بخشی از مقاله
چکیده
متانول از مهم ترین محصولات پتروشیمی و به عنوان یکی از محصولات راهبردی در تولید بسیاری از محصولات نهایی مانند حلال ها، رنگ ها، پلاستیک ها و ضدیخ ها، نقش عمده ای در تولید محصولات شیمیایی دارد. در این مقاله شبیه سازی واحد تولید متانول انجام گرفته و نتایج حاصل از شبیه سازی با مقادیر طراحی مقایسه شده است.
سپس، تاثیر عوامل مختلف بر عملکرد بخش سنتز بررسی شده و در پایان تاثیر مقدار جریان پرج خروجی از لوپ سنتز بر میزان متانول تولید شده، جریان سیر کوله وکار کمپرسور لوپ سنتز بررسی شده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که هراندازه مقدار جریان پرج خروجی از لوپ سنتز بیشتر باشد، مقدار جریان سیرکوله کمتر شده وکار کمپرسور لوپ سنتز کاهش می یابد. در مقابل، مقدار تولید محصول یعنی متانول نیز کاهش می یابد که این موضوع به معنای کاهش سود خواهد بود. با توجه به این امر مقدار بهینه برای جریان پرج مشخص گردید.
1 مقدمه
متانول یا متیل الکل، مایعی بی رنگ، فرار، آتشگیر، سمی، با بویی زننده وبه شدت قطبی می باشد . متانول به عنوان حلال و به عنوان ماده اولیه برای تهیه مواد شیمیایی از قبیل فرمالدهید و هم چنین به عنوان سوخت استفاده می شود. متانول با استفاده از گاز سنتز در واحدهای بزرگ تولید می گردد. گاز سنتز شامل CO2 ،CO ،H2 ، آب و ترکیبات بی اثر دیگری چون متان و نیتروژن می باشد .[1] خوراک جایگزین به جای گاز سنتز نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. توده زیستس، چوب یا زباله با اکسیداسیون جزئی [2] و CO2 درتولید متانول می توانند مورد استفاده قرار گیرند .[3]
تولید متانول سنتزی اولین باردر سال 1923 در شرکت BASF آلمان، با به کار بردن کاتالیست روی-کروم آغاز شد .[2] اسکرزپیک و همکارانش در سال 1985 با در نظر گرفتن نفوذ داخلی کاتالیزگر واحد متانول را شبیه سازی کردند. آنها دریافتند که نفوذ داخلی از پارامترهای کنترل کننده سرعت واکنش می باشد. در سال 1988 گراف و همکارانش روی واکنش های سنتز متانول کار کرده و سینتیک سنتز متانول در فشارهای پایین تر را ارائه کردند. آن ها به این نتیجه رسیدندکه متانول در فرایندهای فشار پایین به طور همزمان می تواند از CO و CO2 تشکیل شود .[ 4]
در سال 2001، لوویک از دانشگاه تکنولوژی وعلوم نروژ، دانشکده مهندسی شیمی، در یک پایان نامه دکتری روی بهینه سازی دینامیکی سنتز متانول با در نظر گرفتن افت فعالیت کاتالیست کار کردند. هدف از این تحقیق یافتن بهترین روش کنترل حلقه سنتز بود به گونه ای که ماکزیمم میزان متانول در مدت زمان عمر کاتالیست بدست آید .[2] در این مقاله به شبیه سازی واحد متانول خارگ توسط نرم افزار Aspen plus پرداخته شده است. در ابتدا شرح مختصری از فرایند تولید متانول ذکر شده وسپس واحد متانول توضیح داده می شود. در پایان هم به بررسی عوامل گوناگون موثر بر میزان متانول تولید شده پرداخته و نتایج به صورت نمودار بیان می شود.
واکنش های فوق برگشت پذیر هستند بنابراین فقط قسمتی از اکسیدهای کربن و هیدروژن پس ازعبور از بستر کاتالیست به متانول تبدیل می شوند و مابقی بدون تبدیل از راکتور خارج می شود. بنابراین برای تولید بیشترین مقدار متانول، ضروری استمتانول موجود درگاز خروجی از راکتور جدا شده و مابقی گاز مجدداً به راکتور بازگردانده شود که به همین منظور از لوپ سنتز متانول استفاده می شود.
مشاهده می شود که متانول تحت واکنش هیدروژناسیون دی اکسیدکربن و یا مونواکسید کربن در مجاورت کاتالیست مس- روی بر پایه آلومینا تولید می گردد .[5] کاتالیزورهای به کار گرفته شده در واحدتولید متانول عموما بر پایه Cu می باشند که باعث کاهش تولید محصولات جانبی می شوند و عمر مفید آن ها بیش از سه سال می باشد. به کارگیری این کاتالیزورها موجب توسعه دو نوع متفاوت از فرایندهای اصلی تولید متانول شده است .[6 - 8] این فرایندها عبارتند از فرایندهای قدیمی و فرایندهای جدید.
در فرایندهای قدیمی بازه عملیاتی دمایی 320-450 ˚Cو بازه فشار 25-35 MPa می باشد و براساس نوع راکتور به کار گرفته شده به دو بخش راکتورهای ایزوترمال و آدیاباتیک تقسیم بندی می شود 10]و .[9 تفاوت این دو روش بر مبنای نحوه سرد سازی فرایند می باشد. فرایندهای جدید از یک سری راکتور های عمودی تشکیل شده اند، که طراحی آن ها بر اساس نوع شرکت و کمپانی طراحی کننده و صاحب امتیاز آن ها متفاوت می باشد 11] و.[12
2 .شرح فرایند:
گاز طبیعی که عمده آن متان است به منظور تبدیل به گاز سنتز با دمای 833 K و فشار 23/5 bar وارد ریفرمر اولیه H- - 2001 - می شود. گاز سنتز خروجی به منظور خنک شدن و بازیافت انرژی وارد یک مجموعه مبدل شده و پس از آب گیری، وارد کمپرسور دو مرحلهای شده و فشارآن از 17 barنهایتاً به 82 bar می رسد. بین این دو مرحله کمپرسور، گاز در مبدل - E-3001 - از دمای 404 K به 313 K خنک می شود.
کندانس های گاز پروسس در جدا کننده - D-3001 - جدا می شوند. این گازها در دمای 404 K و جریان برگشتی از لوپ سنتز در دمای 318/7 K با هم مخلوط شده و به منظور پیش گرم شدن وارد مبدل - E-4001 - می شوند. خروجی راکتور با دمای 528 K که شامل متانول، آب، گازهای واکنش نداده و بخش کوچکی از محصولات جانبی است، نیز وارد مبدل - E-4001 - می شود تا حرارت خود را به گاز ورودی دهد.
جریان خروجی از راکتور و مبدل با فشار 81 bar ، جهت جداسازی متانول خام از گازهای واکنش نداده، ابتدا درمبدل AE- - - 4001 تا دمای 313 K خنک شده و سپس وارد درام - D-4002 - می شود. جریان مایع خروجی از این درام به واحد تقطیر هدایت می شود، وجریان گازی به عنوان گاز برگشتی وارد اسپلیتر - B2 - شده تا مقداری از ناخالصی های آن پرج شود. برای اینکه فشار گاز برگشتی به حد قابل قبولی برای ورود به راکتور متانول برسد وارد کمپرسور - C-3002 - می شود.
.3 شبیه سازی
شبیه سازی یک فرایند بدین معناست که با استفاده از روابط اساسی مهندسی ازقبیل موازنه جرم وانرژی، تعادل شیمیایی وفازی و سینتیک واکنش ها، رفتار سیستم و فرایند قابل پیش بینی شود. با شبیه سازی واحدهای عملیاتی که هنوز ساخته نشده اند، می توان به طراحی بهتری از فرایند دست یافت. شبیه سازی واحدهای موجود نیز کمک می کند که با ایجاد تغییراتی در فرایند ،امکان رسیدن به سود دهی بیشتر را بررسی نمود .[13] بنابراین با شبیه سازی فرایند می توان به اهداف زیر دست یافت:
· انتخاب بهینه و درست تجهیزات مطابق با اهداف طراحی
· ارزیابی صحیح تغییرات خوراک، نوسانات و خارج ازسرویس بودن تجهیزات
· ایمنی، قابلیت اعتماد وسودمندی درطول عمر مجتمع
