بخشی از مقاله
چکیده
تبدیل کاتالیستی مستقیم متان به متانول روش جدیدی است که به واسطه آن فرایند میانی و هزینه بر تولید گاز سنتز حذف میشود. در این مقاله از تئوری دو فازی سیالیت - Two Phase Theory - برای شبیهسازی استاتیکی و دینامیکی فرایند اکسیداسیون کاتالیستی مستقیم متان به متانول در راکتور بستر سیال پرشده با کاتالیست وانادیوم پنتااکسید استفاده شده است.
با استفاده از قوانین بقا، سینتیک واکنش و معادلات هیدرودینامیکی بستر سیال، رفتار راکتور بررسی شده است. و عملکرد راکتور با محاسبه درصد تبدیل متان و انتخابپذیری متانول ارزیابی شده است. با توجه به نتایج شبیهسازی دمای واکنش یکی از پارامترهای مهم در رفتار راکتور است. برای کنترل دمای راکتور در مقدار بهینه سامانه کنترلی مناسب طراحی شده است. عملکرد کنترل کنندههای PI، PID ثابت و PID فازی در تعقیب مقدار مقرر دمای راکتور و حذف اغتشاش دمای خوراک ورودی بررسی شدهاند نتایج حاکی از آن است که عملکرد کنترل کننده PID فازی بهتر و سریعتر است.
-1 مقدمه
امروزه متانول با مصرف سالانه بیش از 60 میلیون تن جایگاه ویژهای را در بین محصولات پتروشیمی به خود اختصاص داده است که موارد کاربرد آن به دودسته اصلی سنتزهای شیمیایی و کاربردهای سوختی تقسیمبندی میشود .[2 ,1] هماکنون قسمت عمدهی متانول از گاز طبیعی و بهوسیله فرایند دومرحلهای و پرهزینه تولید میشود که این فرایند شامل تولید گاز سنتز با استفاده از بخارآب و تبدیل گاز سنتز به متانول است.
تبدیل مستقیم متان به متانول روشی است که بهواسطهی آن فرایند میانی و هزینهبر تولید گاز سنتز حذف میشود. اما از طرف دیگر نتایج تحقیقات نشان میدهند که، به دلیل پایداری بیشتر مولکولهای متان نسبت به مولکولهای متانول، درصد تبدیل متان و انتخابپذیری متانول در این روش مقادیر پایینی هستند ,4] .[5 از یک نظر میتوان مجموعه تحقیقات انجامگرفته روی این فرایند را به دودسته واکنشهای فاز گازی همگن و واکنشهای کاتالیستی ناهمگن تقسیمبندی کرد..
از مطالعات انجامشده روی فرایند تبدیل مستقیم همگن فاز گازی میتوان به کارهای حقیقی1 و همکاران [6]، ژانگ2 و همکاران [7 ,5]، تاکموتو3 و همکاران [8]، تنگ4 و همکاران [9]، چلاپا5 و همکاران [10]، و درزمینه تبدیل کاتالیستی میتوان به کارهای ون شنگ چن[11] 6، لاجویسکا7 و همکاران [12]، ژانگ8 و همکاران [5]، سهرابی و وفاجو[2] 9، تاکموتو10 و همکاران [13]، وو جین چوی[14] 11، تیلور12 و همکاران [15]، چلاپا و ویسواناث[16] 13 و غیره اشاره کرد.
تنوری مجموعههای فازی و منطققق فازی را اولین بار پرفسور لطفی-زاده در رسالهای به نام " مجموعههای فازی - اطلاعات و کنترل" در سال 1965 معرفی نمود هدف اولیه او در آن زمان توسعه مدلی کارآمدتر برای توصیف فرایند پردازش زبانهای طبیعی بود. در واقع سادهترین تعریف برای منطق فازی این است که روشهای نتیجهگیری در مغز بشر را جایگذین میکند .[17] با توجه نتایج تحقیقات اشاره شده در بالا دمای واکنش یکی از مهمترین پارامترها در فرایند اکسیداسیون جزئی متان به متانول است. بنابراین هدف از این مطالعه طراحی سیستم کنترلی مناسب برای کنترل دمای راکتور بستر سیال تولید مستقیم متانول است. به این منظور ابتدا راکتور در شرایط پایا و ناپایا شبیهسازی شده و سپس با استفاده از نتایج شبیهسازی دینامیکی کنترلکننده مناسب به دو روش کلاسیک و منطق فازی طراحی شده است.
-2 مدلسازی ریاضی
-1-2 سینتیک واکنش
مکانیسمهای متعددی برای سیستم واکنشهای این فرایند پیشنهاد شده که از آنجمله میتوان به سینتیکهای پیشنهادی چلاپا و ویسوانات [16]، چان و آنتونی [19 ,18] و یارلاگادا و همکاران [20] اشاره کرد. در این مقاله بعد از بررسی مکانیسمهای مختلف از مکانیسم چلاپا و ویسوانات [16] که توسط سهرابی و همکاران بهبود داده شده است [2] استفاده شده است.
سرعت واکنش پنجم خیلی زیاد است و بهصورت آنی اتفاق میافتد. درنتیجه این واکنش اثری درنتیجه محاسبات موردنظر نخواهد داشت .[21] واکنشهای 1 تا 4 نیز ابتدایی و درجه اول محسوب میشوند که ثابت سرعت آنها از رابطه آرنیوس به دست میآید .[21] مقادیر پارامترهای سینتیکی برای هر یک از واکنشها در جدول 1 آمده است.
نتیجه بررسی رفتار راکتور بهصورت تغییرات درصد تبدیل متان، انتخابپذیری متانول و بازده تولید متانول گزارش میشوند. این عبارتها بهصورت زیر تعریف میشوند:
در روابط بالا C با زیر نویس مربوطه نشاندهنده غلظت اجزاء مربوطه در خروجی از راکتور است که برابر با مجموع غلظت فازهای حباب و متراکم در خروجی راکتور برای هر یک از اجزاء است.
-2-2 مدل راکتور بسترسیال
با توجه به محدوده شرایط عملیاتی و اندازه راکتور فرض شده در این تحقیق - جدول- - 3، جهت مدلسازی راکتور بسترسیال از تئوری دوفازی سیال سازی1 استفاده میشود. در این تئوری مواد داخل راکتور به همراه ذرات کاتالیست به دو فاز تقسیم میشوند. بخشی از گاز ورودی به راکتور بهصورت حبابهایی درمیآید که در طول راکتور بالا میروند واصطلاحاً به آن فاز حباب میگویند و مناطق دیگر راکتور که غنی از ذرات جامد است، را فاز متراکم یا امولسیون مینامند .[22] شکل 1 نمایی از المان گرفتهشده داخل راکتور را نشان میدهد.
