دانشکده مهندسي شيمي، نفت و گاز
پايان نامه کارشناسي ارشد در رشته
مهندسي شيمي بدون گرايش
مدلسازي، شبيه سازي و بهينه سازي رآکتور بسترچکهاي پتروشيمي جم به منظور هيدروژناسيون 1و3-بوتادين
به کوشش
طاهره توحيديان
استاد راهنما
دکتر محمد رضا رحيم پور
آذر ماه 93
به نام خدا
اظهار نامه
اينجانب طاهره توحيديان (9130653) دانشجوي رشته مهندسي شيمي بدون گرايش اظهار ميکنم که اين پايان نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي که از منابع ديگران استفاده کردهام، نشاني دقيق و مشخصات کامل آن را نوشتهام. همچنين اظهار ميکنم که تحقيق و موضوع پايان نامهام تکراري نيست و تعهد مينمايم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. کليه حقوق اين اثر مطابق با آيين نامه مالکيت فکري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.
نام و نام خانوادگي: طاهره توحيديان
تاريخ و امضا:
به نام خدا
مدلسازي، شبيه سازي و بهينه سازي رآکتور بسترچکهاي پتروشيمي جم به منظور هيدروژناسيون 1و3-بوتادين
به کوشش
طاهره توحيديان
پايان نامهي
ارائه شده به تحصيلات تکميلي به عنوان بخشي از فعاليتهاي تحصيلي لازم
براي اخذ درجه کارشناسي ارشد
در رشتهي
مهندسي شيمي- بدون گرايش
دانشگاه شيراز
شيراز
جمهوري اسلامي ايران
ارزيابي کميتهي پايان نامه، با درجه: عالي
دکتر محمدرضا رحيم پور، استاد بخش مهندسي شيمي (استاد راهنما)…………………
دکتر عليرضا شريعتي، دانشيار بخش مهندسي گاز (استاد مشاور)……………………..
دکتر رضا اسلاملوئيان، دانشيار بخش مهندسي شيمي (داور متخصص داخلي)……………
آذر ماه 1393
تقديم به:
پدر و مادرم به پاس زحمات بي دريغشان
سپاسگزاري
اکنون که اين رساله به پايان رسيده بر خود لازم ميدانم که از استاد ارجمند جناب آقاي دکتر محمد رضا رحيم پور که با راهنماييهاي بيدريغ خود راهگشاي اينجانب بوده و راه را بر من هموار نمودند کمال تشکر و سپاسگزاري را داشته باشم.
چکيده
مدلسازي، شبيه سازي و بهينه سازي رآکتور بسترچکهاي پتروشيمي جم به منظور هيدروژناسيون 1و3-بوتادين
به کوشش
طاهره توحيديان
اين نوشتار به بررسي يک رآکتور بستر چکه اي صنعتي هيدروژناسون بوتادين پرداخته است. از اين رو،يک مدل سينتيکي مناسب به عنوان ساختاري پايه اي براي مدلسازي رآکتور انتخاب گرديده است و پس از آن مدل ارايه گرديده به منظور همخواني با موازنه مولي داده هاي صنعتي توسعه يافته است. همچنين تلاش هاي زيادي به منظور ايجاد يک مدل دقيق و در عين حال ساده رياضي صورت پذيرفت و نتايج مدلسازي با خروجي هاي واحد صنعتي مورد مقايسه قرار گرفت. در نهايت نتايج توانستند به خوبي داده هاي صنعتي را با خطاي نسبي کل برابر با 1/0 پوشش دهند. به علاوه، رفتار پارامترهاي مختلفي از جمله دما و شدت جريان مولي در طول رآکتور مورد مطالعه قرار گرفت. گذشته از آن، تاثير دماي ورودي بر رفتار رآکتور بستر چکه اي مورد مطالعه قرار گرفت. در پايان، بازده رآکتور سه فازي بستر چکه اي تحت شرايط عملياتي مختلف سيال ورودي بررسي گرديد.
کلمات کليدي: رآکتور بستر چکه اي، هيدروژناسيون بوتادين، مدلسازي رياضي، مدل سينتيکي
فهرست مطالب
1-1معرفي مجتمع پتروشيمي جم2
1-1-1واحد كراكينگ6
1-1-2قسمت گـــــرم8
1-1-3كمپرسور9
1-1-4متان زدايي12
1-1-5اتان زدايي13
1-1-6جدا سازي برش سه كربني13
1-1-7جدا سازي برش چهار كربني14
1-2مقدمه اي بر رآکتورهاي بستر چکهاي18
1-2-1مقايسه با ساير رآکتورهاي سه فازي22
2-1مروري بر تحقيقات انجام شده در زمينهي مدلسازي رآکتور بستر چکهاي31
2-2مروري بر تحقيقات انجام شده در زمينهي سينتيک هيدروژناسيون بوتادين33
3-1شرح مدل رياضي37
3-1-1مراحل انتقال جرم و فرضيات حاکم37
3-1-2معادلات جرم و انرژي39
3-2خواص فيزيکي40
3-3معادلات سينتيکي43
3-3-1کاتاليست45
3-4حل عددي و روش بهينه سازي46
4-1ارزيابي مدل49
4-2نتايج51
4-2-1پروفيل دما در طول رآکتور55
4-2-2توزيع شدت جريان مولي اجزاي موجود در فاز مايع56
4-2-3توزيع شدت جريان مولي هيدروژن فاز گازي در طول رآکتور62
4-2-4توزيع مشخصههاي فيزيکي در طول رآکتور63
4-2-5بررسي تأثيرات تغيير دماي ورودي65
4-2-6تغييرات درصد تبديل و بازده تحت تأثير دما و شدت جريان ورودي68
5نتيجه گيري و پيشنهادات70

فهرست جداول
شماره صفحهعنوان19جدول 1- شرايط عملياتي و ترکيب نسبي اجزاء در ورودي رآکتور36جدول2- خلاصهاي از مقالات منتشر شده با موضوع مدلسازي سينتيکي هيدروژناسيون 1و3-بوتادين42جدول3- روابط فيزيکي مورد استفاده در مدلسازي رآکتور47جدول4- مشخصات کاتاليست پوسته-تخم مرغي مورد استفاده51جدول 5- مقادير متوسط Keq و ?G° در طول رآکتور براي واکنشهاي پيشنهادي51جدول 6- مقايسه بين نتايج مدلسازي و نتايج رآکتور صنعتي54جدول 7- ثوابت سرعت و عبارات دقيق سينتيکي به کار گرفته شده
فهرست شکلها و نمودارها
شماره صفحهعنوان6تصوير1- نمودار کندهاي واحد الفين دهم16تصوير 2- شمايي از نمودار جريان فرآيند واحد بوتان زدايي18تصوير 3- نمودار جريان فرآيند واحد هيدروژناسيون22تصوير 4- شمايي از يک رآکتور بستر چکهاي24تصوير 5- شمايي از يک رآکتور دوغابي ]17[27تصوير 6- شمايي از يک رآکتور ستون حبابي بستر آکنده ]17[39تصوير7- مراحل انتقال جرم براي الماني از رآکتور به طول ?Z44تصوير8- شبکهي واکنشهاي هيدروژناسيون 1و3-بوتادين47تصوير9- شمايي از کاتاليست پوسته-تخم مرغي53تصوير10- ميانگين سرعت واکنشها56تصوير 11- پروفايل دما در طول رآکتور57تصوير12- تغييرات شدت جريان مولي بوتادين نسبت به طول بدون بعد رآکتور58تصوير13- تغييرات شدت جريان مولي 1BE نسبت به طول بدون بعد رآکتور59تصوير 14- تغييرات سرعت واکنشهاي r9 و r7 و r1 در طول رآکتور60تصوير15- تغييرات شدت جريان مولي نرمال بوتان نسبت به طول بدون بعد رآکتور61تصوير 16- تغييرات سرعت واکنشهاي r11 و r10 و r9 و r8 در طول رآکتور62تصوير17- تغييرات شدت جريان مولي IB نسبت به طول بدون بعد رآکتور63تصوير18- تغييرات شدت جريان مولي IBA نسبت به طول بدون بعد رآکتور64تصوير19- تغييرات شدت جريان مولي هيدروژن گازي نسبت به طول بدون بعد رآکتور65تصوير20- تغييرات نفوذپذيري هيدروژن در طول رآکتور65تصوير21- تغييرات ويسکوزيته فاز مايع در طول رآکتور66تصوير 22- تأثير دماي ورودي بر دماي سيستم در طول بدون بعد رآکتور67تصوير 23- تأثير دماي ورودي بر شدت جريان مولي BD در طول بدون بعد رآکتور68تصوير 24- تأثير دماي ورودي بر شدت جريان مولي نرمال بوتان در طول بدون بعد رآکتور70تصوير25- شماي سه بعدي از درصد تبديل BD به عنوان تابعي از دما و شدت جريان مولي ورودي71تصوير26- شماي سه بعدي از بازده BA به عنوان تابعي از دما و شدت جريان مولي ورودي
فهرست نشانههاي اختصاري
نشانهتعريفواحدA_cسطح مقطع رآکتورm2Cغلظت موليmol.m-3C_pi^°ظرفيت گرمايي استاندارد جزئ iام در دماي استانداردj.mol-1.k-1d_pقطر ذرهي کاتاليستيmd_rقطر رآکتورmD_(l,H_2 )نفوذپذيري هيدروژن در فاز مايعm2.s-1Eانرژي فعالسازيj.mol-1Fشدت جريان موليmol.s-1G_i^°انرژي آزاد گيبس جزئ i ام در فشار استانداردj.mol-1G_0i^°انرژي استاندارد آزاد گيبس جزئ i ام در دماي استانداردj.mol-1hثابت هنريpa.m3.mol-1H_0i^°آنتالپي استاندارد توليد جزء i ام در دماي استاندارد j.mol-1kضريب نوسانمراجعه به جدول 8(ka)_glضريب حجمي انتقال جرم گاز-مايعs-1(ka)_lsضريب حجمي انتقال جرم مايع-جامدs-1K_eqثابت تعادلي-k_refضريب نوسان در دماي مرجعمراجعه به جدول 8Mوزن مولکوليgr.mol-1P_rفشار کاهش يافته-Rثابت جهاني گازهاJ.mol-1.K-1Reعدد رينولدز-r_jسرعت واکنشmol.s-1.kgcat-1Scعدد اشميت-s_pضريب شکل-TدماKT_rدماي کاهش يافته-T_refدماي مرجعKT_0دماي استانداردK15/298Uسرعت ظاهريm.s-1V_(H_2 )حجم مولي گاز هيدروژن در شرايط استانداردm3.mol-1Zطول ديفرانسيلي رآکتورm
نشانههاي اختصاري يوناني
نشانهتعريفواحد??G?^°تغيير انرژي آزاد گيبس در شرايط فشار استانداردj.mol-1??H?_(r_j )گرماي واکنش j امj.mol-1??H?_vگرماي تبخيرj.mol-1?_lماندگي مايع-?_iعدد استوکيومتري جزء iام-?_Bدانسيتهي بستر کاتاليستيkgcat.m3µويسکوزيتهkg.m-1.s-1?_(H_2 )حلاليت هيدروژن در مخلوطي از هيدروکربنهاm3.kg-1.pa-1?_lدانسيتهي فاز مايع در شرايط عملياتيkg.m-3?_20دانسيتهي فاز مايع در دماي 20 درجه سانتيگرادkg.m-3?پارامتر همبستگي-?حجم مولي در نقطهي جوش نرمالm3.mol-1
زيرنويسها و بالانويسها
iشمارندهي اجزاي شيمياييigگاز ايدهآلjشمارندهي واکنشهاgگازlمايعSجامدTکل
فصل اول
مقدمه
معرفي مجتمع پتروشيمي جم
صنعت پتروشيمي در ايران تحولات ودگرگوني هاي فراواني داشته است . تحولاتي كه اين صنعت عظيم را رفته رفته به صنعت اول كشور تبديل ميكند. صنعت پتروشيمي به عنوان يكي از منابع تامين نيازهاي بسياري از صنايع داخلي ، صدور وتوليد فرآوردههاي خود و منبع مهم ارزآوري و اشتغالزايي براي كشور ، از جايگاه ويژهاي برخوردار است . براين اساس در چهار چوب برنامه سوم توسعه اقتصادي كشور، طرحهاي پتروشيمي در منطقه ويژه اقتصادي انرژي پارس جنوبي پيش بيني شده است. طرح مجتمع الفين دهم (پتروشيمي جم) يكي از طرحهاي برنامه استراتژيك توسعه صنايع پتروشيمي كشور مي باشد.
اين مجتمع كه در منطقه ويژه اقتصادي انرژي پارس جنوبي قرار دارد شامل واحد هاي الفين، پلي اتيلن سبك خطي، پلي اتيلن سنگين، پلي پروپيلن هر كدام به ظرفيت 300 هزار تن در سال، واحد منواتيلن گلايكول به ظرفيت 400 هزار تن در سال و دي تري اتيلن گلايكول، جمعاً به ميزان 43 هزار تن در سال مي باشد.
ضمناً واحدهاي آلفا الفين به ظرفيت 200 هزار تن و واحد بوتادين به ظرفيت 130 هزار تن در سال، واحدهاي ديگر اين مجتمع مي باشد.
واحد الفين مجتمع پتروشيمي جم، با ظرفيت يك ميليون و320 هزار تن در سال اتيلن، در حال حاضر بزگترين واحد الفين جهان است. اين واحد كه به واحد كراكينگ نيز معروف ميباشد از قسمتهاي مختلفي تشكيل يافته است كه عبارتند از:
كوره هاي كراكينگ
قسمت گرم
كمپسور گاز، شستشو با كاستيك وخشك كردن
بازيابي اتيلن و متان زدايي
جداسازي برش دوکربنه
جداسازي برش سه کربنه
جداسازي برش چهار کربنه
سيستمهاي تبريد
سيستمهاي كمكي
مخازن محصول
خوراك واحد از قسمتهاي مختلف تهيه ميشود كه از طريق چندين خط لوله به واحد ارسال ميشود كه به سه دسته تقسيم مي گردد:
خوراك مايع از پنج خط تشكيل شده شامل:
رافينيت1 برشC5 ازمجتمع آروماتيك چهارم در دماي 45 درجه سانتيگراد و فشار 6 بار
C5+از مجتمع الفين نهم در دماي 50 درجه سانتيگراد و مينيموم فشار لازم 11 بار
LPG2 از آروماتيك چهارم در دماي 45 درجه سانتيگراد و فشار 16 بار
دو خط اتان يكي اتان تازه از پتروشيمي پارس (واحد استحصال اتان) وديگري از فازهاي 4و5 كه تحت فاز گازي ميباشد .اين خوراك به كورههاي گازي ارسال ميشود . دماي مورد نظر 35 درجه سانتيگراد و فشارمينيموم حدود 17 بار ميباشد.
يك جريان برش C3+از الفين نهم وارد ميگردد اين خوراك به قسمت جداسازي واقع در منطقه كمپرسور ارسال ميگردد. دماي مورد نظر 45 درجه سانتيگراد ومينيمم فشار 16 بار ميباشد.
خوراکهاي مايع از آروماتيک چهار با هم مخلوط شده و به ظرف ذخيره خوراک مايع ارسال ميشود. اين مخلوط بوسيله پمپ و پس از مخلوط شدن با پروپان برگشتي وبرشهاي چهار کربنه وLPG به پيشگرمکن خوراک مايع رفته و سپس به کوره ها ارسال ميشود.
پيش از توضيح واحدهاي مختلف موجود در الفين دهم نمودار کندهاي3 اين مجتمع به منظور درک بهتر توضيحات پيشرو ارائه ميگردد (تصوير1).
تصوير1- نمودار کندهاي واحد الفين دهم
واحد كراكينگ
كراكينگ فرآيندي است كه جهت شكستن هيدروكربنهاي سنگين و تبديل آن به هيدروكربنهاي سبك مورد استفاده قرار ميگيرد. كراكينگ ميتواند هم در فاز بخار و هم در فاز مايع-بخار انجام بگيرد. انواع كراكينگ كه در صنايع نفت مورد استفاده قرار ميگيرند عبارتند از:
كراكينگ حرارتي در حضور بخار آب: كراكينگ گرمايي هيدروكربنها در حضور بخار آب را گويند. در اين فرآيند بخار آب در جريان فرآيند بعنوان رقيق كننده خوراك4 ودر جهت بالا بردن كيفيت محصولات توليدي بكار رفته و وارد فرآيند واكنش نميشود. در واحد الفين از اين نوع كراكينگ استفاده ميگردد.
كراكينگ با بخار آب: زماني كه كراكينگ با حضور بخار آب بعنوان يكي از تركيب شوندگان صورت گيرد آن را كراكينگ با بخار آب گويند. اين نوع كراكينگ اغلب در حضور كاتاليزور اتفاق ميافتد.
كراكينگ گرمايي: اگر كراكينگ فقط در اثر حرارت انجام شود به آن كراكينگ گرمايي ميگويند .كه معمولاُ در محدودهي 400 الي 750 درجه سانتيگراد رخ ميدهد. براي مثال كراكينگ واكسهاي پارافيني در دماي 400 درجه سانتيگراد سبب بوجود آمدن الفينهاي خطي ميگردد.
كراكينگ كاتاليزوري: اگر كراكينگ در حضور كاتاليزور انجام گيرد به آن كراكينگ كاتاليزوري ميگويند. نمونه اي ازاين نوع كراكينگ، كراكينگ نفتا و توليد گاز سنتز ميباشد.
كراكينگ با هيدروژن : كراكينگ هيدروكربنها در حضور هيدروژن را ميگويند. در اين فرآيند از كاتاليزورهاي بخصوصي استفاده ميشود و عمليات كراكينگ در فشار بالا انجام ميشود. محصولات اين نوع كراكينگ اغلب تركيبات اشباع يا آروماتيكي ميباشد ودر الفينها از اين روش استفاده نميشود.
كور ه هاي كراكينگ5
يك كوره در صنايع نفت تشكيل شده از تجهيزاتي كه بوسيله آنها در داخل اتاقكي عايق شده،گرماي توليد شده توسط احتراق سوخت، به سيال فرآيند منتقل ميگردد. سيال فرآيند در داخل لولههايي جريان دارد كه معمولاً در امتداد جدارهها وسقف محفظه احتراق نصب گرديدهاند. عامل اصلي انتقال حرارت مكانيسم تشعشع6 ميباشد.
واحد الفين از يك سري كوره تشكيل يافته است كه به كوره هاي پيروليز معروف هستند. كورهها قلب واحد اتيلن ميباشد كه در اين بخش تمام محصولات واحد توليد ميشود ودر قسمتهاي ديگر جداسازي وخالصسازي ميشوند.
گرماي لازم براي پيروليز واكنشها، كه از طريق ديوارهي كويلها جذب آنها ميشود از احتراق سوخت و هوا كه گاز سوختي7 ناميده ميشود، بدست ميآيد. گرماي تهيه شده كويلهايي راكه قسمت تشعشعي جعبهي آتش8 قرار دارند را در معرض حرارت قرار ميدهد.
از درجه حرارت جعبهي آتش كه بسيار بالا ميباشد مقدار زيادي براي استفاده در قسمت جابجايي9 كورهي پيروليز استفاده ميشود گرماي توليدي در قسمت جابجايي براي منظورهاي زير بكار ميرود:
پيش گرم كردن جريانهاي فرآيند (خوراك هيدروكربني وبخار رقيق كننده)
پيشگرم كردن آب مخصوص توليد بخار10 براي توليد بخار با فشار بالا
فوق اشباع كردن11 بخار فشار بالا
براساس ظرفيت طراحي قسمت كوره شامل كورهي پيروليز براي توليد اتيلن ميباشد كه به سه دسته تقسيم مي شوند:
كورههاي گازي كه فقط خوراك اتان مصرف ميكنند.
كورههاي مايع-گاز كه خوراك مايع واتان مصرف ميكنند.
كورههاي مايع كه خوراك مايع مصرف ميكنند.
قسمت گـــــرم12
با توجه به دماي بالاي گازهاي حاصل از عمليات کراکينگ در کورهها، که در دماي بين860 تا 870 درجه سانتيگراد رخ ميدهد، کاهش سريع دماي گاز خروجي بسيار با اهميت است. چرا که در صورت بالا ماندن دما تا مدتي واکنشهاي جانبي اتفاق ميافتد که نتيجهي آن تشکيل پليمر از مونومرهاي موجود در دماي بالا ميباشد. به همين دليل تنظيم زمان ماند مناسب در کويل کورهها و کاهش سريع دما براي حفظ محصولات دلخواه بسيار مهم ميباشد. جهت اين کار در خروجي گاز از کورهها مبدل حرارتي وجود دارند که با آب مخصوص توليد بخار کار ميکنند. اين مبدلها به مبدلهاي انتقالي خط13 معروفند که به صورت سري در سه مرحله دماي گاز خروجي از کورهها را از 850 به 150 درجه سانتيگراد کاهش ميدهند. تنظيم زمان ماند که از پارامترهاي مهم ديگر ميباشد بر عهدهي کمپرسور گاز شکسته شده ميباشد که در بخش بعد به آن اشاره ميشود.
در مرحلهي بعد گاز خروجي از مبدلها ميبايست تا دماي 40 درجهي سانتيگراد خنک گردد تا آمادهي ورود به بخش کمپرسور باشد. اين عمليات در دو برج مجزا انجام ميشود. گاز خروجي از کورههاي گازي به برج فرونشانندهي14 دماي گازي وارد شده و با آب تبادل حرارت ميکند. آب کاهش دهندهي دما در اين تاور از يک چرخهي بسته با همين عنوان تغذيه ميگردد. علاوه بر کاهش دما مقداري بنزين پيروليز نيز در اين بخش جدا ميشود که در چرخهي آب کاهندهي دما15 وارد شده و در آنجا با تفاوت چگالي و ثقل از سيستم آب در درامهاي مخصوص استحصال ميگردد.
كمپرسور
كمپرسور گاز كــراكينگ
قسمت كمپرسور گاز كراكينگ به منظور بهينه كردن همزمان پارامترهاي زير طراحي شده است:
كمترين فشار ورودي جهت رسيدن به راندمان بهتر عمل كراكينگ
نسبت كمپرس پائين به منظور به حداقل رساندن نيروي مصرفي كمپرس كردن و به همين منظور حداقل كردن دماي خروجي (تمايل به گرفتگي پائين)
فشار خروجي مرحله نهائي كه نتيجهي آن فشار هيدروژن توليدي وبازيابي اتيلن در قسمت تبريد ميباشد.
كمپرسور از نوع سانتريفيوژ پنج مرحلهاي ميباشد كه داراي سه محفظه16 است و بوسيله توربين بخار كه از بخار فشار بالا استفاده ميكند به حركت در ميآيد. فشار ورودي به كمپرسور بوسيله تغيير در دور توربين كنترل ميشود.
در وروديهاي پنج مرحله به منظور اجتناب از بالا رفتن دماي خروجي و همچنين كاهش گرفتگي بوسيلهي پليمريزاسيون، سيستم ترزيق آب خوراک ديگ بخار17 در نظر گرفته شده است.
گاز كراك در اولين، دومين و سومين مرحلهي كمپرسور تا فشار 9/11 بار كمپرس ميشود. گاز در خروجي هر يک از مراحل کمپرسور خنک ميشود. سپس به جدا كنندههاي ميان مرحلهاي ارسال ميشود. جدا كنندههاي ميان مرحلهاي با راندمان بالا براي جدا كردن مه18 تجهيز شده اند. در ظرف ورودي سومين مرحله، سه فاز از هم جدا ميشوند: گازهاي كراكينگ، هيدروكربنهاي مايع و آب چرب19، گاز كراكينگ از سومين مرحلهي كمپرسور به قسمت جداسازي براي حذف اسيد از گاز كه شامل دي اكسيد كربن و سولفيد هيدروژن ميباشد ارسال ميگردد. گاز پس از شيرين شدن به درام ورودي مرحلهي چهارم ارسال ميشود تا از حمل هر گونه كاستيك به داخل كمپرسور اجتناب گردد. گاز در مرحلهي چهارم كمپرس ميشود و در كولر خروجي مرحلهي چهارم تا 45 درجه سانتيگراد خنك ميشود. سپس به درام ورودي مرحلهي پنجم كه جدا كنندهاي سه فازي ميباشد ارسال ميگردد. فشارگاز در مرحلهي پنجم پس از كمپرس شدن آن به 6/35 بار ميرسد. در نهايت گاز تا 15 درجه سانتيگراد سرد ميشود و در اين دما به خشككنهاي گاز كراكينگ ارسال ميشود.
حذف گازهاي اسيدي
گاز كراك كه از قسمت گرم ميآيد شامل دي اكسيد كربن وسولفيد هيدروژن ميباشد که به گازهاي اسيدي معروفند. اين تركيبات بايد قبل از فرآيند تبريد و سرد سازي حذف شوند . دي اكسيد كربن در حالت جامد به شكل يخ خشك در ميآيد وهيدراتها وH2S سم كاتاليست محسوب ميشوند. دي اكسيد كربن در محصول نهائي اتيلن تا ppm 1/0كاهش داده ميشود.
براي حذف گازهاي اسيدي، گاز كراكينگ به برج شستشو با كاستيك20 كه بين سومين وچهارم مرحلهي كمپرسور قرار دارد ارسال ميگردد تا جداسازي گازهاي اسيدي اتفاق بيفتد.
قبل از اينكه جريان به برج شستشو با كاستيك برود گاز كراك بوسيلهي بخار فشار پائين در حدود 4 درجه سانتيگراد درسه قسمت بوسيلهي ژاكت حرارتي سوپر هيت ميشود. اين عمل لازم است تا از تشكيل هيدروكربن مايع اجتناب شود تا در تماس با محلول كاستيك منجر به تشكيل پليمر نگردد. برج شستشو با كاستيك به دو قسمت شستشو با كاستيك (از نوع بستر آکنده) و يك قسمت شستشو با آب كه بصورت سيني ميباشد، مجهز شده است. بستر آکنده براي اين برج به اين جهت در نظر گرفته شده است تا ميزان افت فشار حداقل گردد واز خالص سازي CO2 خروجي مراقبت شود.
خشك كردن گاز كراكينگ
گاز خنك خروجي از پنجمين مرحلهي کمپرسور پس از خروج از آخرين درام به خشك كنهاي گاز كراك بستر ثابت فرستاده ميشود. در اين واحد سه برج خشککن تعبيه شده که همواره دوتاي آنها در حال عمليات و يكي در حالت احيا ميباشند. در حين عمليات خشك كردن گاز كراك از بالا به پائين جريان پيدا ميكند و در قسمت پائين حجم آب در گاز به كمتر از ppm 1 ميرسد. هر خشك كن براي 48 ساعت اجرا طراحي شده است.
احياي خشك كنها با گاز سوختي فشار پايين انجام ميپذيرد و روش احيا شامل مراحل زير ميباشد:
كاهش فشار از 6/34 بار به فشار احيا برابر با 5/6 بار
جريان يافتن گاز احيا در بستر در 60 درجه سانتيگراد
گرم كردن: گاز احيا تا 220 درجه سانتيگراد در گرمکن گاز احيا كه با بخار فشار بالا عمل ميكند گرم ميشود.
خنك كردن: خشككن توسط گاز احيا در 60 درجهي سانتيگراد خنک ميشود و دماي آن نهايتاً به 48 درجه سانتيگراد ميرسد.
فشار گيري21
متان زدايي
هدف از جداسازي مورد نظر در اين بخش عبارتند از :
مصرف انرژي اندك
انعطاف پذيري در تمام حالات طراحي
ميزان توليد اتيلن بالا
سرمايه گذاري اندك
توانايي بالا
توليد اتيلن وتركيبات سنگينتر از گاز كراك شده بوسيلهي كندانس كردن در خنك كنندههاي متوالي، بوسيلهي متانزدايي در دو ستون به هم وابسته انجام ميپذيرد.
متانزدايي اوليه كه بوسيلهي جداسازي مايعات از گاز كراكينگ در دماي 34- درجه سانتيگراد ميباشد.
متانزدايي ثانويه بوسيلهي كندانسهاي با دماي پايينتر وبخار تقطير شده متانزدايي اوليه.
براي اينكه ميزان سرما در اين قسمت مينيموم شود بايد پارامترهاي زير را بهينه کرد:
خوراك مخصوص هر متانزدا
فشار عملياتي در دو ستون (13 بار)
فشار گاز كراكينگ ورودي به هر قسمت (5/34 بار)
همچنين در دو برج متانزدايي عمليات اصلي جداسازي متان از ترکيبات دوکربني به بالا انجام ميگردد. قسمتي از متان و هيدروژن به بخش توليد گاز سوخت کوره ارسال ميگردند و مقداري از اين ترکيب پس از سرد شدن تا دماي 165- درجه سانتيگراد و فشار 33 بار و مايع شدن بخش عمدهي متان آن، جهت توليد هيدروژن به واحد بازيابي هيدروژن ارسال ميگردد. مايعاتي که در پايين برجهاي متانزدا جمع شدهاند و شامل مقادير عمدهاي از اتيلن هستند، جهت توليد اتيلن به وسيلهي دو پمپ مجزا به واحد توليد و استحصال اتيلن ارسال ميگردند.
اتان زدايي
دو جريان جدا شده از قسمت پايين متانزداي اوليه و ثانويه خوراك برج اتانزدايي را تشكيل ميدهند. شرايط عملياتي برج در بالا فشار 9/25 بار و دماي6/11- درجه سانتيگراد و در پائين دماي 82 درجه سانتيگراد و فشار 3/26 بار ميباشد. ريبويلر برج اتانزدا بوسيلهي بخار فشار پائين عمل ميكند. در ريبويلر به دليل تشكيل پليمر ميزان انتقال حرارت كاهش و فلاكس حرارتي محدود ميگردد . براي اين منظور برج با ريبويلر يدكي تجهيز شده و به آن مادهي ضد پليمريزاسيون22 تزريق ميگردد.
بخار تقطير شده شامل اتان، اتيلن و استيلن و تركيبات اصلي كه از بالاي برج خارج ميشوند به سمت راكتورهاي هيدروژناسيون برش دو کربنه فرستاده ميشوند. همچنين محصول پاييني برج تحت كنترل سطح به برج پروپانزدا ارسال ميشود.
جدا سازي برش سه كربني
برشC3 جدا شده به برج پروپانزدا وارد ميشود. اين برج داراي 50 عدد سيني با ظرفيت بالا ميباشد که خوراك آن محصول پائيني برج اتانزدا ميباشد. فشار عملياتي در بالا 8/6 بار و دما 4/6 درجه سانتيگراد است ودماي عملياتي در پائين در حدود 75 درجه سانتيگراد و فشار 1/7 بار ميباشد.
ريبويلر پروپانزدا بوسيلهي بخار فشار پائين عمل ميكند و يك ريبويلر يدكي نيز براي آن در نظر گرفته شده است. دماي ريبويلر بر اساس دماي سيني41 كنترل ميشود و محصول پاييني تحت كنترل سطح به بوتانزدا ارسال ميگردد.
جدا سازي برش چهار كربني
از آنجا که مرکز توجه اين نوشتار، واحد هيدروژناسيون بوتادين ميباشد کوشش شده تا بخش پيش رو با جزئيات بيشتري توضيح داده شود.
بوتان زدايي
محصول پاييني از پروپانزدا براي جداسازي برش C4 وارد بوتانزدا (10-T-651) ميگردد. فشار عملياتي در بالا 3/5 بار و دما 3/47 درجه سانتيگراد ميباشد. دماي پايين در حدود 128 درجه سانتيگراد ميباشد.
فشار بوتانزدا بوسيله دماي مبدل حرارتي (10-E-652) كنترل ميشود. فشار اضافي بوسيلهي ارسال بخارات از ظرف رفلاكس (10-D-651) به سيستم سوخت گازي، كنترل ميشود.
پمپهاي برگشت جريان(10-P-651 A/B) براي تهيه رفلاكس ستون در نظر گرفته شده است . نرمال رفلاكس در حدود 3/25 تن در هر ساعت ميباشد.
ريبويلر بوتانزدا10-E-651 با بخار فشار پايين عمل ميكند تا مينيموم گرفتگي در آن بوجود آيد. بنزين سبك23 در كولر10-E-653 تا 45 درجه سانتيگراد خنك ميشود وبه مخازن براي صادرات تحت كنترل سطح ارسال ميشود.
پمپهاي برش (10-P-653A/B) C4 براي خوراك قسمت هيدروژناسيون برش C4 در نظر گرفته شده است.
قسمت هيدروژناسيون تحت كنترل جريان از ظرف رفلاكس خوراك داده ميشود. اين عمل براي كاهش نوسان در جريان خوراك قسمت هيدروژناسيون انجام ميپذيرد.
شمايي از نمودار فرآيند اين واحد در تصوير نشان داده شده است:
تصوير 2- شمايي از نمودار جريان فرآيند واحد بوتان زدايي
هيدروژناسيون برش C4
برش C4 كه غني از بوتادين (42 درصد وزني) ميباشد در مجتمع الفين دهم ارزش ندارد. از اين رو بعد از هيدروژناسيون به كورههاي كراكينگ برگشت داده ميشود.
رآکتور هيدروژناسيون برش چهار کربنه (10-R-6810) داراي فشار 3/28 بار در ورودي رآکتور ميباشد و دماي آن در شرايط ابتدايي و انتهايي عملکرد آن به ترتيب 60 و 80 درجه سانتيگراد ميباشد. برش چهار کربنهي خام خروجي از واحد بوتان زدايي ابتدا با جريان برگشتي حاوي برش چهار کربنهي هيدروژنه شده ترکيب ميشود. اين کار به منظور کاهش واکنشپذيري برش چهار کربنه از طريق کاهش ترکيبات غير اشباع صورت ميپذيرد. به علاوه اين موضوع سبب افزايش سرعت جريان در ورودي رآکتور و همچنين محدود شدن افزايش دما در طول بستر کاتاليستي ميشود]1[.
هيدروژن خوراک ديگري است که به رآکتور وارد ميشود. نسبت خوراک به هيدروژن ورودي تابعي از درصد نسبي اجزاي غير اشباع موجود در خوراک ميباشد. بدين منظور بر روي دو جريان خوراک و جريان برگشتي يک آنالايزر تعبيه شده است که غلظت خوراک ورودي و نسبت خوراک به هيدروژن را به طور مرتب بررسي ميکند. پس از آن مخلوط خوراک به بالاي رآکتور تزريق ميشود و با حرکت از روي بستر کاتاليستي به سمت پايين برج حرکت ميکند.
برش چهار کربنهي هيدروژنه شده سپس به درام جريان برگشتي 10-D-683 فرستاده ميشود که در آنجا جداسازي گاز-مايع اتفاق ميافتد. فاز سبک و فشار بالاي خروجي از اين درام به طور نسبي در کندانسور 10-E-681 و توسط آب خنک کننده به طور جزئي ميعان ميشود. هيدروکربنهاي مايع شده از انتهاي درام 10-D-681 خارج ميشوند و دوباره به درام 10-D-683 برگشت داده ميشوند. برش چهار کربنهي هيدروژنه شده توسط پمپهاي 10-P-682 A/B و تحت کنترل شدت جريان از درام 10-D-683 خارج ميشوند. محصول خالص خروجي از بخش هيدروژناسيون تحت کنترل سطح به درام گاز زداي 10-D-682 فرستاده ميشود. در آنجا محصول به طور نسبي پايدار ميشود. پمپهاي 10-P-681 A/B به منظور تغذيهي برش چهار کربنهي هيدروژنه شده به ورودي کورهها تعبيه شده اند. نمودار جريان فرآيند در تصوير 3 نمايش داده شده است. همچنين خلاصهاي از شرايط عملياتي و ترکيب نسبي اجزاء در ورودي رآکتور در جدول 1 گردآوري شده است.
تصوير 3- نمودار جريان فرآيند واحد هيدروژناسيون
جدول 1- شرايط عملياتي و ترکيب نسبي اجزاء در ورودي رآکتورپارامترمقدارسرعت جرمي جريان خوراک (T/h)22سرعت جرمي جريان برگشتي (T/h)909سرعت جرمي جريان هيدروژن (T/h)72/0سرعت جرمي جريان 681 (T/h)519/1سرعت جرمي جريان 682 (T/h)22دماي ورودي (K)35/332فشار ورودي (bar)28افت فشار (bar)6/4اجزاءترکيب مولي در برش چهارکربنه (%)BD27/42BA76/171BE78/8tBE46/3cBE43/2IBA27/4IB35/17ساير اجزاء68/3
مقدمه اي بر رآکتورهاي بستر چکهاي:
رآکتورهاي بستر چکهاي تجهيزاتي هستند که به منظور تماس سه فاز جامد، مايع و گاز طراحي شدهاند]6-2[. تاريخچهي اين دسته از رآکتورها به ابتداي دههي هيجده ميلادي باز ميگردد که بيشترين کاربرد آن در زمينهي تصفيهي فاضلاب بود. کمي پس از آن به علت مزاياي منحصر به فرد اين دسته از رآکتورها براي فرآيندهاي با حجم بالا، اين تجهيزات کاربردهاي متنوعي در صنايع مختلفي همچون صنايع شيميايي و پتروشيمي پيدا کردند ]8-4[. واکنشهايي که در اين دسته از رآکتورها به طور موفق انجام ميپذيرد عبارتند از واکنشهاي هيدرو دي سولفوريزاسيون24، هيدرو دي نيتروژناسيون25، هيدروژناسيون26، اکسيداسيون27، آلکيلاسيون28 و کلريناسيون29 ]12-9و2[.
رآکتورهاي بستر چکهاي خانوادهاي از رآکتورها ميباشند که درآنها واکنشگرهاي فاز مايع و گاز از روي بستري از ذرات کاتاليستي جامد و در جهت رو به پايين عبور داده ميشوند. البته فاز گازي ميتواند در هر دو جهت رو به بالا و رو به پايين حرکت کند اما فاز مايع همواره در جهت رو به پايين از روي بستر کاتاليستي چکه30 ميکند. به طور معمول ذرات کاتاليستي به صورت تصادفي در بستر آکنده بارگذاري ميشوند و ميزان بارگذاري کاتاليست در اين دسته از رآکتورها بيشتر از ساير رآکتورهاي چندفازي ميباشد. اغلب واکنشهايي که در اين رآکتورها انجام ميشود از نوع گرمازا ميباشد و انرژي آزاد شده توسط واکنشها به وسيلهي جريان اجزاي گاز و مايع منتقل ميشود. مديريت انرژي آزاد شده به منظور جلوگيري از اثرات نامطلوب آن بر بستر کاتاليستي همواره يکي از دغدغههاي مهندسين طراح در بهينه کردن بازده رآکتور بوده است]6-2[.
بازده کلي رآکتورهاي بستر چکهاي به عوامل متعددي بستگي دارد که در زير به چند مورد آن اشاره ميکنيم:
خصوصيات بستر کاتاليستي شامل چيدمان رآکتورها، تخلخل، سايز ذرات و ضخامت لايهي پوشش دهندهي کاتاليست
توزيع نامناسب جريان31
خيسشوندگي ذرات کاتاليستي
سرعتهاي محلي انتقال جرم و انتقال حرارت
سرعتهاي انتقال جرم و انتقال حرارت درون ذرهاي32
سينتيک واکنش
چيدمان بستر کاتاليستي و خواص آن ميتواند هيدروديناميک جريان سيال و به تبع آن سرعتهاي انتقال محلي، خيس شوندگي و اختلاط فازها را تحت تأثير قرار دهد ]13[.
همانگونه که پيش از اين نيز اشاره شد، در رآکتورهاي بستر چکهاي فاز مايع و گاز به طور معمول در جهت رو به پايين از روي بستر کاتاليستي عبور ميکنند. شمايي از يک رآکتور بستر چکهاي در تصوير 4 نمايش داده شده است. در اين رآکتورها فاز مايع و گاز از طريق يک توزيع کنندهي33 مناسب به بستر رآکتوري تزريق ميشوند. توزيع مناسب اين دو فاز ميتواند کارآيي رآکتور و بازده انتقال حرارت را تحت کنترل قرار دهد ]13[.
يکي از نگرانيهاي عمده در عملکرد اين گونه از رآکتورها کنترل دماي بستر کاتاليستي ميباشد. در برخي موارد جريانهاي مايع و يا گاز خروجي از سيستم به ابتداي رآکتور برگشت داده ميشوند. اين کار سبب کنترل دما از طريق افزايش سرعت مؤثر سيال34 ميگردد و به علاوه سبب ميشود تا بتوان به درصد تبديل دلخواه دست يافت]13[.
تصوير 4- شمايي از يک رآکتور بستر چکهاي]11[
مقايسه با ساير رآکتورهاي سه فازي
تماس سه فاز جامد، مايع و گاز ميتواند در رآکتورهاي دوغابي35]15و14[، راکتورهاي حلقهاي اجکتوري36، رآکتورهاي بستر سيالي سه فازي37، رآکتورهاي ستون حبابي بستر آکنده38 ] 16[ و رآکتورهاي بستر چکهاي صورت پذيرد. سايز ذرات کاتاليستي در اين رآکتورها بسيار کوچکتر از رآکتورهاي بستر چکهاي است.
در رآکتوهاي دوغابي از چندين پره چرخان به منظور ايجاد تماس مناسب بين سه فاز استفاده ميشود. به علت محدديت اين دسته از رآکتورها در ميزان بارگذاري کاتاليست و مشکلات مکانيکي مرتبط با بخشهاي متحرک آن، کاربرد رآکتورهاي دوغابي به واکنشهاي نسبتاً سريع (که نياز به کاتاليست کمتري دارند)، عمليات فشار پايين و فرآيندهاي با حجم متوسط محدود ميشود] 13[.
شمايي از رآکتور دوغابي را در تصوير زير ميبينيد.
تصوير 5- شمايي از يک رآکتور دوغابي ]17[
اين رآکتورها داراي مزايايي نسبت به رآکتور بستر چکهاي ميباشند که عبارتند از] 21-18[:
ظرفيت حرارتي بالا به منظور کنترل دمايي مناسبتر
بازيابي آسان حرارت
سازگاري با فرآيندهاي پيوسته و ناپيوسته
افت فشار بسيار کمتر
چنانچه عمر کاتاليست کوتاه باشد به راحتي ميتوان آن را از محيط خارج کرد و با کاتاليست تازه جايگزين نمود.
حذف مداوم اجزاي جامد توليد شده توسط واکنش
امکان انجام عمليات در ضرايب تأثير پذيري39 نزديک به يک
مقاومت خارجي انتقال جرم کمتر با توجه به سرعت هم زدن بالا
همچنين معايب آنها نسبت به رآکتور بستر چکهاي نيز به شرح زير ميباشد ] 21-18[:
الگوي توزيع زمان ماند بسيار مشابه رآکتور همزدهي پيوسته ميباشد که مانع از دستيابي به درصد تبديل بالا ميشود مگر زماني که دماي عملياتي افزايش يابد.
توليد ذرات ريز در اثر سايش کاتاليست
جداسازي کاتاليست توسط ميتواند مشکلاتي از قبيل انسداد فيلترها، نياز به زمان عمليات بيشتر و نياز به هزينههاي بيشتر به منظور تهيهي فيلترها را به مجموعهي عملياتي تحميل کند.
مصرف بيشتر کاتاليست در مقايسه با رآکتورهاي بستر ثابت
مشکل بودن افزايش مقياس رآکتور
نسبت بالاي مايع به جامد که سبب افزايش واکنشهاي جانبي همگن ميشود
راکتورهاي حلقهاي اجکتوري دستهاي ديگر از رآکتورهاي سه فازي ميباشند که به علت استفاده از مبدل گرمايي خارجي براي واکنشهاي به شدت گرمازا مفيد هستند. با اين حال اين دسته از رآکتورها نيز از مشکل محدوديت ميزان بارگذاري کاتاليست رنج ميبرند]13[.
رآکتورهاي بستر سيالي امکان بارگذاري حجم بيشتري از کاتاليست ها را در اختيار ميگذارند. اين دسته از رآکتورها ساختار سادهاي دارند، از قطعات متحرک ساخته نشدهاند و ميتوانند از نسبت حجمي جامد برابر با عدد 30-20 درصد استفاده کنند. اين رآکتورها سبب به وجود آمدن تماس عالي بين فازهاي مختلف ميشوند و امکان انتقال حرارت و انتقال جرم مناسبي را فراهم ميآورند. زمان ماند40 در اين رآکتورها را ميتوان به راحتي تنظيم کرد. از اين رو اين رآکتور براي واکنشهاي کندتر که احتياج به حجم بيشتري از کاتاليست را دارند مناسب خواهد بود. براي واکنشهايي که سينتيک آرامتري دارند و در نتيجه احتياج به بارگذاري بيشتري از کاتاليستها ميباشد (بيش از 30 درصد ) رآکتورهاي بستر چکهاي و ستون حبابي بستر آکنده گزينه هاي مناسبي ميباشند.
در رآکتورهاي ستون حبابي بستر آکنده فاز گاز و مايع از ميان بستري از جامدات آکنده که به طور کامل با فاز مايع پر شدهاند عبور ميکند. در يک عمليات جريان حبابي، يک فاز مايع پيوسته به همراه يک فاز گازي ناپيوسته که به فرم حبابي در اين بستر در حال جريان است به صورت همسو به سمت بالاي رآکتور حرکت ميکنند. شمايي از اين نوع رآکتورها در تصوير 6 نمايش داده شده است. اين عمليات براي مواردي که واکنشگر مايع با مقدار کمي از واکنشگر فاز گازي واکنش ميدهد و يا زماني که لازم است مايع زمان ماند بيشتري داشته باشد (به منظور دستيابي به درصد تبديل بيشتر) مناسب ميباشد. به علاوه، کاتاليستها همواره توسط فاز مايع به طور کامل خيس شدهاند و هيچگونه تماس مستقيمي بين فاز گاز و جامد برقرار نيست ]17[. برخلاف رآکتورهاي حبابي، شرايط متفاوتي در رآکتورهاي بستر چکهاي حاکم است. در رآکتورهاي بستر چکهاي فاز مايع به عنوان فاز پراکنده يا فاز شبه پيوسته عمل ميکند و عنوان فاز پيوسته به فاز گازي تعلق ميگيرد. از اين رو رآکتورهاي بستر چکهاي براي واکنشهاي کند که احتياج به کاتاليست بيشتري دارند و همينطور براي مواردي که نياز به تماس مستقيم بين دو فاز جامد و گاز باشد به خوبي عمل ميکنند. اين رآکتورها نسبت به رآکتورهاي ستون حبابي بستر آکنده افت فشار کمتري ايجاد ميکنند و با مشکل اختلاط معکوس41 مواجه نيستند.
فرآيند حبابي همچنين براي زماني که نسبت قطر رآکتور به قطر کاتاليست نسبتاً کوچک باشد مناسب است چرا که تماس فاز مايع با کاتاليست در اين رآکتور بيشتر از رآکتور بستر چکهاي است ]17[.
تصوير 6- شمايي از يک رآکتور ستون حبابي بستر آکنده ]17[
در مقايسه با ستون حبابي خالي، ستون داراي بستر آکنده داراي اين مزيت است که بتواند اختلاط معکوس و همينطور به هم پيوستگي42 حبابهاي گازي را به طور چشمگيري کاهش دهد. به علاوه، ضريب انتقال حرارت در اين رآکتور نسبت به رآکتور بستر چکهاي داراي مقدار بيشتري است ]22[.
براي واکنشهايي که فاز مايع فاز محدود کننده ميباشد، جريان رو به بالا داراي ارجحيت است چرا که اين شيوهي جريان موجب ميشود تا سطح کاتاليست به طور کامل خيس شود و مايع با سرعت بيشتري به کاتاليست برسد ]23[.
تحت شرايط يکسان از لحاظ واکنش شيميايي، در صورتي که بستر کاتاليستي کم عمق باشد جريان رو به بالا ميتواند درصد تبديل بالاتري را فراهم آورد ]17 [.
در سيتمهاي جريان رو به بالا، اجزاي داراي نقطهي جوش پايين که عمدتاً فعالتر نيز ميباشند به فاز بخار ميروند و سريعتر از اجزاي داراي نقطهي جوش بالا جارو ميشوند ]24[.
زماني که هر دو جريان گاز و مايع به سمت بالا حرکت ميکنند به خصوص زماني که شرايط هيدروديناميکي جريان حبابي غالب باشد، توزيع نامناسب مايع و يا خيس شوندگي ناقص کاتاليست داراي اهميت زيادي نخواهند بود ]17[.
مزاياي اين دسته از رآکتورها نسبت به رآکتور بستر چکهاي شامل موار زير ميباشد ]27-22[:
ماندگي بيشتر مايع نسبت به جريان رو به پايين
خيسشوندگي بهتر
پايداري گرمايي بيشتر براي واکنشهاي به شدت گرمازا
توزيع بهتر مايع در طول بستر کاتاليستي
بالاتر بودن مقادير ضريب انتقال جرم مايع-جامد و گاز-مايع
زمان ماند بيشتر
چنانچه کاتاليست به علت تهنشيني مواد قيري و پليمري در معرض غيرفعال شده باشد جريان رو به بالا از طريق شستشوي مؤثر رسوبات قادر است مدت زمان فعاليت کاتاليست را افزايش دهد.
در سيستمهايي که واکنش به شدت سريع و گرمازاست، انتقال حرارت بين فاز مايع و جامد مؤثرتر است.
براي واکنشهايي که فاز مايع محدد کننده است مناسب ميباشد.
همچنين موارد زير از جمله معايب اين رآکتورها نسبت به رآکتورهاي بستر چکهاي تلقي ميشوند ]27-22[:
در دما و فشار ثابت با افزايش سرعت جريان گاز-مايع درصد تبديل سولفور، فلزات و ترکيبات آسفالتين کاهش مييابد.
اگرچه درصد تبديل سولفور در حالت جريان رو به بالا همواره بيشتر از جريان رو به پايين است اما سرعت کاهش درصد تبديل در گذر زمان در حالت جريان رو به بالا بيشتر است.
نياز به پمپهاي بيشتر و قويتر به منظور غلبه بر ارتفاع هيدروستاتيک مايع.
نياز به طراحيهاي ويژه به منظور جلوگيري از سياليت بستر کاتاليستي
به وجود آمدن ناحيهي ايستا43 درون بستر کاتاليستي
پراکندگي محوري44 بيشتر در مقايسه با جريان رو به پايين
يکي از مزاياي رآکتورهاي بستر چکهاي سهولت عملکرد آن تحت شرايط دمايي و فشاري بالا که در اکثر رآکتورهاي صنعتي برقرار است ميباشد. در اين رآکتورها بازهي وسيعي از سايز ذرات را ميتوان به کار گرفت (از حدود 5/0 ميليمتر تا 12-8 ميليمتر). براي ذرات کوچکتر افت فشار بيشتر است. از سوي ديگر، براي ذرات بزرگتر سرعت واکنش توسط انتقال جرم و حرارت درون ذرات کاتاليست محدود ميشود. در مقايسه با ساير رآکتورهاي جريان سه فازي، امکان به وجود آمدن جريان قالبي45 در رآکتورهاي بستر چکهاي بيشتر ميباشد. در نتيجه امکان دستيابي به درصد تبديل و انتخابگري بالاتر محتملتر است. به علت کمتر بودن ماندگي مايع46، واکنشهاي جانبي همگن حداقل خواهند بود. همچنين به علت جريان کمتر مايع، عواملي همچون خيسشوندگي جزئي47 و توزيع غير يکنواخت مايع ميتوانند منجر به کاهش بازده کلي عملکرد رآکتور گردند]28و10و9و5و4 [.
به علاوه، خيسشوندگي جزئي سبب تسريع واکنشهاي جانبي فاز گازي و به وجود آمدن نقاط داغ ميشود. در عين حال ميتوان از طريق استفاده از خنک کنندهي مياني48 و يا استفاده از جريان برگشتي بر اين مشکل فائق آمد.
فصل دوم
مروري بر تحقيقات گذشته
مروري بر تحقيقات انجام شده در زمينهي مدلسازي رآکتور بستر چکهاي
در سال 2003، برسا و همکاران49 مطالعهاي آزمايشگاهي به منظور محاسبهي معادلات سينتيکي مربوط به هيدورژناسيون اجزاي برش C3 و C4 انجام دادند. آنها از نتايج به دست آمده براي مدلسازي رياضي يک بعدي و يک رآکتور ثابت استفاده کردند. به منظور مدلسازي رآکتور جريان رو به بالاي50 مورد مطالعه، از فرض خيس شوندگي کامل51 و عدم وجود پراکندگي محوري52 استفاده شد. نتايج مدلسازي نشان داد که افزايش دما فاکتوري اساسي در تعيين بازده رآکتور ميباشد]29[. در همان سال، گروه تحقيقاتي دايتز و همکاران53 از مدل پاياي 54 يک رآکتور بستر چکهاي به منظور بررسي هيدروژناسيون متوالي 1و5و9-سيکلو دودکاتريان پرداختند. آنها در تحقيق خود از يک مدل غير هم دماي ناهمگن55 استفاده کردند و خيس شوندگي56 جزئي کاتاليست و مقاومتهاي انتقال جرم و حرارت در برابر سطح مشترک گاز- مايع، مايع- جامد و جامد- گاز را در نظم گرفتند]29[.
کمي پس از آن و در سال 2004، لينج و همکارانش57 به بررسي آزمايشگاهي و تئوري هيدروژناسيون آلفا ميتل استايرن توسط رآکتور بستر چکهاي آزمايشگاهي تحت عمليات تناوبي اجباري58 پرداختند. بدين منظور آنها از يک مدل پراکندگي محوري گسترش يافته که تغييرات خيس شوندگي جزئي سطح کاتاليست را هم در نظر ميگيرد استفاده کردند، نتايج نشان داد که در حالت عمليات اجباري درصد تبديل آلفا ميتل استايرن بيشتر از حالت پايا ميباشد.



قیمت: تومان


پاسخ دهید