بخشی از مقاله
چکیده:
در فرآیند تولید اسید سولفوریک، اکسیداسیون دي اکسید گوگرد به تري اکسید گوگرد در یک راکتور بستر ثابت انجام می شود، لذا راکتور به عنوان یکی از تجهیزات اصلی در فرآیند تولید است که تنظیم و کنترل شرایط عملیاتی حاکم بر آن، بر میزان تولید اسید سولفوریک تأثیر بسزایی دارد. در این مطالعه به بررسی نحوه عملکرد راکتور بستر ثابت مورد استفاده براي این عملیات پرداخته شده است، در این راستا شبیه سازي راکتور مجتمع پتروشیمی رازي توسط نرم افزار Aspen plus با استفاده از داده هاي تجربی واحد انجام شد، نتایج حاصل از شبیه سازي تطابق خوبی با داده هاي واحد مورد بررسی داشتند، همچنین تأثیر عوامل مؤثر بر واکنش تبدیل توسط نرم افزار بررسی و بهترین شرایط کارکرد راکتور معرفی شدند.
کلمات کلیدي: اسید سولفوریک، شبیه سازي، راکتور کاتالیستی بستر ثابت
-1 مقدمه
اسید سولفوریک، اسیدي است قوي که داراي مقاومت هاي شیمیایی بالایی است. این ماده به نام هاي اسید سولفین، اسید باطري، جوهر گوگرد، سولفات هیدروژن و سولفات دي هیدروژن نیز شناخته می شود. اسید سولفوریک جزء مواد شیمیایی پر استفاده می باشد. این ماده در واکنش هاي شیمیایی و فرآیندهاي تولید سایر مواد و ترکیبات، کاربرد فراوانی دارد.عمده ترین استفاده ي آن در کارخانه هاي تولید کود شیمیایی، استخراج فلزات، سنتزهاي شیمیایی، تصفیه ي پساب ها و پالایشگاه هاي نفت می باشد. [1]گاز دي اکسید گوگرد مورد نیاز براي تولید اسید سولفوریک از منابع مختلفی از جمله سوزاندن گوگرد عنصري، استفاده از دي اکسید گوگرد حاصل از سولفید فلزات، تجزیه اسید سولفوریک مصرف شده در دیگر صنایع، استفاده از گچ فسفات دار و احتراق H2S یا دیگر گازهاي حاوي گوگرد می باشد. گاز دي اکسید گوگرد حاصل شده طی دو مرحله اصلی دیگر شامل واکنش کاتالیستی با اکسیژن براي تولید تري اکسید گوگرد و واکنش تري اکسید گوگرد با آب که در نتیجه به تولید اسید سولفوریک می انجامد. [2] کاتالیست مورد استفاده در واکنش اکسیداسیون دي اکسید گوگرد، عمدتاً از ترکیبات نمکی سدیم، پتاسیم، وانادیم بر روي ذرات متخلخل اکسید سیلیس می باشد. [3]راکتور اکسیداسیون دي اکسید گوگرد قلب واحد تولید اسید سولفوریک می باشد، که نحوه عملکرد بر میزان تولید اسید سولفوریک تأثیر بسزایی دارد. لذا شبیه سازي راکتور واحد بسیار قابل توجه می باشد. [4,5]
-2 شرح فرآیند
دو فرآیند عمده براي تولید اسید سولفوریک وجود دارد، فرآیند اتاق سربی [7,6] و فرآیند تماسی .[8] فرآیند تماسی شامل سه مرحله عمده می باشد: سوختن گوگرد در هوا و تولید دي اکسید گوگرد، تبدیل دي اکسید گوگرد به تري اکسید گوگرد با استفاده از اکسیژن هوا، و در نهایت جذب تري اکسید گوگرد در آب یا محلول رقیقی از اسید سولفوریک و تولید اسید سولفوریک غلیظ است. در اینجا به شرح مختصري از فرآین تولید اسید سولفوریک می پردازیم:واحد تولید اسید سولفوریک مجتمع پتروشیمی رازي شامل سه واحد تولید اسید سولفوریک می باشد. واحد قدیمی - O4 - براي تهیه 1320 تن در روز و دو واحد جدید - 12 A/B - هر یک به ظرفیت 950 تن در روز طراحی شده است. شماي کلی واحد در شکل 1 نشان داده شده است. بطور خلاصه، واحد شامل یک برج خشک کن، یک کوره، راکتور چهار بستره، یک برج جذب و مبدلهاي حرارتی است. از سوختن گوگرد مذاب با هواي خشک، گاز انیدرید سولفورو - SO2 - تولید می شود.
هوا قبل از ورود به کوره از پایین وارد برج خشک کننده می شود و از بالا نیز اسید سولفوریک %98 وارد می شود، چون اسید سولفوریک جاذب رطوبت است. جریان گاز خروجی از کوره تقریباً حاوي %10 انیدرید سولفورو با درجه حرارت 940 است. این جریان گازي پس از عبور از مبدل حرارتی شماره 1 با دماي 425 وارد بستر اول راکتور شده و در مجاورت کاتالیست V2O5 به انیدرید سولفوریک - SO3 - تبدیل می شود، واکنش اکسیداسیون SO2 واکنشی گرمازا و تعادلی است، به این دلیل جریان گاز خروجی از هر بستر سرد شده و وارد بستر بعدي راکتور می شود، به بسترهاي دوم و سوم نیز هواي خشک تزریق می شود، تا علاوه بر افزایش پیشرفت واکنش به خنک شدن بیشتر آن نیز کمک کند. دماي ورودي به بسترها حدود 420-450 است.جریان گاز حاوي SO3 خروجی از بستر چهارم پس از عبور از اکونومایزر با دماي 200 وارد برج جذب می شود. گاز SO3سرد شده تمایل چندانی جهت ترکیب شدن با آب ندارد، لذا ابتدا بطور غیر مستقیم جذب اسید سولفوریک % 98/8 می گردد.سپس تحت این شرایط انیدرید سولفوریک به آسانی می تواند در اسیدي که غلظت آن افزایش یافته جذب گردد. واکنشهاي عمده انجام شده در طول فرآیند در زیر آورده شده اند:
-3 طراحی راکتورهاي کاتالیستی بستر ثابت
یک راکتور بستر ثابت عموماً ستونی است که در آن ذرات کاتالیست تا ارتفاع معینی قرار می گیرند و مواد واکنش دهنده از یک طرف ستون وارد شده در طی عبور سیال از بستر، مواد واکنش دهنده به سطح کاتالیستها نفوذ کرده و در آنجا واکنش داده و سپس به توده اصلی سیال وارد می شوند و از انتهاي دیگر راکتور خارج می شوند. از جمله شرایط عملیاتی مهم و تأثیر گذار روي عملکرد راکتورهاي بستر ثابت کنترل دماي راکتور به گونه اي است که همیشه سرعت واکنش و درجه تبدیل مواد بالا باشد و در عین حال ذرات کاتالیست و همچنین دیواره راکتور تحت تأثیر دماي بالا دچار آسیب نگردند. عامل دیگري که در عملکرد راکتورهاي کاتالیستی تأثیر گذار است عاري بودن مواد اولیه از موادي است که باعث از بین رفتن سطح فعال کاتالیست می شود و به اصطلاح کاتالیست را مسموم می کنند. یکی دیگر از شرایط عملیاتی راکتور بستر ثابت افت فشار آن است. افت فشار یک راکتور بستر ثابت به عواملی مانند دبی سیال ورودي، چگالی سیال، تخلخل بستر - اندازه دانه هاي کاتالیست - ، قطر برج، ویسکوزیته سیال و ... بستگی دارد. [9]
-4 شبیه سازي راکتور اکسیداسیون دي اکسید گوگرد با نرم افزار Aspen plus
براي شبیه سازي راکتور اکسیداسیون دي اکسید گوگرد توسط نرم افزار Aspen plus، براي هر بستر یک راکتور CSTRدر نظر گرفته شده است، واکنشهاي انجام شده در هر بستر مشابه هم و از نوع تعادلی می باشند. جهت خنک کردن جریانهاي خروجی، از Heat Exchangers و جریان خنک کننده استفاده شده در آنها از BFW استفاده شده است. جریان گرم خروجی از سوپر هیتر - HEATX2 - بخار HP می باشد که جهت استفاده در سایر قسمتهاي واحد از آن استفاده می شود. معادله حالت انتخاب شده، ELECNRTL می باشد. [10,11] در جدول 1 ترکیبات جریان گاز ورودي به راکتور آورده شده است.
