بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی و کنترل راکتور دهیدروﮊناسیون پروپان
چکیده
در این مقاله به مدلسازی و کنترل راکتور دهیدروﮊناسیون پروپان پرداخته شده است. در شبیه سازی حالت پایا تأثیر پارامترهای مختلف نظیر فشار، دما، دبی خوراک و افزودن هیدروﮊن یا ماده بی اثر به خوراک بر عملکرد راکتور و همچنین تأثیر تشکیل کک بررسی شده است. در ادامه استراتژی کنترل دمای راکتور به صورت ایزوترم مطرح گردیده است. طول راکتور به هفت منطقه تقسیم و در مجموع هفت کنترلر PI طراحی و عملکرد آنها برای حذف اغتشاش و تعقیب مقدار مقرر مطالعه شده است. در انتها نیز با بهینه سازی بازده تولید، دمای بهینه محاسبه و کنترل می گردد.
۱-مقدمه
پروپیلن بعد از اتیلن مهمترین ماده خام برای پتروشیمی به شمار می آید، که از حدود ۰۶ سال پیش در مقیاس صنعتی تولید شده و نقش ارزنده ای در تولید برخی مواد شیمیایی پایین دستی ایفا کرده است. پروپیلن به روشهای مختلف تولید می شود و عمده پروپیلن مصرفی در دنیا (حدود ۷۹ درصد) از واحدهای کراکینگ با بخار و کراکینگ کاتالیستی در بستر سیال (FCC) تأمین میشود که البته پروپیلن محصول جانبی این واحدها می باشد. ۳۶% از پروپیلن مورد نیاز صنایع در واحد کراکینگ با بخار تولید می شود. اما با توجه به اینکه محصول اصلی این واحد اتیلن بوده و سرمایه گذاری در این واحد بر اساس تقاضای اتیلن می باشد، و با توجه به اینکه سرعت رشد تقاضای پروپیلن بیشتر از سرعت رشد تقاضای اتیلن است، یک منبع دیگر تولید پروپیلن لازم خواهد بود و روش دهیدروﮊناسیون پروپان روش مناسبی برای پر کردن این فاصله می باشد.
واکنش دهیدروﮊناسیون پروپان می تواند به دو صورت اکسیداتیو و غیراکسیداتیو انجام شود. در روش اکسیداتیو بـه دلیـل انجام واکنش های جانبی پروپان و پروپیلن با اکسیژن بازده تولید بسیار پایین است و در حـال حاضـر ایـن واکـنش در مرحلـه تحقیق و بررسی کاتالیست و شرایط عملیاتی مناسب برای حصول بازده قابل قبول بوده و هنـوز صـنعتی نـشده اسـت. واکـنش غیراکسیداتیو دهیدروﮊناسیون پروپان (دهیدروﮊناسیون کاتالیستی پروپان، (PDH واکنشی شدیداﹰ گرماگیر است کـه بـه لحـاظ ملاحظات ترمودینامیکی در دمای بالا و فشار پایین بهتر انجام می شود. به هر حال در صنعت استفاده از دماهای خیلی بـالا بـه دلیل افزایش واکنش های جانبی که منجر به تولید محصولات جانبی ناخواسته و تشکیل کک زیاده از حـد مـی شـود، محـدود می گردد. همچنین حداقل فشار عملیاتی با توجه به ساختار تجهیزات و هزینه های عملیاتی محـدود مـی شـود. ضـمن اینکـه کاهش فشار ظرفیت تولید پروپیلن را کاهش میدهد. شرایط وا کنش برای یـک واحـد صـنعتی، C ٨٠۶ ـ٠٠۵ و psia ۵١ــ١ تخمین زده میشود. مسئله مهم دیگر تشکیل کک و غیر فعال شدن کاتالیست است که احیاﺀ سـریع و متنـاوب بسترکاتالیـست همراه با سوزاندن کک را الزامی می کند .
واکنش های کاتالیستی هتروﮊن، که شدیداﹰ گرماگیرند، در دماهای بالا انجام می شوند و با غیر فعال شدن سریع اما برگشت پذیر کاتالیست همراه هستند. برای این دسته از فرایندها می توان از راکتورهای بستر متحرک همراه با گرم کن های میانی و احیاﺀ مداوم در احیاﺀ کننده جدا بهره جست. البته مشروط به اینکه ک اتالیست در مقابل اصطکاک مقاوم و میزان هدر رفتن آن قابل قبول باشد. به جای گردش کاتالیست که بسیار پرهزینه نیز می باشد، احیاﺀ کاتالیست می تواند در همان راکتور اصلی بطور پریودیک انجام شود. برای واکنش های شدیداﹰ گرماگیر می توان از راکتور بستر ثابت آدیاباتیک با زمان انجام واکنش کوتاه تر و یا از راکتور بستر ثابت ایزوترم با زمان انجام واکنش طولانی تر استفاده کرد.
احیاﺀ بستر کاتالیست در راکتورهای بستر ثابت بصورت پریودیک انجام می شود و در مرحله احیاﺀ با انجام واکـنش گرمـازا ضمن سوزاندن کک تولید شده، دمای بستر نیز بالا برده شده و برای انجام واکنش گرماگیر دهیدروﮊناسیون پروپـان آمـاده مـی شود]٢،١.[ درسال ۶۹۹۱ آقای ]Kalkarni۳[، ترکیب واکنش گرمازا و گرماگیررا مطـرح کـرد و درسـال ۱۰۰۲ آقـای Van ] Sint Annaland۵،۴[و دیگران دو روش ئSequentia و Simultaneous را برای ترکیب واکنش گرمـاگیر دهیدروﮊناسـیون غیراکسیداتیو پروپان و واکنش گرمازای سوختن متان و پروپان روی بستر کاتالیست پلاتین آلومینا مقایـسه کردنـد. یـک فرایند سنتی شناخته شده برای ترکیب واکنشهای گرماگیر و گرمازا فرایند Catofin است که فرایند گرمـاگیر دهیدروﮊناسـیون پروپان را با فرایند گرمازای سوختن کک با هوای داغ ترکیـب مـی کنـد. بایـد توجـه شـود کـه در مـوارد گفتـه شـده ترکیـب غیرمستقیم واکنش های گرماگیر و گرمازا استفاده شده است بطوریکه مواد و محصولات واکنش هـا بـا یکـدیگر مخلـوط نمـی شوند. با ترکیب مستقیم واکنش گرماگیر و گرمازا تقریباﹰ به طور کامل از تولید کک پیشگیری می شود ولـی انتخـاب پـذیری و بازده تولید بسیار پایین می آید.
٢ز مدلسازی راکتور ۲-۱زفرضیات مدل
یک راکتور بستر ثابت که حاوی کاتالیست منولیتی پلاتین آلومینا است مد نظراست. فرضیات مدل به شرح زیر مـی باشد:
۱- از انتقال حرارت راکتور به محیط صرف نظر می کنیم. ۲- از افت فشار در طول راکتور صرف نظر می کنیم.
۳- از واکنش تولید کک توسط پروپان صرف نظر می کنیم وفرض می کنیم که تولید کک توسط پروپیلن انجـام مـی شود، چون در عمل تولید کک حاصل از پروپان بسیار ناچیز است.
۴- دما را در هر مقطع از راکتور ثابت فرض کرده و از تغییرات دما در جهت شعاعی صرف نظر می کنیم.
۵- مقاومت حرارتی کاتالیست بالاست وفرض می کنیم که در C ۰۵۷ش1 کاتالیست زینتره نشود. در بالاتر از ایـن دما ممکن است به دلیل به هم چسبیدن پوشش، کاتالیست فاسد شود و توزیع پلاتین کاهش یابد.
۶- از تغییرات غلظت در جهت شعاعی صرف نظر می کنیم و فرض می کنیم که در جهت شـعاعی نفـوذ وجابجـایی نداریم.
۷- در فاز گاز واکنشی انجام نشده، و تمام واکنش ها در فاز هتروﮊن و روی سطح کاتالیست انجام می شود.
۲-۲مدل ریاضی راکتور
یک مدل یک بعدی و هتروﮊن برای شبیه سازی راکتور بستر ثابت دهیدروﮊناسیون پروپان در نظر گرفته شـده کـه شـامل موازنه انرﮊی برای کاتالیست، موازنه انرﮊی برای گاز و موازنه جرم برای هر یک از مواد می باشد.
- موازنه انرﮊی برای کاتالیست:
در این جا از کاتالیست منولیتی پلاتین بر روی پوشش آلومین استفاده می شود. در این راکتور عـلاوه بـر واکـنش اصـلی، واکنش های جانبی هم رخ میدهد که عمده آنها واکنش کراکینگ پروپان، واکنش های هیدروﮊنولیز پروپان و پروپیلن و واکنش تشکیل کک است. کک ممکن است توسط پروپان و یا پروپیلن تشکیل شود. نتـایج تجربـی Annaland نـشان مـی دهـد کـه میزان تولید کک توسط پروپان در مقایسه با پروپیلن بسیار ناچیز و قابل صرف نظر کردن است، بنابراین فقـط واکـنش تـشکیل کک توسط پروپیلن در نظر گرفته می شود. واکنش اصلی و واکنش های جانبی به شرح زیر می باشد:
معادلات سرعت ، خواص کاتالیست و سرعت واکنش های فوق از مقاله ] Annaland۸،۷،۶[ استخراج و استفاده شده است.
۳-شبیه سازی حالت پایا
معادلات در حالت پایا از نوع معادلات دیفرانسیل معمولی مرتبه دوم بوده و دارای ترم های مشتق مرتبه اول و مرتبه دوم نسبت به طول راکتور می باشند. لازم به ذکر است که اگر چه در اینجا معادلات مدل به صورت استاتیکی حل می شوند ولی جهت محاسبه سرعت واکنش ها سه معادله دیفرانسیل نسبت به زمان داریم که بایستی در هر نقطه از طول راکتور جداگانه نسبت به زمان حل شوند.
با استفاده از شبیه سازی استاتیکی تاثیر عوامل مختلف روی درصد تبدیل و انتخاب پذیری مشاهده شد. با افزایش دما درصد افزایش می یابد، اما با افزایش دما، بدلیل افزایش سرعت واکنش تشکیل کک انتخاب پذیری پروپیلن کاهش می یابد. بنابراین دمای عملیاتی بالاتر و درصد تبدیل بیشتر ممکن است به قیمت کاهش بازدهی واحد تمام شود.
با کاهش سرعت خوراک و در واقع افزایش زمان اقامت می توان درصد تبدیل بالاتری بدست آورد، البته انتخاب پذیری کاهش می یابد.
با توجه به اینکه هیدروﮊن یکی از محصولات واکنش تعادلی دهیدروﮊناسیون پروپان می باشد، بنابراین افزودن آن به خوراک ورودی راکتور تعادل را در جهت نامطلوب سوق می دهد. به عنوان مثال درصد تبدیل تعادلی در دمای C ٠٠۶ و فشار یک اتمسفر برای خوراک پروپان خال ص و خوراکی شامل ٩٠% پروپان، ١٠% هیدروﮊن به ترتیب ٨۴ و ٨/٣٩ % می باشد. از طرف دیگر افزودن هیدروﮊن به خوراک باعث کاهش ظرفیت واحد و یا افزایش حجم راکتور می شود ضمن اینکه انتخاب پذیری را هم کاهش می دهد. اما از آنجا که در واکنش تولید کک از پروپیلن نیز هیدروﮊن تولید میشود، افزودن هیدروﮊن به خوراک، تولید کک را کاهش میدهد. به همین دلیل گاهی در صنعت، هیدروﮊن به مقدار کم به خوراک افزوده میشود. البته تأخیر در تشکیل کک بواسطه افزودن هیدروﮊن، با افزایش دما شدیداﹰ کاهش میابد.
۴-شبیه سازی دینامیکی و کنترل
برای شبیه سازی دینامیکی، بایستی معادلات مربوط به موازنه جرم و انرﮊی با در نظر گرفتن ترم انباشتگی، با هم حل شوند. قبل از حل معادلات دینامیکی، معادلات در حالت پایا حل شده و شرایط اولیه برای حل معادلات دینامیکی حاصل می گردد.
هدف، کنترل دمای راکتور و برقراری شرایط همدما در طول راکتور است. برای گرمایش راکتور می توان از کوره و یا المان الکتریکی استفاده کرد. در این جا فرض شده است که با المان الکتریکی گرمای مورد نیاز راکتور تأمین گردد. برای ایجاد شرایط همدما در طول راکتور دمای داخل راکتور اندازه گیری می شود و با توجه به خطای موجود میزان شدت جریان الکتریکی تعیین می گردد. با توجه به شدت جریان الکتریکی حاصل شده دمای المان مشخص می شود. تابع انتقال بین شدت جریان و دمای المان یک تابع درجه یک همراه با تأخیر انتقالی به صورت زیر در نظر گرفته می شود]٩:[
از آنجائیکه میزان انجام واکنش در نقاط مختلف راکتور متفاوت می باشد، میزان مصرف انرﮊی و در نتیجه تغییرات دما در نقاط مختلف راکتور متفاوت است. به همین دلیل برای تأمین حرارت مورد نیاز راکتور، طول راکتور به هفت منطقه تقسیم شده و در هر قسمت با اندازه گیری دمای یک نقطه داخل راکتور و محاسبه خطای موجود، شدت جریان الکتریکی و در نتیجه دمای المان در آن منطقه تعیین می شود. با توجه به دمای المان در هر منطقه، میزان انتقال حرارت در آن قسمت معین می شود:
همانطور که قبلاﹰ هم گفته شد از تغییرات دما در جهت شعاع صرف نظر می شود. با توجه به اینکه راکتور بستر ثابت است، برای اینکه گرمادهی مناسبی داشته باشیم و بتوانیم از تغییرات دما در جهت شعاعی صرف نظر کنیم، از لوله هایی با قطر ۵/۱ اینچ استفاده می کنیم.
مقدار برای هر یک از کنترلرهای PI در جدول ۱ آمده است. شرایط کار فشار یک اتمسفر، دمای C ۰۶۵ ، با خوراک خالص در همین دما با دبی s َ lit ۷/۰ (سرعت s َ m ۹/۰) در نظر گرفته شده است]۰۱.[
۴-۱-شروع به کار راکتور
فرض می کنیم هنگام شروع به کار، بستر کاتالیست با عبور هوای داغ به دمای C ۰۶۵ برسد و همچنین المان ها نیز در این دما باشند، سپس خوراک پروپان در داخل راکتور جریان یابد. با انجام واکنش انرﮊی مصرف می شود و دما افت می کند. بعد از مدت زمانی کوتاه شرایط یکنواخت در راکتور برقرار می گردد. در شکل ۱- الف و ب دمای نقاطی از راکتور که کنترل میشود و دمای نقاط مختلف در طول راکتور، آورده شده است. همانطور که دیده می شود دمای نقاطی که اندازه گیری می شوند به خوبی کنترل می شود و به مقدار مورد نظر می رسد. دمای دیگر نقاط راکتور نیز به مقدار ثابتی می رسد و حداکثر C ۲ با مقدار مطلوب تفاوت دارد.
