بخشی از مقاله
چکیده
آمونیاک یکی از مواد خام پایه برای صنایع و به ویژه کشاورزی است و تولید آن به عنوان یک فرآیند بسیار مهم در فرآیند صنعت به شمار میرود. راکتور بستر ثابت یک بخش اساسی از صنایع شیمیایی که در یک طیف گسترده ای از فرایندهای شیمیایی از جمله فرآیند آمونیاک استفاده میشود. در این مقاله ابتدا به بررسی راکتور سنتز آمونیاک و سپس به شرح سینتیک واکنش فرآیند تولید آن پرداخته میشود. بدنبال آن مدلسازی و شبیهسازی راکتور بستر ثابت با استفاده از روش حل عددی - دینامیک سیالاتی - - CFD - جهت بررسی پروفایلهای فرآیند دما و سرعت صورت میگیرد.
-1 مقدمه
در رآکتورهای بسترثابت1 مادهجامد که معمولاً کاتالیست میباشد، به طور ثابت داخل رآکتور قرار دارد و مواد واکنش دهنده پس از عبور از روی این مواد، واکنش داده و از رآکتور خارج میشوند. راکتورهای آکنده2 نمونهای از این نوع رآکتورها هستند. نمونهای از کاربرد این نوع رآکتورها در چرخه تولید آمونیاک است. این راکتور تحت لیسانس شرکت کلاگ3 با سه بستر کاتالیزور، جریان محوری و مجهز یک مبدل حرارتی4 داخلی که با یک جریان خنک کننده5 همراه است.
شکل -1 راکتور سنتز آمونیاک - روش کلاگ [2]
سنتز آمونیاک یک فرآیند بسیار مهم در پتروشیمی است. آمونیاک به عنوان یک ماده اولیه برای انواع صنایع مورد استفاده قرار میگیرد. بیشتر استفاده این ماده در تولید کودهای شیمیایی، مواد منفجره، پلیمرها و حتی سرد کنندهها استفاده میشود. واکنش سنتز آمونیاک مهمترین قسمت در واحد تولید آمونیاک حلقه سنتز میباشد. واکنش سنتز آمونیاک یک واکنش تعادلی بین نیتروژن، هیدروژن و آمونیاک در مجاورت اکسید مغناطیسی آهن میباشد. مقدار هیدروژن تبدیلی به آمونیاک بستگی به فشار، درجه حرارت و نسبت بین آنها دارد و یا در حالتی که مخلوط نیتروژن و هیدروژن بدون آمونیاک موجود باشد و یا در حالتی که تنها آمونیاک وجود داشته باشد، بازده عملیاتی دارای محدوده وسیعی بین100-0 است. بازده تعادلی با افزایش فشار افزایش یافته و این خود گرمای تولیدی داخل کاتالیزور در واحد زمان را افزایش میدهد، بنابر این متوسط دمایی افزایش یافته و به سرعت بیشتری نیاز است. اثر زیاد بودن سرعت موجب کاهش حجم راکتور نسبت به حالت کار در فشار پایین خواهد گردید.
-2 شرح سینتیک فرآیند تولید آمونیاک
در سنتز آمونیاک واکنش زیر انجام میگیرد.
2NH 3 Q × N 2 3H 2
این واکنش گرمازا بوده و در مجاورت کاتالیزور آهن، تعادل آن در جهت تولید بهم خورده وسریع میگردد. اگر گرمای تولید شده در محیط بماند و درجه حرارت به حدودد 550 0C برسد، واکنش در جهت عکس و تجزیه مولکولهای آمونیاک پیشرفته و گرماگیر میشود و یا در واقع در گرمای زیاد متوقف میماند. برای پیشرفت واکنش تولید آمونیاک لازم است پارامترهای زیر در نظر گرفته شود.
-1 آمونیاک تولید شده از محیط خارج گردد - اصل لوشاتلیه - -2 نسبت نیتروژن به هیدروژن در 3/1 ثابت نگهداری گردد. -3 از کاتالیزور مناسب - آهن - استفاده شود.
درجه حرارت و فشار در پیشرفت واکنش بسیار موثر است، حداقل دما در شرایط فعالیت کاتالیزور 300 0C میباشد. در درجات پایینتر آمونیاک تولید نمیگردد و در درجات بالاتر 550 0C نیز جهت واکنش عکس میشود و راندمان تولید پایین میآید. بنابراین شرایط از نظر دما در منطقه کاتالیزوری، 375 0C تعیین گردیده است. آمونیاک در فشارهای مختلف در شرایطی که کاتالیزور فعال میباشد، قابل تولید است ولی بهترین شرایط فشار که خود به وضعیت راکتور و فعالیت و نوع کاتالیزور بستگی دارد بین 194- 581 atm تعیین شده است. معمولا تحت شرایط فوق از کل گاز سنتز ورودی به راکتور، بسته به درجه حرارت و فشار حدود 15-17 درصد به آمونیاک تبدیل میگردد. گازها و آمونیاک تولیدی در یک سری مبدل حرارتی به شرایط میعان امونیاک رسیده و در مخزن جداکننده، آمونیاک از بقیه گازهای سنتز جدا میگردد. گازهای سنتز نیز که مقداری سرد شدهاند مجدداً جهت تبدیل، با میزان معینی گاز سنتز تازه مخلوط شده و به راکتور بر میگردد.
-3 مدلسازیسازی راکتور بستر ثابت
راکتور بستر ثابت یک بخش اساسی از صنایع شیمیایی که در یک طیف گستردهای از فرایندهای شیمیایی استفادهمیشود. برای طراحی راکتور بستر ثابت، استفاده از چندین مدل جهت توصیف فرآیندهای مختلف فیزیکی و شیمیایی در این راکتور مورد نیاز است. برای مدل کردن بهتر این سیستمها یک درک اساسیتر از فرآیندهای در حال وقوع در یک بستر ثابت مورد نیاز است. برای به دست آوردن درک بهتر آن، به دست آوردن اطلاعات دقیق از داخل بستر ثابت ضروری است.
یکی از روشهای مهم که می تواند اطلاعات دقیق در پروسه جریان و فرآیندهای دما و سرعت فراهم کند، استفاده از شبیهسازی و روشهای عددی 1 - CFD - است.
