بخشی از مقاله
چکیده
جفت شدن اکسایشی متان در راکتور بستر ثابت توسط کاتالیست پروسکایت تیتانیت تحت مطالعات دینامیک سیالات محاسباتی قرار گرفته است. هدف اعمال دیدگاه سادهتر برای شبیه سازی دادههای واقعی و مطالعات سینتیکی می باشد. نتایج تجربی بعنوان اساس توسعه مطالعات پارامتری و نیز مبنا مقایسه ای بکار برده شده است. یک مدل سه بعدی که رفتار کاتالیستی در واکنش جفت شدن اکسایشی متان را نسبتاًخوب پیش بینی میکند ارائه داده شده است. با اعمال یک مکانیزم کلوخه ای سینتیکهای شیمیایی مربوط به انتقال جرم در شبیهسازی لحاظ شدهاست. مقایسه نتایج تجربی با دادههای پیشبینی شده از طریق شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی انطباق و سازگاری نسبتاً خوبی را نشان میدهد.
واﮊه های کلیدی: دینامیک سیالات محاسباتی، جفت شدن اکسایشی متان، راکتور بستر ثابت، شبیه سازی، کاتالیست پروسکایت
۱-مقدمه
مدلسازی همزمان واکنش و جریان، در حیطه دینامیک سیالات محاسباتی، CFD، یک کار مشکل به شمار می رودکه در آنجا نرمافزارهای تجاری فاقد توانایی های کافی برای پیشبینیهای کمی مناسب هستند ]۱.[ جفت شدن اکسایشی متان بعنوان یک واکنش کاتالیستی، موردمطالعاتی جذابی برای این زمینه میباشد که در آن امتیازات مدلسازیCFD میتواند مورد ارزیابی قرار گیرد، زیرا واکنشOCMازطرفی شامل واکنشهای سریع بسیار گرمازا میباشدو از طرف دیگر در مرزها شرط مخلوط چندجزئی را دارا میباشد.راکتورهای بستر ثابت در فرایندهای شیمیایی مختلفی استفاده میشود و بخش بسیار مهمی از صنایع شیمیایی محسوب میشوند.
برای مدلسازی بسترهای ثابت ما باید شرح کمی دقیقی از سیال داخل آنها و انتقال حرارتشان داشته باشیم. اخیراً محدوده کاربرد CFD به میدان مهندسی شیمی با معرفی برنامههای اصلاح شده برای سیالات مخلوط گسترش یافته است ]۲. [ مجموعه کلی اغلب برنامههای CFD در یک محدوده وسیعی کاربرد دارند و بسته های نرم افزاری تجاری مختلفی برای احتساب شیمی واکنشها به کدهای CFD معرفی شدهاند که باعث گسترش سریع استفاده ازCFD در میدان مهندسی واکنشهای شیمیایی شده است.در حال حاضرCFD برای اعمال هر چه بیشتر نقطه نظرات فیزیکی در مهندسی واکنش هایی که در آنها انتقال حرارت و جریان جرمی اهمیت بیشتری دارند، می تواند بکار برده شود. در زمینه مدلسازی راکتورهای بستر ثابت دو مدل مختلف وجود دارد که به آنها نام »شبیهسازی « CFD اطلاق می شود.
در مدل اول بستر بعنوان یک محیط متخلخل با پارامترهای کلوخه ای برای دیسپرﮊن و انتقال حرارت در نظر گرفته می شود.در این نوع مدلسازی واکنشهایی که در ذرات کاتالیستی متخلخل انجام میپذیرد به عنوان ترم تولید یا مصرف در معادلات بقاﺀ وارد می شود و درترم های جزﺀ حجمی و پارامترهای انتقال ذرات تصحیح میشود. چنین دیدگاهی یک میدان سرعت متوسط با فرض جریان توپی بدست میدهد که برای توسعه مدلهای انتقال و واکنشهای انجام شده در بسترراکتورها بکار برده می شوند. عیب این روش این است که فرایندهای انتقال را کلوخه ای می بیند و به معرفی یک پروفایل سرعت موثر برای بستر نیاز دارد. نوع دوم شبیهسازی بستر ثابت مدلسازی است که پیچیدگیهای ﮊئومتری بستر ساده نشده یا مثل دیدگاه اول با یک محیط موثر جایگزین نشده است ]۲ .[
در این تحقیق ابتدا یک مدل سینتیکی کلوخه ای ساده برای واکنشOCM تحت کاتالیست تیتانیت پروسکایت توسعه داده شده و سپس یک شبیه سازی CFD مناسب از راکتور بستر ثابت با بکارگیری مدل دو بعدی جریان که با انتقال حرارت و شیمی واکنش همزمان حل شده، ارائه داده شده است. نظر به اینکه واکنش OCM به شدت گرمازاست، در این مدلسازی ترم تولیدحرارت ناشی از واکنش شیمیایی در معادله انرﮊی محسوب شده است.
۲-شرح فرایند جفت شدن اکسایشی متان
در سالهای اخیر ، سنتز اتان و اتیلن از طریق جفت شدن اکسایشی متان - OCM - توجه محققین زیادی را به خود جلب کرده است .در سال ۲۸۹۱ نخستین بارکلر و بهاسین گزارشی درباره تبدیل مستقیم متان به اتیلن از راه OCM منتشر کردند ]۳.[ واکنش جفت شدن اکسایشی متان در مخلوطی از متان و اکسیژن که به وسیله یک گاز بی اثر رقیق شده است در مجاورت کاتالیستی از اکسیدهای فلزی انجام می شود. دراین فرایند اصولاً دو نوع محصول بدست میآید، محصولات COx که بطور غیر گزینشی تشکیل می شوند و محصولات هیدروکربنی مانند اتیلن و اتان که معمولاً به عنوان محصولات C2 یا محصولات مطلوب، گزارش شدهاند. برای مدلسازی راکتورهای بستر ثابت یک طبقهبندی ارائه شده که براساس آن دومدل وجود دارد ]۴:[ مدل یک بعدی در مقابل مدل دوبعدی و مدل شبه هموﮊن در مقابل مدل هتروﮊن. واکنش جفت شدن اکسایشی متان یک واکنش هموﮊن – هتروﮊن میباشد ]۵[ و تحت کاتالیست های گوناگون توسط محققین زیادی شبیه سازی شده است ]۰۱-۶.[
۲-۱ مواد و تجهیزات
کاتالیست مورد استفاده دراین تحقیق از نوع پروسکایت با فرمول کلی Sn/BaTiO3، با راندمان و گزینش پذیری بهینه شده برای واکنش OCM، با استفاده از روشsol-sol ساخته شد ]۱۱.[برای مطالعه تبدیل مستقیم متان به اتیلن، سینتیک، مکانیسم و سرعت واکنش یک مجموعه سخت افزاری شامل مخازن گازهای خوراک، راکتور، دستگاه کروماتوگرافی گازی به هنگام و سایر تجهیزات مورد نیاز، موسوم به کاتاتست، جهت آزمون کاتالیزوری طراحی و مورد استفاده قرار گرفت و جزئیات آن در شکل - ۱ - نشان داده شده است ]۲۱.[ آزمایشات کاتالیستی با استفاده از راکتور دیفرانسیلی بستر ثابت انجام شد، بعلت دمای بالای واکنش جنس راکتور از کوارتز بوده و جزئیات راکتور در شکل - ۲ - دیده می شود.
۲-۲- مدلسازی سینتیکی واکنش OCM
یک مدل سینتیکی کلوخه ای تا حد امکان ساده، مطابق الگوی زیر، درنظر گرفتیم بگونه ای که قابلیت پیش بینی دقیق فرایند از دست نرود ]۳۱:[معادلات سرعت در ترم های فشار جزیی متان و اکسیژن و بر اساس مدل پاورلا در نظرگرفته شدند:
P فشار جزیی ؛ α، β و K ثوابت سینتیکی و اندیس i مربوط به گونه های واکنش می باشد. یک رگراسیون خطی چند متغیره برای تطبیق مقادیر سرعت های تجربی اعمال شد وثوابت سینتیکی
