بخشی از مقاله
خلاصه
آمونیاک از مهمترین محصولات پتروشیمی میباشد که در سطح گستردهای در دنیا تولید میشود و نقش عمدهای در تولید سایر محصولات شیمیایی دارد، در همین راستا شرکت ملی صنایع پتروشیمی تحقیقات بسیاری بر روی واحدهای تولید آمونیاک انجام داده است. با توجه به اینکه صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی دارای شرایط دینامیکی پیچیدهای هستند، شبیهسازی توسط نرمافزارهای کامپیوتری روشی سودمند برای اطلاع از چگونگی رفتار یک فرآیند به شمار میرود.
طراحی واحد در حالت دینامیکی، یکی از روشهای مناسب برای پاسخ به تغییرات و اغتشاشات ورودی به سیستمهای فرآیندی است. هدف از این مقاله، انجام شبیهسازی دینامیکی واحد آمونیاک پتروشیمی شیراز و بررسی رفتار سیستم در برابر تغییرات ورودی برای تولید محصولی با کیفیت مطلوب است. به همین منظور در ابتدا واحد در حالت دینامیک در محیط Aspen Dynamic شبیهسازی شد و در ادامه به بررسی رفتار دینامیکی واحد پرداخته شد.
در مجموع نتایج این پژوهش نشان داد که اولأ میزان دقت شبیهسازی در حالت دینامیک مطلوب بوده به طوری که میانگین خطا برای اطلاعات جریانهای در نظر گرفته شده % -0/02 است و ثانیأ سیستم کنترلی در نظر گرفته شده بر روی واحد، میزان 5% افزایش در خوراک اصلی را به خوبی کنترل مینماید.
.1 مقدمه
نخستین بار سنتز آمونیاک توسط فریتز هابر و کارل بوش بنیانگذاری شد. فریتز هابر در 1909 در آلمان سنتز آمونیاک را با استفاده از عناصر سازندهاش ارائه داد. بدین ترتیب فرآیند معروف هابر- بوش - Haber-Bosch - برای تولید آمونیاک، طی سالها توسعه و تکمیل این فرآیند حاصل شده است. در حال حاضر کشور ایران یکی از مهمترین تولید-کنندگان گاز طبیعی به شمار میرود. علاوه بر مصرف بالای گاز، روند صعودی صادرات گاز نیز از نرخ رشد سالانه بالایی برخوردار است. به طور متوسط در چند سال اخیر فقط %0/44 از مقدار کل گاز طبیعی به آمونیاک تبدیل نشدهاند
شبیهسازی در حالت پایا به عنوان نقطه شروع در شبیهسازی مناسب است، اما صنایع پتروشیمی به دلیل تغییرات و اغتشاشات ورودی به فرآیند دارای شرایط دینامیکی پیچیدهای هستند و هیچگاه در حالت پایا به سر نمیبرند. نیاز است به منظور تحلیل دینامیک سیستمها و بررسی پارامترهای مختلف و در صورت نیاز کنترل آنها، شبیهسازی واحد فرآیندی در حالت دینامیکی انجام شود. از این رو اجرای شبیهسازی دینامیکی و بهینهیابی فرآیند، امر مهمی محسوب میگردد که در ادامه به برخی از این تحقیقات اشاره میشود.
کثیری و همکاران یک راکتور سنتز آمونیاک چهار بستره را در یک محیط نرمافزاری به صورت پویا شبیهسازی کرده و به مطالعه تأثیر پذیری شرایط عملیاتی - دماها، فشارها، شدت جریانها و غلظتها - از تغییرات ناگهانی در فشار خوراک اولیه و تغییرات احتمالی خواسته یا ناخواسته در توزیع خوراک اولیه بر روی بسترها، پرداختند
رحیمپور و کشکولی واحد جذب و دفع کربندیاکسید با محلول جاذب بنفیلد را مدلسازی کردند و با استفاده از نتایج حاصل، به بررسی تأثیر مقدار آمین و فشار عملیاتی برج روی مقدار جذب و عملکرد برج پرداختند
آهنگر راکتور ریفرمینگ اتوترمال، در واحد متانول پتروشیمی زاگرس را در حالت پایا و دینامیک شبیهسازی کرد و رفتار دینامیکی راکتورهای شیمیایی و برجهای تقطیر این واحد را با تغییر پارامترهای تأثیرگذار بر روی آنها مورد بررسی قرار داد. نتایج بهدست آمده نشان دهنده رفتار غیرخطی سیستم در مقابل اغتشاشات ورودی و الزام طراحی و تنظیم سیستم کنترلی مناسب به منظور افزایش راندمان و بهبود عملکرد واحد بود، همچنین یافتهها نشان داد که نسبتهای اکسیژن به کربن، بخار به کربن و شرایط عملیاتی راکتور اتوترمال، بر روی عملکرد ریفرمر و مشخصات گاز سنتز خروجی از آن تأثیر زیادی دارد
این مقاله با هدف شبیهسازی دینامیک واحد آمونیاک پتروشیمی شیراز، به وسیلهی نرمافزار Aspen Dynamic انجام شد و به بررسی ساختار کنترلی واحدهای زیرمجموعه این واحد از جمله واحد ریفرمینگ، تبدیلکنندههای انتقالی ، متاناسیون، واحد جذب و دفع واکنشی کربندیاکسید و سنتز آمونیاک پرداخته شد و در نهایت به منظور اطمینان از صحت ساختار کنترلی پیشنهادی، میزان 5% افزایش در خوراک اصلی مورد بررسی قرار گرفت.
.2 شرح فرآیند واحد تولید آمونیاک
اولین مرحله در فرآیند تولید آمونیاک حذف ترکیبات سولفوری، با عبور گاز از میان بسترهای کربن فعال یا اکسید روی، میباشد. سولفور موجود در گاز بیشتر به شکل H2S جدا گردیده و گاز شیرین وارد خط لوله انتقال میشود. [5 ] سپس بخار آب و گاز بدون گوگرد، با نسبت سه کیلوگرم به یک کیلوگرم و در فشار 34/3×105 - Pa - به ریفرمر اولیه وارد میشود. تبدیل یا کراکینگ متان طبق واکنشهای زیر در مجاورت کاتالیست نیکل با حضور بخار آب، به منظور تهیه هیدروژن مورد نیاز برای حلقه سنتز آمونیاک میباشد
واکنش شیفت نیز تحت شرایط ریفورمینگ اتفاق میافتد. این واکنش گرمازا است و در دمای ریفورمینگ ثابت تعادل کوچکی دارد
گازهای خروجی از ریفرمر اولیه شامل 10 درصد متان به همراه هیدروژن، منوکسیدکربن، دیاکسیدکربن و بخار آب میباشد که با هوا مخلوط و وارد راکتور ریفرمر ثانویه میشود. اهمیت استفاده از این واحد وجود کاتالیست اکسید نیکل مقاوم در برابر درجه حرارت بالا میباشد. همچنین تزریق هوا، دو اثر دارد. یکم، باعث میشود راکتور به صورت اتوترمال عمل کرده و احتراق بعضی گازها، مطابق واکنشهای زیر، دما را به بالای 1000 درجه سانتیگراد رسانده و دمای موردنیاز برای واکنشهای دیگر، از جمله کامل شدن واکنش اصلی ریفورمینگ را بهوجود میآورد.
- 4 - 2H2 + O2 → 2H2O×
- 5 - CO + O2 → CO2×
دوم، در این قسمت نیتروژن موردنیاز مرحله سنتز تأمین، و نسبت هیدروژن به نیتروژن تنظیم میشود. علاوه بر
واکنشهای رخ داده در ریفرمر اولیه، واکنش زیر در ریفرمر ثانویه رخ میدهد.
- 6 - CH4 + 2O2 ⇌ CO2 + 2H2O×
گاز خروجی پس از عبور از چندین مبدل وارد راکتور تبدیل کربنمنوکسید به کربندیاکسید میشود.
CO + H2O ⇌ CO2 + H2
راکتور دما بالا - HTS* - شامل دو بستر کاتالیستی از پراکسید آهن میباشد. واکنش تبدیل در دمای 370 درجه سانتیگراد انجام، و مقدار کربنمنوکسید در گاز خروجی به 3/3 درصد مولی کاهش مییابد. گاز خروجی قبل از ورود به راکتور دما پایین - - LTS باید تا دمای 220 درجه سانتیگراد سرد شود. کاتالیست مورد استفاده در راکتور دما پایین، اکسید مس و اکسید روی میباشد. گاز با 0/4 درصد مولی کربنمنوکسید - بر مبنای خشک - از راکتور خارج میگردد.
گازهای خروجی به منظور حذف کربندیاکسید به واحد جذب و دفع کربندیاکسید فرستاده میشود. این عمل بیشتر با شستشوی گاز توسط محلول 30 درصد وزنی کربنات پتاسیم به نام محلول بنفیلد در یک برج جذب انجام میشود. واکنش تعادلی زیر در برج جذب و دفع انجام میگیرد.
K2 CO3 + H2O + CO2 ⇌ 2KHCO3 - 8 -
جریان گاز خروجی از این مرحله شامل نیتروژن، هیدروژن و مقادیر ناچیزی متان، کربندیاکسید و بخار آب است.
کربنمنوکسید و کربندیاکسید باقی مانده نیز در راکتور متاناسیون، در مجاورت کاتالیست نیکل مطابق واکنشهای
زیر به متان تبدیل میشود.
- 9 - CO + 3H2 ⇌ CH4 + H2O
- 10 - CO2 + 4H2 ⇌ CH4 + 2H2O
اکسیدهای کربن موجود در گاز خروجی حدود - 5 -10 - ppm است که از حد مجاز کمتر میباشد.
گاز سنتز خروجی از واحد متاناسیون در فشار - 25/088 ×105 - Pa و دمای 35 درجه سانتیگراد به مرحله فشرده شدن وارد میشود. با توجه به تولید آمونیاک در فشار و دمایی خاص، باید فشار گاز، شامل ازت و هیدروژن با نسبت یک به سه بهنام گاز سنتز، با عبور از چهار مرحله کمپرسور - سه مرحله اصلی و یک مرحله تکرار لوپ - تا حدود - × 105 - Pa 231/28 افزایش یابد . گازها بعد از فشرده شدن در جریان گردش راکتور سنتز آمونیاک قرار میگیرند و طبق واکنش زیر در هر گردش پانزده درصد مولی گاز در مجاورت کاتالیست آهن به آمونیاک تبدیل میشود
