بخشی از مقاله
خلاصه
بکارگیری اصول ایمنی ذاتی در فاز های ابتدایی طراحی فرآیند بسیار کارآمد می باشد، چرا که ارزان تر تمام شده و فرآیندی پربازده تر را با خود به همراه می آورد. از طرفی در طی طراحی هر فرایند، تلاش ما استفاده از کمترین میزان انرژی و در نتیجه کاهش هزینه هاست. بدیهی است که رسیدن به فرایندی پربازده و کم هزینه بدون بهینه سازی فرایند امکان پذیر نخواهد بود.
در این تحقیق تلاش شده است تا ابتدا شاخص جامع PSI به منظور ارزیابی ایمنی ذاتی فرآیند، مورد مطالعه قرار گیرد، سپس ایمنی و انرژی کل فرآیند تولید و جداسازی تری آمیل متیل اتر - TAME - بهینه سازی شده و در نهایت با هم مقایسه شود. تری آمیل متیل اتر، به عنوان جایگزین سایر افزودنی ها در صنعت بنزین به عنوان بهبود دهنده عدد اکتان استفاده می شود.
با توجه به مسائل زیست محیطی فراوان که امروزه به دلیل استفاده از افزودنی های نظیر MTBA به وجودآمده است، اهمیت استفاده از افزودنی های سازگارتر با محیط زیست و بدن انسان نظیر TAME به طور روز افزون افزایش می یابد. برای تولید TAME دو فرایند مختلف وجود دارد. در این تحقیق یکی از فرایندهای تولید و جداسازی تری آمیل متیل اتر با استفاده از نرم افزار Aspen Hysys 8.8 شبیه سازی شده است.در طی این فرایند از دو راکتور پلاگ با ابعاد متفاوت برای تولید TAME استفاده شده است. سپس جداسازی محصولات به کمک سه برج تقطیر متوالی انجام و در نهایت هم شاخص های ایمنی محاسبه و بهینه سازی فرایند مورد بررسی قرار گرفته است.
.1 مقدمه
در گذشته برای بهبود عدد اکتان بنزین از اتیل سرب استفاده می گردید، اما به دلیل وجود مشکلات و خطرات برای سلامتی انسان ها این ماده افزودنی کنار گذاشته شد و استفاده از متیل ترشری بوتیل اتر - MTBA - رایج گردید. اما به دلیل امکان آلودگی آب های زیر زمینی به وسیله این ماده شیمیایی و همچنین تاثیر منفی بر سلامت و ایمنی انسان ها استفاده از این ماده حتی در بعضی از کشورهای در حال توسعه نیز ممنوع شده است و برای جایگزینی این ماده از اتیل ترت- بوتیل اتر ETBE و یا تری آمیل متیل اتر TAME استفاده می شود که در کاهش اثرات زیست محیطی نقش به سزایی دارند
از طرفی، هدف از طراحی فرآیند رسیدن به شرایطی ایمن، اقتصادی و مناسب برای محیط زیست در تمامی طول چرخه عمر فرآیند می باشد. ایمنی یک فرآیند شیمیایی را می توان با استفاده از اصول طراحیذاتاً ایمن تر و همچنین استفاده از ابزار های کمکی در سطح مشخصی تنظیم نمود. طراحیذاتاً ایمن تر اشاره به خواص و ویژگی های ذاتی فرآیند دارد به گونه ای که با توجه به آن ها بدون استفاده از ابزارهای کمکی می توان خطرات شناسایی شده را حذف و کنترل کرد
یکی از شاخص های مهم برای بررسی ایمنی فرایندها، شاخص PSI است
هنگامی که فرآیند طراحی می شود، لازم است تا تمامی اطلاعات در دسترس باشد، امالزوماً این مهم برای تغییرات مفهومی در فاز های ابتدایی برقرار نیست. بنابراین تناقضات موجود در طراحی فرآیند نیاز برای رسیدن به یک روش اختصاصی به منظور ارزیابی ایمنی ذاتی فرآیند در فاز های اولیه چرخه عمر را افزایش می دهد.[6] اینجاست که ارزش شاخص مذکور بیش از پیش نمایان شده و کار ما را برای طراحی فرایندی ایمن هموار می کند. شاخص PSI بدین صورت به دست میآید:
زمانی فرایند ما ایمن تر میشود که شاخص PSI کمترین مقدار خود را داشته باشد، بنابراین به هنگام بهینه سازی برای ایمن کردن فرایند باید مقدار عددی PSI کمینه شود. در نتیجه در حل این مسئله مقدار پارامتر ، در جواب نهایی تاثیری نخواهد داشت.
برای شبیه سازی یک فرآیند جدید تولید TAME نیاز به آنالیز مشخصات فیزیکی و شیمیایی اجزاء موجود و مخلوط آنها است. بدین منظور مطالعات فازی روی دو سیستم سه تایی - TAME-iC5-MeOH - و 2M2B-iC5- - - MeOH انجام شده که به وسیله این مطالعات، معادله ترمودینامیکی حاکم بر فرآیند و پارامترهای آن و فشار مربوط به برجهای تقطیر تعیین گردید.
ماده خامی که از آن جهت تولید - TAME - استفاده می شود، ایزوآمیلنهای غنی از پنتان هستند که از شکستن سوختهای سنگین به اجزاء سبک به دست می آید. فرآیند تولید - TAME - از دو مرحله اصلی تشکیل می شود که اولین مرحله انجام واکنشهایی است که منجر به تولید TAME می شود و مرحله دوم بازیابی متانولی است که در مرحله اول واکنش نداده و باید به ابتدای فرآیند بازگردد.در این تحقیق فرایند ذکر شده بدون بازیابی متانول مورد بررسی قرارگرفته است. واکنش تولید TAME توسط تبادل کاتیون در حضور یک رزین کاتیونی که نقش کاتالیزور را ایفا می کند، در فشار 8 بار، در دو راکتور متوالی Plug انجام می شود. استفاده از این کاتالیزور از ایجاد فاز بخار جلوگیری میکند و باعث می شود تا واکنشها همه در فاز مایع انجام شوند
شبیه سازی فرآیند توسط نرم افزارAspen HYSYS 8.8 انجام شده که ایزو پنتان تنها هیدروکربن جزء سبک در نظرگرفته شده و از وجود C6 و C7 صرف نظر شده است. همچنین معادله ترمودینامیکی مورد استفاده در شبیه سازی معادله NRTL می باشد.
.2 مطالعه فرایند تولید TAME
واکنش متانول با C5 غیر اشباع یعنی ایزوآمیلین ها -2 - متیل--1بوتن و -2متیل--2بوتن - ، TAMEرا تولید می کند. واکنشهای اصلی بین ایزوآمیلن ها و متانول و واکنش ایزومر شدن ایزوآمیلن ها به شرح زیر است:
اجزاء هتروژن می باشند و MeOH و TAME روی سطح کاتالیزور جذب می شوند در حالی که از جذب ایزوآمیلن ها روی سطح کاتالیزور صرف نظر می شود. با این فرضیات معادلات سینتیکی با استفاده از پارامترهای آرنیوس برای توصیف مدل استفاده می شود. نوع واکنش استفاده شده در فرایند از نوع Kinetic می باشد. پارامترهای سینتیکی واکنشها طبق جدول زیر می باشد:
جدول - 1 پارامترهای سینتیکی واکنش برای واکنش های TAME
معادلات سینتیکی بصورت زیر می باشد :
جهت شبیه سازی راکتورها از دو راکتور لوله ای Plug استفاده شده که طول راکتور اول 3 متر و طول راکتور دوم 4 متر می باشد، قطر هر دو 0.7 متر و ضخامت بدنه 0.8 میلیمتر در نظر گرفته شده است.
