بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، شبیه سازی راکتور بستر ثابت فرآیند GTL با تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - مورد بررسی قرار گرفته است . در این مطالعه ابتدا به شبیه سازی سنتز فیشر- تروپش در راکتور بستر ثابت هم راه با کاتالیزور یکنواخت آهن بررسی شده است سپس در یک مورد به مقایسه این راکتور با کاتالیزور کبالت پرداخته شده است. تاثیر پارامترهای دما در بازه - -230 C - 260 C بر میزان تبدیل واکنش گرها بررسی شده است.
مدلسازی صورت گر فته دو بعدی بوده و جریان درون راکتور آرام می باشد همچنین برای حل معادلات از روش حجم محدود استفاده شده است. مطالعه نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که امکان ایجاد نقاط داغ در قسمت ابتدایی بستر و مرکز راکتور به علت تمرکز انجام واکنشها در ابتدای بستر و کاسته شدن شدت واکنش ها در امتداد راکتور بیشتر است همچنین افزایش دمای راکتور باعث افزایش سرعت واکنشها، در نتیجه افزایش میزان تبدیل واکنش گرها میشود.
پس می توان نتیجه گرفت که افزایش دما بر کاربرد راکتور تاثیر مثبت دارد. بررسی نشان می دهد که دما درون راکتور برای کاتالیزور کبالت حدود 20 ℃ در مقایسه با کاتالیست آهن برای رسیدن به درصد تبدیل یکسانی از هیدروژن کمتر بوده است. هدف این مطالعه مقایسه بین دو کاتالیزور آهن و کبالت برای این فرآیند به کمک تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی می باشد .
-1 مقدمه
با توجه به رشد رشد روز افزون قیمت سوخت و جلوگیری از وابستگی به تهیه این محصول از خارج و همچنین مسائل زیست محیطی در آینده نزدیک انتظار می رود که منابع صنایع شیمیایی از نفت خام به گاز طبیعی متمایل شود. برای این منظور ابتدا گاز طبیعی به گاز سنتز که مخلوطی از منوکسید کربن و هیدروژن است تبدیل می شود. سپس این گاز سنتز طی فرآیندی موسوم به سنتز فیشر تروپش - - FTS، تبدیل به مایعات ارزشمندی مثل بنزین، متانل، دی اتیل اتر و غیره می گردد. کل این فرآیند از ابتدا یعنی تبدیل گاز سنتز تا تولید هیدروکربنهای مایع به فرآیند گاز به مایع - GTL - ،شهرت دارد.
سنتز کاتالیستی فیشر-تروپش یکی از روشهای تبدیلgas-to-liquid جهت نقل و انتقال گاز طبیعی است.این سنتز، انتقال سوختهای هیدروکربوری را که دارای ترکیبات گوگردی و ناخالصیهای کمی هستند و از این رو در گروه سوختهای پاکیزه قرار میگیرند، ممکن می سازند.[1] - 2006 سنتز هیدروکربن های توسط کاتالیست هایی چون کبالت، آهن و روتینیم صورت می گیرد . افزایش کیفیت محصولات FT عموما از طریق تغییر ساختار و ایزومریزاسیون صورت گرفته وعدد اکتان های پایین را با hydro cracking واکس ها و تبدیل آنها به سوخت دیزل ارتقا می دهند - Martin J.
امروزه چهار نوع راکتور برای این فرایند در نظر گرفته می شود. برای فرایندهای دما پایین - - T<250 راکتورهای بستر ثابت چند لوله ای و راکتورهای دوغابی و بر ای فرایندهای دما بالا - - T>300 راکتورهای بستر سیال چرخشی و راکتورهای بستر سیال حبابی در نظر گرفته شد . راکتورهای دما پایین باید بر سیستم سه تایی غلبه نمایند - گاز سنتز, هیدروکربن ها, واکس مایع و کاتالیست جامد - در حالی که راکتورهای دما بالا در رژیم دو فازی عمل می کنند.
-2-1 شبیهسازی راکتور بستر ثابت سنتز فیشر تروپش
بسترهای ثابت دارای کاربردهای فراوانی در صنایع وابسته به مهندسی شیمی می باشند . این بسترها این قابلیت را دارا هستند که محدوده وسیعی از فرآیندها را تسهیل کنند که این محدوده می تواند از سنتز آمونیاک باشد تا واکنش های اکسیداسیون، این تنوع وسیع فرآیندها در طیف گسترده ای از انواع راکتورهای بستر ثابت حاصل می گردد. مشخصه اصلی این راکتورها در بزرگی نسبت اندازه قطر به اندازه ذرات است - ًًٍّ - .[9]L.C.A. Mazzone and F.A.N. Fernandes
در راکتورهای بستر ثابت با نسبت قطر لوله به قطر ذره بزرگ - 500-50 - تاثیر دیواره را می توان نادیده گرفت. واکنشهایی که در این گونه از راکتورها روی می دهد را می توان آ دیاباتیک در نظر گرفت . در مواردیکه انتقال حرارت از اهمیت برخوردار است، بستر به قسمت های مختلف تقسیم می گردد که در بین آنها حرارت انتقال پیدا می کند. به دلیل اهمیت موضوع و همچنین یافتن نقاط داغ گرمایی نفوذ حرارتی را در نظر گرفتیم - .[10] - 2010 J. Esteban Duran
مدلهای قدیمی بسترهای ثابت برمبنای نسبت بالای قطر لوله به ذره قرار دارند که در آن ها پروفایل جریان و دما به صورت متوسط بیان می گردند. در صورتیکه در عمل بسترهایی با نسبت کم قطر بستر به قطر ذره کاتالیست در واکنش های گرمازا یا گرماگیر مورد استفاده قرار می گیرند. با استفاده از CFD در شبیه سازی بسترهای ثابت می توان جزئیات مربوط به رفتار جریان درون بستر را به دست آورد که این شبهسازی نیاز به این دارد که مدل مناسب برای هندسه مورد نظر به کار گرفته شود .[5] - 2007 Khodakov
