بخشی از مقاله
چکیده:
گاز سنتز که از CO و H2 تشکیل شده است، یک واسطهی مهم است که از آن در تولید آمونیاک، متانول، هیدروژن و ترکیبات بسیار دیگری استفاده میشود. یکی از روشهای نوین تولید گاز سنتز، رفرمینگ حلقه شیمیایی - - CLR متان است. رفرمینگ حلقه شیمیایی متان، اکسیداسیون جزئی متان بدون استفاده از اکسیژن خالص است که در آن اکسید فلزیِ کاهش یافته، مجددا توسط هوا اکسید می شود. هدف این مقاله، شبیهسازی یک واحد رفرمینگ حلقه شیمیایی به منظور تولید گاز سنتز است.
شبیهسازی این واحد با نرم افزار ASPEN PLUS V8.8 انجام شد. نتایج نشان داد هنگامی که نرخ جریان هوا 2,38 کیلومول بر ساعت باشد، عمده گاز خروجی از رآکتور سوخت، گاز سنتز است. از انرژی جریانهای خروجی از رآکتورها جهت پیشگرم کردن جریانهای ورودی به رآکتورها از دمای محیط تا 800 درجه سانتیگراد استفاده شد. گرمای لازم در رآکتور سوخت 197194 کیلوژول بر ساعت و گرمای تولید شده در رآکتور هوا، 207257 کیلوژول بر ساعت بدست آمد. از گرمای تولید شده در رآکتور هوا برای تولید بخار بخار آب 115 درجه سانتیگراد استفاده شد که میزان بخار آب تولیدی 4,25 کیلومول بر ساعت بدست آمد.
-1 مقدمه
دی اکسید کربن به عنوان اصلی ترین گاز گلخانه ای که میزان اعظم آن از احتراق سوخت های فسیلی ایجاد می شود، عامل افزایش دمای عمومی کره ی زمین به حساب می آید. از این رو فرآیندی که محصولات احتراق را به محصولات مفید دیگری از جمله گاز سنتز تبدیل کند، از اهمیت بالایی برخوردار است. گاز سنتز که به طور عمده از CO و H2 تشکیل شده است.
یک واسطهی مهم است که از آن در تولید آمونیاک، متانول، هیدروژن و ترکیبات بسیار دیگری استفاده میشود. امروزه، رفرمینگ متان یا هیدروکربنهای سبک، از مهمترین روشهای تولید گاز سنتز است. در گذشته، برای واکنش رفرمینگ با اکسیداسیون جزئی، از اکسیژن خالص استفاده میشد. بهکارگیری این روش، منجر به تحمیل هزینهی قابل توجه واحد تولید اکسیژن خالص به هزینهها میگردید. ولی در صورت استفاده از اکسیدهای فلزی به عنوان حامل اکسیژن به جای اکسیژن خالص، میتوان از این هزینه جلوگیری نمود.
رفرمینگ شیمیایی چرخشی متان، به مفهوم اکسیداسیون جزئی متان بدون استفاده از اکسیژن خالص است. در این روش به جای بهکارگیری اکسیژن خالص، از اکسید فلزی به عنوان حامل اکسیژن استفاده میشود. اکسید فلزیِ کاهش یافته، مجددا توسط هوا اکسایش مییابد. بنابراین؛ این فرآیند نیازمند حداقل دو رآکتور مرتبط با هم خواهد بود؛ رآکتور سوخت که در آن سوخت ورودی با اکسیژن موجود در اکسید فلزی واکنش میدهد و به محصول مورد نظر تبدیل میشود و رآکتور هوا که در آن اکسید فلزی کاهش یافته در رآکتور سوخت، با هوا واکنش میدهد و اکسایش مییابد و به رآکتور سوخت بازگردانده میشود. در رفرمینگ شیمیایی چرخشی، انواع سوخت را میتوان مورد استفاده قرار داد. یکی از سوختهای متداول، متان است.
تاکنون مطالعات زیادی روی آهن، نیکل، مس و منگنز به عنوان حامل اکسیژن انجام شده است. حامل های اکسیژن نیکلی، رایج ترین حامل های اکسیژن برای این فرآیند هستند. NiO به دلیل خواص کاتالیستی قوی، نسبت به سایرین مناسبتر است و در بیشتر کاتالیستهای رفرمینگ با بخار که جنبهی تجاری دارند، از فلز Ni استفاده میشود. حامل های با فاز فعال NiO، واکنش پذیری و نرخ واکنش بالا و عملکرد مناسبی در دماهای بالا - - 1100-900 دارند.
همچنین؛ این حاملها گزینش پذیری مناسبی نسبت به H2 و CO دارند.[2] به منظور انتقال حرارت بهتر و افزایش خواص مکانیکی حامل اکسیژن، از تقویت کنندهی حامل اکسیژن استفاده میشود. این مواد باید گرمای آزاد شده در رآکتور هوا را به رآکتور سوخت انتقال دهند و گرمای لازم برای واکنش گرماگیر در رآکتور سوخت را تامین کنند. بنابراین؛ تقویت کننده ها باید ظرفیت حرارتی بالایی داشته باشند. علاوه بر این؛ دارا بودن خواص مکانیکی بالا و قیمت مناسب، از دیگر ویژگی های یک تقویت کنندهی مطلوب است.
-2 شبیهسازی
شبیه سازی با استفاده از نرم افزار ASPEN PLUS V8.8 انجام شدهاست. این نرم افزار، دارای بانک اطلاعاتی قوی از ترکیبات خالص جامد، مایع و گاز، پارامترهای دو جزئی و ثابتهای واکنش است و دربرگیرندهی مدلهای ترمودینامیکی زیادی برای محاسبه خواص فیزیکی است. انتخاب روش ترمودینامیکی مناسب، یکی از مهمترین پارامترها در شبیهسازی موفق فرآیند است. معادلات ترمودینامیکی باید قادر باشند تا خواص ترمودینامیکی مانند ضریب فوگاسیته، انتالپی، انتروپی، انرژی آزاد گیبس، حجم و خواص انتقالی مانند ویسکوزیته، ضریب نفوذ، ضریب هدایت حرارتی و کشش سطحی را محاسبه کنند.
در اینجا، روش ترمودینامیکی PR_BM، مورد استفاده قرارگرفته است که از معادلات حالت Peng Robbinson با تابع Boston_Mathias برای محاسبه خواص ترمودینامیکی استفاده میکند و برای ترکیبات قطبی و نیمهقطبی شامل هیدروکربنها یا گازهای سبک مانند اکسید های کربن، هیدروژن و... مناسب است. برای شبیه سازی فرآیند، دو رویکرد را میتوان دنبال کرد: رویکرد بر پایه سرعت و رویکرد بر پایه تعادل. در اینجا رویکرد دوم مد نظر قرار گرفته است و برای شبیهسازی رآکتورهای این فرآیند، از رآکتور RGIBBS استفاده شده است . این رآکتور، همزمان تعادل شیمیایی و فازی را با حداقلسازی انرژی آزاد گیبس ترکیبات، تحت محدودیتهای تعادل اتمی، مدل میکند.
-1-2 شبیه سازی سادهی فرآیند
شبیهسازی سادهی فرآیند بر مبنای یک کیلومول بر ساعت متان به عنوان سوخت انجام شدهاست. دمای رآکتور سوخت 900 درجه سانتیگراد و دمای رآکتور هوا 950 درجهی سانتیگراد و فشار رآکتورها اتمسفریک در نظر گرفته شده است. شکل 1 نمای شبیهسازی سادهی فرآیند در محیط نرم افزار را نشان میدهد. مطابق شکل، متان وارد رآکتور سوخت میشود.
در رآکتور سوخت، متان ورودی با حامل اکسیژن - در اینجا اکسید نیکل - واکنش میدهد. سپس؛ جریان خروجی از رآکتور وارد یک جدا کننده میشود و بخش جامد آن یا همان اکسید نیکل کاهش یافته، از بخش گازی آن شامل CO، H2، CO2، H2O و کمی CH4 واکنش نداده، جدا میشود. اکسید نیکل کاهش یافته، به رآکتور هدایت میشود و با هوای ورودی به این رآکتور، واکنش داده و مجددا به اکسید نیکل تبدیل میگردد. جریان خروجی از رآکتور، وارد یک جدا کنندهی دیگر میشود و بخش جامد آن یا همان اکسید نیکل از بخش گازی آن شامل N2 و کمی O2 واکنش نداده، جدا میشود. جریان جامد اکسید نیکل، به رآکتور سوخت برگشت داده میشود و این چرخه ادامه مییابد.
شکل :1 نمای شبیه سازی یک فرآیند رفرمینگ شیمیایی چرخشی ساده
