بخشی از مقاله
چکیده:
گاز سنتز به مخلوط گازهایی اطلاق می شود که حاوی منوکسید کربن و هیدروژن به نسبتهای مختلف باشند. تولید گاز سنتز با استفاده از راکتور اتوترمال یکی از متداول ترین روشهای تولید گاز سنتز است که در آن اکسیژن، بخار آب و گاز طبیعی به طور همزمان به آن وارد می شوند. هدف این تحقیق، بررسی تاثیر ترکیب در صد گاز خوراک بر روی عملکرد راکتور راکتور اتوترمال مورد استفاده در شرکت پتروشیمی زاگرس است که در این مسیر از نرم افزار ASPEN ONE 7,2 برای شبیه سازی استفاده شده است. انتظار می رود که با افزایش هیدروکربن های سنگین تر از متان، شاهد کاهش دمای خروجی از این راکتور و افزایش میزان متان خروجی آن باشیم. نتایج حاصل از شبیه سازی، این موضوع را تایید می کند.
مقدمه
گاز سنتز به مخلوط گازهایی اطلاق می شود که حاوی منوکسیدکربن و هیدروژن به نسبت های مختلف باشند. هیدروژن و منوکسیدکربن دو ماده مهم در صنایع شیمیایی محسوب شده و دارای مصارف فراوانی می باشند. این مخلوط گازی، ماده اولیه بسیار با ارزشی جهت تولید مواد متنوع شیمیایی می باشد. با استفاده از این گاز و فرایندهای مختلف می توان مواد متنوع شیمیایی را تولید نمود که بسته به روش تولید آن، نسبت های مختلف هیدروژن به منوکسید کربن به دست می آید. اکثر روشهای استفاده از گاز طبیعی جهت تولید فراوردههای باارزش، مستلزم تولید گاز سنتز به عنوان ماده میانی میباشند.
از معمول ترین روشهای تهیه گاز سنتز از منابع هیدروکربوری می توان به تهیه گاز سنتز از زغال سنگ، مواد سنگین نفتی، نفتا، اکسیداسیون جزئی هیدروکربن ها و گاز طبیعی اشاره کرد. تولید گاز سنتز با نسبتهای متغیر هیدروژن به منوکسید کربن، برای مصرف در مجتمعهای پتروشیمی که بر اساس گاز سنتز تولیدات خود را ارئه می دهند مورد نیاز است که این کار، کاهش هزینه سرمایه گذاری اولیه و هزینه های جاری را به دنبال دارد. فرایندهای ریفرمینگ با CO2 و CataliticPartialOxidation می توانند گاز سنتز را با نسبتهای متغیر هیدروژن به منوکسید کربن تولید کنند.
در حالیکه تولید گاز سنتز با نسبتهای متغیر هیدروژن به منوکسید کربن را می توان با بهینه سازی فرایندی مبتنی بر ریفرمینگ بخاری و ریفرمینگ اتوترمال به همان خوبی CataliticPartialOxidation بدست آورد. گاز سنتز که مخلوطی از هیدروژن و مونوکسیدکربن است معمولا حاوی دی اکسید کربن هم می باشد که محصول میانی مطلوبی برای تولید بیشتر محصولات است. در سنتز متانول، منوکسید کربن و دی اکسید کربن هر دو به عنوان واکنش دهنده در واکنش تولید شرکت می کنند - افشاری،. - 1391
فرایند ریفرمینگ بخاری یکی از روش های تولید هیدروژن مخصوصا در پالایشگاه هاست. در فرایند ریفرمینگ با بخار آب، هیدروکربن های سبک مانند متان در حضور کاتالیزورهای مناسب که عموما نیکل بر پایه آلومینا است به هیدروژن و منوکسید کربن تبدیل می شوند. انجام این واکنش ها - بسته به نوع کاتالیزور مورد استفاده - اغلب با واکنش شیفت گاز آب همراه است.
واکنش ریفرمینگ با بخارآب بسیار گرماگیر است و با افزایش فشار واکنش، مقدار گرمای لازم برای انجام آن افزایش می یابد. این فرایند معمولا با نسبت بخار اضافی - نسبت مولی بخار به متان - برابر2تا4 و دمایی حدود 750 تا 900 درجه سانتیگراد انجام می شود. گاز سنتز خروجی از این راکتور حاوی هیدروژن و منوکسید کربن و دی اکسید کربن و بخار آب و مقداری متان واکنش نداده است.
مجموعه این واکنش ها در زیر نشان داده شده اند. واکنش های زیر به ترتیب واکنش های ریفرمینگ خشک و ریفرمینگ بخاری و واکنش شیفت گاز-آب نامیده می شوند. به علت طبیعت گرماگیر واکنش ریفرمینگ با بخار آب، 35 تا 50 در صد از کل انرژی در راکتور مصرف می شود که نیمی از آن صرف بالا بردن دما و نیمی از آن صرف انجام واکنش می شود. گاز سنتز راکتور را در دمای 900-800 درجه سانتیگراد ترک می کند. در فرایندهای ریفرمینگ بخاری معمولا تبدیل کامل به دست نمی آید بنابراین اگر بخواهیم به تبدیلی بالاتر دست یابیم باید از یک ریفرمر ثانویه استفاده کنیم. در این راکتور، گرمای لازم برای انجام واکنش با سوختن داخلی تامین می شود.
افزودن اکسیژن به فرایند ریفرمینگ متان ممکن است بدون حضور یک کاتالیزور انجام شود که در این حالت به آن اکسیداسیون جزئی همگن - PartialOXidation - می گویند. در این نوع ریفرمر، اکسید کننده که معمولا اکسیژن است با خوراک هیدرو کربنی - مثل متان - ، درون راکتور با هم مخلوط شده و واکنش به شکل همگن و در دمای بسیار بالا انجام می شود - حدود1300تا1400 درجه سانتیگراد - - افشاری،. - 1391 واکنش اکسیداسیون جزئی گرمازاست که طبق واکنش تعادلی زیر انجام می شود: در واقع این فرایند، واکنش غیرکاتالیستی گاز خوراک و اکسیژن در دما و فشار بالا برای تولید گاز سنتز است.
در این فرایند ، اگر دمای خوراک ورودی بالاتر از 370 درجه سانتیگراد باشد، مقدار تبدیل متان کامل خواهد بود. از آنجاییکه در این راکتور، کاتالیست وجود ندارد، دمای آن بالاتر و بین1200تا 1500 سانتیگراد خواهد بود تا تبدیل کامل متان بدست آید. بنابراین، برخی واکنش های احتراق کامل که در آن دی اکسید کربن و آب به واسطه گرماگیر بودن واکنش هایی نظیر SteamMethaneReforming و ریفرمینگ با دی اکسید کربن تولید مشوند، رخ می دهند.
دمای گاز خروجی نیز حدود 1000 تا 1100 درجه سانتیگراد خواهد بود و گاز خروجی در حالتی نزدیک به تعادلی است. معمولا نسبت هیدروژن به منوکسید کربن بین 1/6 تا 1/8 دارند. مهمترین مزیت PartialOXidation اینست که می تواند هر خوراک هیدروکربنی را از گاز طبیعی تا مواد پالایشگاهی سنگین و کک و حتی خوراک های جامد نظیر زغال را مورد استفاده قرار دهد.
اگر واکنش های تولید گاز سنتز به صورت ناهمگن بر روی یک یا چند کاتالیست انجام شوند به آن اکسیداسیون جزئی کاتالیستی گویند - . - CataliticPartialOxidation در این فرایند، اکسیژن یا هوا به عنوان اکسید کننده و خوراک هیدروکربنی قبل از ورود به بستر کاتالیزور در یک مخلوط کننده مخلوط شده و سپس وارد بستر می شوند. در منطقه کاتالیزوری، واکنشهای ناهمگن شامل واکنشهای سوختن جزئی، سوختن کامل و ریفرمینگ بخاری و واکنش شیفت گاز- آب انجام می شوند. اکسیداسیون جزئی فقط در دماهای بالاتر از 900 درجه سانتی گراد مطلوب است.
