بخشی از مقاله
خلاصه
راکتورهای بستر سیال کاتالیستی یکی از رایجترین انواع راکتورهای مورد استفاده در صنعت پتروشیمی میباشند. دو مزیت عمده این راکتورها نسبت به راکتورهای بستر ثابت، نرخ انتقال حرارت زیاد و امکان استفاده از ذرات ریزکاتالیست است که مشکل انتقال جرم داخل ذرات در ذرات بزرگتر را رفع میکند. ولی پیچیدگی رفتارهای فیزیکی و شیمیائی این راکتورها مشکلاتی را جهت تغییر مقیاس این راکتورها ایجاد میکند. برای پیشبینی رفتار یک راکتور شیمیائی به اطلاعاتی راجع به استوکیومتر ی واکنش، ترمودینامیک ، انتقال حرارت و جرم ، سرعت واکنش و الگوی جریان و غلظت مواد در داخل راکتور نیاز میباشد. در راکتورهای بستر سیال نوع جریان و نحوه تماس واکنشگرها نقش مهمی را ایفاء میکنند و مدلهای زیادی برای بررسی این جنبههای اساسی بسترهای سیال در مراجع ذکر گردیدهاند که شامل مدلهای همگن، مدلهای دو بعدی و مدلهای بستر حبابی میباشند. که در پایان این پژوهش به شبیهسازی یک راکتور کاتالیستی بستر سیال نیز پرداخته شده است.
کلمات کلیدی: راکتور کاتالیستی، شکستن کاتالیستی، بستر سیال
.1 مقدمه
مدلسازی و شبیهسازی فرآیندهای شیمیایی یکی از پارامترهای مهم طراحی، بهینهسازی، کنترل و scale-up میباشد. فرایند شکستن مولکولها در کاتالیست سیال - - FCC روشی است برای تبدیل هیدروکربنهای نفتی نسبتاً سنگین به محصولات سبکتر و با ارزشتر - عمدتاً بنزین با اکتان بالا - این عمل بوسیله برخورد هیدروکربنهای نفتی سنگین با کاتالیست داغی که به شکل پودر میباشد در شرایط خاصی از دما و فشار و در مدت زمان معینی انجام میگیرد. استفاده کردن از کاتالیست باعث میشود که واکنشهای شکست مولکولی در فشار پایین انجام پذیرد و محصولاتی با کیفیت بالاتر بدست آید. کاتالیست مورد استفاده پودر دانهدانه و نسبتاً ریزی از سیلیکا، آلومینا که یک ترکیب صنعتی است، میباشد.کاتالیست بصورت طبیعی نیز یافت میشود که کیفیت کمتری نسبت به کاتالیست مصنوعی دارد. به علت کوچک و ریز بودن ذرات، کاتالیست دارای دو خاصیت میباشد که این دو خاصیت در فرایند بسیار اهمیت دارند، این دو خاصیت عبارتند از:
-1 وقتی که به توده کاتالیست جریان کمی از گاز یا بخار آب یا هوا تزریق گردد و یا موقعی که تودهای از کاتالیست در مسیر جریان گازی با سرعت کم، قرار گیرد، توده کاتالیست به حالت سیال* و روان در میآید و از بسیاری جهات مانند یک مایع عمل میکند، یعنی کاتالیست سیال شده در لولهها فشار را منتقل نموده و باعث افزایش فشار استاتیکی و جریان در لولهها میگردد. نام فرایند FCC از همین خاصیت کاتالیست گرفته شدهاست.
-2 کاتالیست میتواند کلاً بصورت معلق باشد - معلق در گاز و هوا - و یا بوسیله جریانی از گاز باسرعت بالا، در مسیر افقی یا عمودی حمل گردد و جابجا شود. با این نوع جریان، کاتالیست بطور قابل ملاحظهای رقیق میشود. این نوع جریان در انتقال کاتالیست از راکتور به احیاء کننده و بالعکس مورد استفاده میباشد.
اولین واحد شکست کاتالیستی در سال 1936 میلادی ارائه و ساخته شد. این واحد با بستر ثابت طراحی شده بود. واحدهای بستر سیال از نوع FCC برای اولین بار در سال 1942 توسط شرکت Exxon در طول جنگ جهانی برای تولید بنزین با اکتان بالا و تولید محصولات جانبی نظیر بوتیلن برای فرایند الکیلاسیون به صورت صنعتی در آمد. از آنجایی که بنزین تولید شده در این واحد از نظر کیفی و کمی به مراتب بهتر از بنزین تولید شده در واحدهای شکست حرارتی و گازوئیلی بود، این واحدها با استقبال بسیار قابل توجهی روبرو شدند.پیش از دهه 80 میلادی واحدهای شکست کاتالیستی سیال بستر، هیدروکراکینگ از یک طرف و واحدهای Coking از طرف دیگر از واحدهای مطرح جهت ارتقاء برشهای سنگین نفتی در پالایشگاههای نفت به شمار میآمدند.
بعد از دهه 80 با افزایش قیمت نفت استفاده از واحدهای FCC و Hydrocracking مقرون به صرفه شد. از این زمان واحدهای FCC و Hydrocracking به صورت رقبای سرسختی برای واحد Coking در آمدند و به نظر میرسد که واحد Coking نهایتا مغلوب FCC و Hydrocracking شود. در حال حاضر با توجه به عدم ثبات قیمت نفت و همچنین هزینه سرمایهگذاری و عملیاتی کمتر و انعطافپذیری نوع خوراک و محصولات، تمایل بیشتر به ایجاد واحد FCC وجود دارد. از جمله دلایل استقبال از تکنولوژی FCC در صنعت نفت ایران میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
✓ بنزین از نظر حجم تولید مقام اول را نسبت به سایر محصولات پالایشگاه داراست.
✓ سنگینتر شدن تدریجی نفت خام لزوم استفاده بیشتر از واحدهای شکست کاتالیستی سیال بستر را به همراه دارد.
✓ با توجه به عدم ثبات قیمت نفت و همچنین هزینه سرمایهگذاری و عملیاتی کمتر و انعطاف پذیری نوع خوراک - خصوصا لزوم بر حداکثر تبدیل برشها و باقیماندههای سنگین نفتی در پالایشگاههای نفت - و محصولات، ایجاد واحد FCC ضرورت بیشتری مییابد.
بسترهای سیال بیش از 50 سال است که به عنوان راکتورهای صنعتی در فرآیندهای شیمیایی شامل فرآیندهای کاتالیستی گاز- جامد بکار برده می شوند. علی رغم تحقیقات گسترده روی سیالیت در طول این سال ها، هنوز جنبه های مهم بسیاری از این راکتورها که اثر مهمی بر عملکرد آنها دارند ناشناخته مانده است. عدم اطمینان کافی در رابطه با scale-up و مدلسازی این بسترها، مانع مهمی در استفاده گسترده از این راکتورها در صنایع شیمیایی است.دو نوع پدیده شیمیایی و فیزیکی هم زمان در این راکتورها وجود دارند : پدیده فیزیکی مربوط به هیدرودینامیک بستر- مانند خواص فازهای حباب و اموسیون - می شود و پدیده شیمیایی مربوط به تغییرات شیمیایی در هر فاز است.
برای مدل کردن مناسب یک راکتور بستر سیال، باید هر دو جنبه فوق را در نظر گرفت و مدل مناسب را درمورد هر یک از آنها استفاده کرد بسترهای سیال از لحاظ هیدرودینامیکی پیچیده تر از سایر روش های تماسی گاز جامد هستند لذا مهم است که مشخص کنیم چه پارامترهایی، هیدرودینامیک بسترهای سیال را تحت تاثیر قرار میدهند.از وقتی که بسترهای سیال برای نخستین بار در سال 1926 برای تولید گاز سنتز از ذغال سنگ توسط گاز ساز وینکلر بکار رفت. تا امروزه ، این روش برای تعداد زیادی از فرآیندهای شیمیایی مخصوصا بسترهای کاتالیستی کاربرد داشته است. تعدادی از این فرآیندهای شیمیایی مخصوصا سنتزهای کاتالیستی بستر سیال عبارتند از: کراکینگ کاتالیستی نفتا، تولید انیدرید فتالیک، اکسیداسیدن کاتالیستی انیلن، تولید کلریدهای آلکیل، تولید استونیتریل از استیلن و آمونیاک، پلیمریزاسیون الفین ها و...ین راکتورها به واسطه یکنواختی دمای قابل توجه که دارند به عنوان یک روش موثر برای واکنشهای کاتالیستی، مخصوصا واکنشهای شدیدا گرمازا و حساس به دما توصیه شدهاند.
دلیل اصلی برای انتخاب بستر سیال به جای بستر ثابت برای واکنشهای فاز گازی همراه با کاتالیزور جامد، نیاز شدید به کنترل دما در منطقه واکنش بوده است. دلایل متعددی برای این نیاز ممکن است وجود داشته باشد که از آن جمله میتوان به بهره کم تولید محصولات مطلوب در دماهای نامناسب و غیرفعال شدن کاتالیست در اثر ایجاد نقاط داغ اشاره کرد. از آنجا که گازها در مقایسه با حرارت واکنشهایشان دارای خصوصیت ضعیف انتقال حرارت هستند، نیاز به روشی برای تشدید انتقال حرارت است و این در یک بستر سیال به راحتی فراهم میشود. این راکتورها همچنین برای واکنشهای غیرکاتالیستی گاز- جامد هم کاربردهای زیادی داشته و دارد که از آن جمله میتوان به فرآیندهای زیر اشاره کرد:خشک کردن جامدات، جداسازی مواد خیلی رقیق از جریان گاز توسط جذب سطحی، به عنوان مبدل حرارتی برای کاهش سریع دما از محصول فلزی، جامدسازی یک مذاب جهت ایجاد گرانول و...
