بخشی از مقاله
خلاصه
در این مطالعه شبیه سازی انتقال جرم و حرارت میکرو راکتور بستر ثابت همراه با واکنش شیمیایی با استفاده از تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی انجام شده است.بدین منظور معادلات حاکم بر عملکرد این سیستم شامل معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی به همراه معادلات توربولان در المان حجم محدود به طور هم زمان و با استفاده از نرم افزار CFD حل شده است.تاثیر پارامتر های دما در بازه ی - 300°c-600°c - و دبی سیال ورودی به راکتور در سه دبی مختلف بر میزان تبدیل واکنشگر ها بررسی شده است.
به منظور در نظر گرفتن گرمای تولید یا مصرف شده در بستر متخلخل که واکنش شیمیایی در آن به وقوع می پیوندد، چشمه و چاه حرارتی در معادله ی انرژی جایگذاری شده است و نتایج حاصل از شبیه سازی ها به وسیله ی داده های آزمایشگاهی میکرو راکتور موجود در برای فرایند هیدروکراکینگ بر روی کاتالیست دو عاملی AL-HMS/ - pt0.1 sn0.1 ni0.3 - مورد ارزش سنجی قرار گرفته اند.هدف این شبیه سازی پیدا کردن شرایط بهینه از نظر دما و دبی ورودی برای انجام واکنش با استفاده از تکنیک CFD میباشد.
.1 مقدمه
پیشرفت روز افزون بشر در زمینه های مختلف از جمله تکنولوژی ماشینی سبب شده است تا استفاده بهینه از انرژی و تولید سوخت بیشتر، بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد.فرآیند هیدرو کراکینگ یک فرآیند کلیدی در صنعت پالایش نفت می باشد.وظیفه ی اصلی این واحد، تبدیل برش های سنگین نفت به برش های سبکتر بوده که این عمل در حضور گاز هیدروژن و روی بستر کاتالیست انجام می شود. دما، فشار و جنس کاتالیست عوامل موثر در کراکینگ خوارک به برش های سبک تر میباشد که آنالیز و بررسی آن در طول فرایند مشکل می باشد، بنابراین شبیه سازی انتقال حرارت و جرم برای این راکتور ها به منظور بهینه کردن مصرف انرژی ضروری به نظر می رسد.[1-3]
در سال های اخیر امکان حل عددی معادلات جریانی، حرارتی و جرمی با استفاده از کامپیوتر های پر سرعت به وجود آمده است. با این حال هنوز در این زمینه محدودیت هایی نظیر نیاز به منابع محاسباتی زیاد، پردازنده های قوی، عدم حذف خطا های حل عددی ،وابستگی نتایج به نیروی انسانی و مدل کردن تنش های رینولدز و معادلات توربولان وجود دارد.[4-5]در هیچکدام از مطالعات تا کنون شبیه سازی انتقال جرم و حرارت در میکرو راکتور های حاوی هیدرو کراکینگ انجام نشده است و این نکته نشانه برتری و مزیت این مطالعه می باشد.در این مطالعه با در نظر گرفتن ناحیه متخلخل به عنوان بستر واکنش ها و نیز سیستم راکتور در حالت آدیباتیک ، با ارزش سنجی به وسیله ی داده های آزمایشگاهی سعی شده تا حد امکان شبیه سازی معتبر از سیستم به دست آورده شود.
2. شرایط آزمایشگاهی
ستاپ آزمایشگاهی مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است. این سیستم شامل راکتوری فلزی از جنس Stain less steel درون ژاک گرمایی قرار داده شده است.محفظه داخلی راکتور به اندازه 1 گرم ازکاتالیست AL-HMS/ - Pt0.1 Sn0.1 Ni0.3 - پر شده است میزان خوراک ورودی از طریق سیستم MFC کنترل می شود. محصول خروجی از راکتور به طور همزمان بوسیله دستگاه کروماتوگرافی با مشخصات ستون مویی Pona به طول 50 متر و قطر داخلی 0.2 mm آنالیز و بررسی می شود. .سپس بعد از شناسایی کیفی محصولات واکنش بایستی آنالیز کمی انجام شود تا با استفاده از آن درصد وزنی مواد به وجود آمده مشخص گردد.
برای بررسی هیدروکراکینگ نرمال دکان، ابتدا کاتالیست در دمای450 0c به مدت یک ساعت در حضور هیدروژن و با دبی 57ml/h احیا شد. سپس دکان توسط دستگاه تزریق خوراک با ضریب تناسب H2/HC=10 و LHSV=2 s-1 همراه با جریان هیدروژن به داخل راکتور حاوی کاتالیست AL-HMS/ - - Pt0.1 Sn0.1 Ni0.3 - تزریق و با استفاده از سیستم راکتوری ذکر شده واکنش هیدرو کراکینگ در بازه ی دمایی - - 600-300 c° و در 3 دبی مشخص با سرعت سیال - - 10-5,10-3,10-2 m/s انجام و محصولات به صورت کیفی و کمی آنالیز شدند.
می توان از دمای واکنش، درصد وزنی فلزی، و زمان ماند - سرعت حرکت سیال - به عنوان پارامتر های موثر در واکنش هیدرو کراکینگ نرمال دکان اشاره کرد. به دلیل پیچیدگی های ناشی از مشخص نبودن واکنش ها در تبدیل نفت خام به اجزای سبکتر لذا نرمال دکان به عنوان خوراک برای ارزیابی بازدهی کاتالیست و شبیه سازی مورد استفاده قرارمی گیرد و نیز در این مطالعه، اثر دما و سرعت حرکت سیال مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
.3تئوری
.1,3 روش کار
در این مطالعه، هندسه ی راکتور از تقارن محوری برخوردار است لذا معادلات را در حالت دو بعدی و به فرم تقارن محوری بیان می کنیم.
.2,3 مدل و شبکه سنتیکی واکنش:
مدل سنتیکی ارائه شده در این مطالعه با نرمال دکان به عنوان خوراک و هفت جز سبک تر شامل هیدروژن، متان، اتان، پروپان، بوتان،پنتان، C5+ می باشد.شبکه ی واکنش - شکل - 2 در نظر گرفته شده می بایست به اندازه ی کافی ساده و برای ارائه به نرم افزار CFD و ارائه مدل در مقیاس راکتور های صنعتی دقیق باشد[6] .برای تعریف شبکه ی واکنش برای انجام شبیه سازی ها ملزم به استفاده از اطلاعات واکنش که جدول - 1 - آورده شده است و نرم افزار chemkin هستیم.برای استفاده از مجموعه واکنش های هیدروکراکینگ مجبور به تعریف شبکه ی نشان داده شده در شکل - 2 - در نرم افزار chemkin می باشیم.
