بخشی از مقاله
چکیده :
گاز سنتز به مخلوط گازهایی اطلاق می شود که حاوی منوکسید کربن و هیدروژن به نسبتهای مختلف
25 mm 30 mm 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 وارد راکتور می شوند. هدف این تحقیق، بررسی تاثیر تغییرات ترکیب درصد گاز خوراک بر روی عملکرد راکتور اتوترمال مورد استفاده در شرکت پتروشیمی زاگرس است. در این مسیر از نرم افزار ASPEN ONE 7.2 برای شبیه سازی استفاده شده است. انتظار می رود که با افزایش مقدار هیدروکربن های سنگین تر از متان شاهد کاهش دمای خروجی از این راکتور و افزایش میزان متان خروجی از آن باشیم. نتایج حاصله از شبیه سازی، موید این موضوع است.
.1 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 تولیدی 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 منوکسیدکربن، برای مصرف در مجتمع های 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 منوکسیدکربن تولید کنند در حالیکه تولید گاز سنتز با نسبتهای متغیر هیدروژن به منوکسیدکربن 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، منوکسیدکربن و دی اکسیدکربن هر دو به عنوان واکنش دهنده در واکنش تولید شرکت می کنند.
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 منوکسیدکربن 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 700 تا 900 درجه سانتیگراد انجام می شود. گاز سنتز خروجی از این راکتور حاوی هیدروژن، منوکسیدکربن، دی اکسیدکربن، 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.
در فرایندهای ریفرمینگ بخاری معمولا تبدیل کامل متان به دست نمی آید بنابراین اگر بخواهیم به تبدیلی بالاتر دست یابیم باید از یک ریفرمر ثانویه استفاده کنیم که در آن 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 - .[1] 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 آنجایی که 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 می شوند، رخ می دهند. دمای گاز خروجی نیز حدود 1000 تا 1100 درجه سانتیگراد خواهد بود و گاز خروجی در حالتی نزدیک به تعادلی است و معمولا نسبت هیدروژن به منوکسیدکربن بین 1/6 تا 1/8 دارند. مهمترین مزیت PartialOXidation این است 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. در مقایسه با فرایند اکسیداسیون جزئی غیرکاتالیزوری، امکان تشکیل کک در این فرایند کمتر بوده، نیاز به اکسیژن کمتری دارد و همچنین این فرایند را می توان در دماهایی پایین تر انجام داد. در هنگام انجام این فرایند به بخارآب نیازی نیست و دمای واکنش پایین تر از 1000 درجه سانتی گراد است.
اگر واکنش های اکسیداسیون جزئی به صورت مخلوط همگن و ناهمگن انجام شوند به طوری که در ابتدای راکتور واکنش همگن و سپس واکنش های ناهمگن کاتالیزوری انجام شود این نوع راکتور را اصطلاحا ریفرمر اتوترمال - AutoThermalReformer - می نامند.
این راکتور، مخزن پر فشاری است که داخل آن با لایه هایی از آجرهای نسوز پوشانده شده و شامل یک مشعل، یک محفظه احتراق و یک بستر کاتالیستی است. خوراک هیدروکربنی با بخار و اکسیژن خالص مخلوط می شود. در محفظه احتراق واکنش های احتراق جزئی انجام می شود و در قسمت پایین راکتور که با کاتالیست ریفرمینگ مقاوم در برابر دمای بالا پر شده است در حین عبور گاز از روی بستر ثابت، واکنش های ریفرمینگ بخاری و گاز - آب انجام می شوند. این روش، ترکیبی از اکسیداسیون جزئی و ریفرمینگ بخاری است. در اثر رخ دادن واکنش های اکسیداسیون جزئی در بخش ورودی راکتور و تامین گرمای مورد نیاز واکنش ریفرمینگ بخاری که در بخش دوم مخزن که با کاتالیست پر شده انجام می شود، هیچ نیازی به تهیه گرمای راکتور کمتر و یا بیشتر از مقداری که از پیش گرم کردن واکنشها فراهم می شود، نیست.
مزایای ریفرمینگ اتوترمال توجهات زیادی را به خود معطوف کرده است از جمله کوچکتر بودن آن نسبت به ریفرمینگ بخاری، قیمت تمام شده کمتر، پتانسیل بالای آن برای بهینه سازی اقتصادی واحد و انعطاف پذیری بالای آن در تولید محصولات.
هر چند که در مقالات، نتایج تستهای متعددی برای واحدهای پایلوت و بزرگتر از آن و در شرایط مختلف عملیاتی گزارش شده است لیکن کمبود مدل سازی و شبیه سازی در مورد عملکرد راکتور ریفرمینگ اتوترمال احساس می شود. در دماهای بالا و فشار مناسب، ریفرمینگ اتوترمال، کربن تولید نمی کند و حتی اگر در قسمت اکسیداسیون جزئی کربنی تولید شود، پس از عبور از روی کاتالیزور رسوب نمی کند و می توان آنها را در محصولات خروجی ردیابی کرد. البته در آغاز فرایند که هنوز بستر کاتالیستی به اندازه کافی گرم نشده است، واکنش به سمت تولید کک نیز خواهد رفت.
