بخشی از مقاله
خلاصه
اکسیدهای کربن شامل مونواکسیدکربن و کربندیاکسید از سموم بسیار خطرناک برای کاتالیست راکتور سنتز میباشند، لذا شبیهسازی راکتور متاناسیون و تبدیل اکسیدهای کربن به متان که گازی بیاثر در حلقه سنتز میباشد امری ضروری است.
در این تحقیق شبیهسازی پایا راکتور بستر کاتالیستی متاناسیون با بکارگیری مدل سنتیکی - LHHW - انجام شده است. برای شبیهسازی پایای راکتور متاناسیون، معادله حالت Peng Robinson به کار گرفته شد. سپس جهت بررسی صحت شبیهسازی با دادههای پتروشیمی مقایسه و درصدخطای آنها محاسبه شد. و با توجه به انطباق خوب دادههای شبیهسازی شده با دادههای پتروشیمی میتوان به صحت آن پیبرد.
مقدمه
شبیهسازی یک فرآیند، بدین معناست که با استفاده از روابط اساسی مهندسی از قبیل موازنه جرم و انرژی، تعادل شیمیایی و فازی و سنتیک واکنشها رفتار سیستم و فرآیند قابل پیشبینی شود. با شبیهسازی واحدهای عملیاتی که هنوز ساخته نشدهاند، میتوان به طراحی بهتری از فرآیند دست یافت. برای یک واحد موجود، شبیهسازی را میتوان برای بهبود عملکرد واحد، افزایش بازده و کاهش مصرف انرژی به کار برد.
شبیه سازی میتواند برای تعیین شرایط عملیاتی لازم و مناسب به هنگام تغییر خوراک، مشخصات محصول تولیدی و شرایط محیطی به کار رود. در نهایت از شبیهسازی میتوان برای بررسی تغییرات لازم و ممکن به منظور افزایش ظرفیت و امکان رسیدن به سوددهی بیشتر استفاده کرد
Aspen Plus یک نرم افزار قوی جهت طراحی، اجرا و شبیهسازی فرآیندهای شیمیایی در حالت پایا میباشد. با استفاده از مدل-های شبیهسازی در آن میتوان رفتار فرآیندهای شیمیایی و پالایشگاهی را در حالت پایا پیشبینی کرد. در مجموع برای شبیهسازی در Aspen Plus میتوان کارهایی از قبیل تخمین و پیشبینی خواص فیزیکی، نمودارهای مختلف، جداول خروجی و دادههای مناسب جهت شبیهسازی مدل، تخمین هزینه واحد، بهینهسازی فرآیند و بیان نتایج را به صورت متعدد انجام داد.
با شبیهسازی فرآیندها میتوان به طور همزمان چند مشخصه فرآیند را تغییر و خروجیهای فرآیند را مورد تحلیل و بررسی قرار داد. در بین تمام دستگاههای فرآیندی، راکتورها دارای اهمیت فوق العادهای در شبیهسازی میباشند. هدف اصلی راکتور متاناسیون حذف اکسیدهای کربن میباشد، که علت حذف اکسیدهای کربن عبارتند از
:-1 اکسیدهای کربن از سموم مهلک مرحله سنتز میباشد
-2 مونواکسید کربن میل ترکیبی زیادی با نیکل دارد و با ایجاد نیکل کربونیل مشکلات عدیدهای ایجاد میکند از جمله فعالیت کاتالیست مرحله متاناسیون - اکسید نیکل - ، مشکلات بهداشتی و سلامتی و انسداد خط لولهها میشود
3 -دیاکسیدکربن میل ترکیبی زیادی با آمونیاک دارد و با ایجاد کربنات آمونیوم باعث ایجاد بلور و نهایتاً انسداد خط لولهها در مسیرهای سرد میگردد
-4 حضور اکسیدهای کربن در مرحله سنتز باعث اشغال حجم راکتور شده که این امر بر روی درجه تبدیل اثرگذار میباشد.
از آنجایی که حتی مقادیر کم از اکسیدهایکربن برای کاتالیست سنتز آمونیاک، سم میباشد و با روشهای جداسازی متدوال نمیتوان آنها را تا مقادیر کم - حداکثرppm - 10 جدا کرد، لذا بایستی از عملیات متاناسیون که در واقع تبدیل این اکسیدها در مجاورت کاتالیست اکسید نیکل به متان که گاز بیاثر برای سنتز آمونیاک میباشد استفاده گردد. لذا در این مقاله شبیهسازی راکتور متاناسیون تبدیل اکسیدهای کربن به متان توسط نرمافزار Aspen Plus انجام شد.
×عملیات تبدیل کاتالیستی باقیماندههای اکسید کربن به متان - متاناسیون -
گازهای خروجی از بالای برج جذب حاوی مقادیری از کربنمونواکسید و کربندیاکسید میباشد. این دو گاز از سموم بسیار خطرناک کاتالیست راکتور سنتز میباشد و باید گاز سنتز از وجود آنها پاک شود. چون جداسازی این دو گاز مقدور نمیباشد، آنها را در مجاورت کاتالیست نیکل مطابق واکنشهای زیر به متان تبدیل مینمایند.
تغییرات فشار و درجه حرارت نشان میدهند که شرایط مساعد برای واکنشهای فوق بصورت زیر است:
-1 درجه حرارت پایین نگه داشته شود.
-2 فشار بالا باشد.
-3 مقدار هیدروژن زیاد باشد.
-4 استفاده از کاتالیست مناسب.
البته اگر درجه حرارت خیلی پایین باشد سرعت واکنشها کاهش مییابد. بهترین درجه حرارت این واکنش318 ℃ تعیین شده و به دقت کنترل میگردد. چون به ازای هر یک درصد اضافی از اکسیدهای کربن درجه حرارت معادل 65℃ بالا می- رود و اثرات نامطلوبی بجای میگذارد و از طرفی در دمای 318℃، %90 از واکنش تبدیل متان در همان مرحله اولیه ورود گاز انجام میگیرد که این نیز باعث بالا رفتن درجه حرارت میشود، سیستم ابزار دقیق آلارم و کنترل به منظور قطع فوری گاز و by pass نمودن راکتور درست 20 cmزیر سطح ورودی گاز راکتور نصب گردیده تا در صورت بروز هر علتی که سبب ازدیاد درجه حرارت گردد بطور اتوماتیک راکتور را by pass کند.
این راکتور دارای یک بستر کاتالیستی است که گازهای کربنمونواکسید و کربندیاکسید موجود پس از عبور از این بستر در مجاورت هیدروژن به متان تبدیل شده و با دمای363 ℃ از راکتور خارج میشوند. اکسیدهای کربن موجود در گاز خروجی حدود - 5-10 - ppm میباشد که از حد مجاز کمتر است. نکته بسار مهمی که در این راکتور باید در نظر داشت این است که درجه حرارت - 50-150 - ℃ کاتالیست نیکل در مجاورت کربنمونواکسید مادهای بنام نیکل کربنیل، مطابق واکنش زیر تولید میکند.
این ماده برای بهداشت محیط و سلامتی فوقالعاده خطرناک است. نیکل کربنیل در دمای محیط بصورت مایع و در دماهای بالاتر از 50 ℃ بصورت گاز است و در صورتیکه درجه حرارت از 1500℃تجاوز کند مجدداً به نیکل و اکسیدکربن تولید میشود. بنابراین باید سعی شود شروع به گرم کردن راکتور کلیه شیرها و راههای خروجی راکتور بسته باشد. نیکل کربنیل علاوه بر اینکه برای سلامتی مضر است، برای کاتالیست نیکل سمی مهلک محسوب میشود زیرا با خارج کردن مقادیری نیکل از محیط واکنش باعث نقصان و ضعف کاتالیست میشود.
روابط سینیتکی در راکتور متاناسیون
دادههای سینتیکی واکنشهای انجام شده در راکتور متاناسیون بصورت زیر میباشد از آنجا که واکنشهای - 4 - و - 7 - بصورت برگشتی در راکتور متاناسیون انجام میشود، رابطه سرعت این واکنشها بصورت زیر در نظر گرفته شد
