrogen liquefaction plant, where availability of the land is the main issue. Also,
it will help to achieve a sustainable green energy economy by improving overall hydrogen
value chain
Member of
Resource URL
Arabic abstract
يعد الهيدروجين عنصرا نقيا كثير الانتشار في البيئة. و يستخدم كمصدر للطاقة في حين تسعى العديد من الدول للتحول من الاقتصادات القائمة على الكربون إلى القائمة على الهيدروجين. يدرك العالم الحديث الحاجة إلى تعديل أساليب الطاقة النظيفة والخضراء و اتباع تدابير دولية لإزالة الكربون مثل اتفاقية باريس. لذلك ، يعتبر الهيدروجين حلا لخفض تأثير مشكلة تغير المناخ، و التي تعتبر واحدة من أكبر الازمات البيئية و التي على وشك قضاء الحياة على الارض. كما يعد الهيدروجين عنصرا ليس من السهل التعامل معه نظرا لانخفاض محتواه من الطاقة لكل وحدة حجم. لذلك، يعتبر تخزين و نقل الهيدروجين على المدى الطويل للمسافات الطويلة عملية معقدة. ومن ثم ، فإن تسييل غاز الهيدروجين يعتبر حل للتغلب على هذه المشكلة. من جهة أخرى، فإن عملية تسييل الهيدروجين عملية ذات استهلاك عالي للطاقة وفي حال تم استخدام الهيدروجين لتوفير هذه الطاقة، فإن نسبة ٪25 و ٪35 من الهيدروجين يتم استهلاكه. إن مصانع تسييل الهيدروجين التجارية المتواجدة حاليا تعمل بنطاق محدد من الطاقة تتراوح كميتها ما بين 10 12- كيلو واط/كجم من الهيدروجين المسال وكفاءة الجهد تتراوح بين %20 و %30 بالاضافة إلى المعدات معقدة التشغيل. تقترح هذه الدراسة تقنية بسيطة مباشرة و موفرة للطاقة و اقتصادية بحيث تم استخدام معدل تدفق تغذية قدره 1 كجم/ثانية في الحالة المقترحة، و التي تعمل كعملية ثابتة التغير الحراري. في عملية التسييل تم استخدام دورتي تبريد )دورة التبريد المسبق والتسييل( مع معدالت تدفق متنوعة للمبردات المستخدمة. أما إلنشاء خليط البريد المثالي، تم استخدام تحسين قاعدة المعرفة )KBO )للعملية المقترحة لتسييل الهيدروجين. بالاضافة إلى ذلك، تم استخدام مفاعلين التوازن لتحويل para-ortho. أقل مقدار تم التوصيل له يعادل 6.961 كيلو واط/كجم من الهيدروجين المسال في العملية المقترحة و بكفاءة جهد تبلغ .٪37.23 معامل الاداء )COP ) و رقم الجدارة )FOM )للحالة هو 0.178 و0.37 على التوالي. علوة على ذلك ، تم إجراء التحليل الاقتصادي بناء على (parameter capacity (القدرة لكل وحدات التشغيل. و نتيجة لذلك، تم التوصيل إلى النهج المقترح أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنة بالحالة البحثية الاساسية. ستساعد هذه الدراسة المهندسين الكيميائيين على بناء مصنع مدمج لتسييل الهيدروجين ، حيث يكون توافر الارض هو القضية الرئيسية. كما سيساعد على تحقيق اقتصاد مستدام للطاقة الخضراء من خلال تحسين سلسلة قيمة الهيدروجين الشاملة.
Category
Theses and Dissertations