بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي راکتور اکسیداسیون دي اکسید گوگرد در فرآیند تولید اسید
سولفوریک
چکیده:
اسید سولفوریک جزء مواد شیمیایی پر کاربرد می باشد. این ماده در واکنش هاي شیمیایی و فرآیندهاي تولید سایر مواد و ترکیبات، کاربرد فراوانی دارد. در چرخه فرآیند تولید اسید سولفوریک، اکسیداسیون دي اکسید گوگرد به تري اکسید گوگرد در یک راکتور بستر ثابت انجام می شود، لذا راکتور به عنوان یکی از تجهیزات اصلی در فرآیند تولید است که تنظیم و کنترل شرایط عملیاتی حاکم بر آن، بر میزان تولید اسید سولفوریک تأثیر بسزایی دارد. در این مطالعه به بررسی نحوه عملکرد راکتور بستر ثابت مورد استفاده براي این عملیات پرداخته شده است، در این راستا جهت مدلسازي راکتور از مدلی دینامیکی استفاده شده است. نتایج حاصل از حل مدل تطابق خوبی با نتایج حاصل از واحد دارد.
کلمات کلیدي: اسید سولفوریک، اکسیداسیون، مدلسازي، راکتور کاتالیستی بستر ثابت
-1 مقدمه
اسید سولفوریک خالص داراي جرم مولکولی 98/08 ، مایعی بی رنگ نسبتاًو ویسکوز می باشد. اسید سولفوریک به هر نسبتی در آب حل می شود. اسید سولفوریک، اسیدي است قوي که داراي مقاومت هاي شیمیایی بالایی است. این ماده به نام هاي اسید سولفین، اسید باطري، جوهر گوگرد، سولفات هیدروژن و سولفات دي هیدروژن نیز شناخته می شود. اسید سولفوریک جزء مواد شیمیایی پر استفاده می باشد. این ماده در واکنش هاي شیمیایی و فرآیندهاي تولید سایر مواد و ترکیبات، کاربرد فراوانی دارد. عمده ترین استفاده ي آن در کارخانه هاي تولید کود شیمیایی، استخراج فلزات، سنتزهاي شیمیایی، تصفیه ي پساب ها و پالایشگاه هاي نفت می باشد. [1]
گاز دي اکسید گوگرد مورد نیاز براي تولید اسید سولفوریک از منابع مختلفی از جمله سوزاندن گوگرد عنصري، استفاده از دي اکسید گوگرد حاصل از سولفید فلزات، تجزیه اسید سولفوریک مصرف شده در دیگر صنایع، استفاده از گچ فسفات دار و احتراق H2S یا دیگر گازهاي حاوي گوگرد می باشد. گاز دي اکسید گوگرد حاصل شده طی دو مرحله اصلی دیگر شامل واکنش کاتالیستی با اکسیژن براي تولید تري اکسید گوگرد و واکنش تري اکسید گوگرد با آب که در نتیجه به تولید اسید سولفوریک می انجامد. [2]
کاتالیست مورد استفاده در واکنش اکسیداسیون دي اکسید گوگرد،عمدتاً از ترکیبات نمکی سدیم، پتاسیم، وانادیم بر روي ذرات متخلخل اکسید سیلیس می باشد. [3] براي جلوگیري از تشکیل اسید بر روي کاتالیست و سایر قسمتهاي راکتور، هواي ورودي و دي اکسید گوگرد باید عاري از بخار آب باشند. تشکیل ناخواسته اسید باعث خوردگی مبدلهاي حرارتی، راکتور و دیگر تجهیزات می شود. خشک کردن هواي وروديمعمولاً از طریق سرد کردن و جذب آب توسط اسید سولفوریک غلیظ انجام می شود. [4]
در سال 1993 ، جان د اشنایدر و بالا سوبرامانیام مدلی یک بعدي و ناهمگن براي شبیه سازي عملکرد راکتور کاتالیستی
و آدیاباتیک با جریان برگشتی تناوبی براي اکسیداسیون دي اکسید گوگرد به تري اکسید گوگرد ارائه دادند. [5]وو هوگزیانگ
و همکارانش در سال 1996، مطالعه اي سیستماتیک بر روي اکسیداسیون دي اکسید گوگرد در راکتوري بستر ثابت با جریان برگشتی انجام داده و مدلی ناپایا و غیرهمگن ارائه نمودند. [6] رو یو هونگ و همکارانش در سال 1997، مدلی یک بعدي، دو
فازي و ناپایا براي راکتور بستر ثابت اکسیداسیون با جریان برگشتی تناوبی ارائه نمودند. معادلات مشتق شده با استفاده
از روش کرانک نیکلسون حل شده و تأثیر پارامترهاي طول بستر، سرعت واقعی گاز، زمان و غلظت خوراك را بر میزان تبدیل و دما بررسی کردند. طبق نتایج بدست آمده، این مدل به هدایت حرارتی مؤثر محوري حساس و نسبت به نفوذ جرمی محوري غیر حساس است. [7] در سال 2006، نودهی و موسویان، راکتور کاتالیستی و چند بستره ي آدیاباتیک اکسیداسیون دي اکسید گوگرد را با نادیده گرفتن پراکندگی محوري که داراي اثرات کمی بر نتایج حاصله بود، مدلی یک بعدي، ناهمگن را ارائه نمودند. [8]
-2 مکانیسم واکنش کاتالیستی
کاتالیست پنتا اکسید وانادیم واکنش تبدیل به را شتاب می بخشد و سایر ترکیبات به کار رفته در ساختار پایه ي آن عبارت اند از: سولفات پتاسیم، پیروسولفات، سیلیکا. درصد پنتا اکسید وانادیم کاتالیست هامعمولاً بین 5 تا 10
درصد می باشد. کاتالیست ساخته شده از این ترکیبات تا وقتی با مواد فعال کننده ي دیگري ترکیب نشود از کارایی لازم
برخوردار نخواهد بود. این کاتالیست هاي فعال شده جکصکyئهصهه 2کصههطصطAض در سه گروه طبقه بندي می شوند:
. فلز M در فرمول فوقمعمولاً پتاسیم است. سدیم فعالیت کمتري نسبت به پتاسیم دارد در
حالیکه روبدیم، سزیم و تالیم اثر فعال کنندگی بیشتري بر کاتالیست دارند. ترکیبات وانادیم در واکنش اکسیداسیون به
صورت زیر شرکت می کنند.
واکنش احیاي به :
واکنش اکسیداسیون
-3 راکتور اکسیداسیون دي اکسید گوگرد
راکتور قلب یک کارخانه ي اسید سولفوریک است. در این تجهیز واکنش تبدیل SO2 به SO3 انجام می شود.
وظایف این تجهیز به شرح زیر است:
فراهم آوردن بستر یا بسترهایی براي قرار گرفتن کاتالیست ها
تنظیم و توزیع گاز در بسترهاي کاتالیستی
جمع آوري و تنظیم گازهاي خروجی از بسترهاي کاتالیستی [9]
-4 طراحی راکتورهاي کاتالیستی بستر ثابت
یک راکتور بستر ثابتعموماً ستونی است که در آن ذرات کاتالیست تا ارتفاع معینی قرار می گیرند و مواد واکنش دهنده از یک طرف ستون وارد شده در طی عبور سیال از بستر، مواد واکنش دهنده به سطح کاتالیستها نفوذ کرده و در آنجا واکنش داده و سپس به توده اصلی سیال وارد می شوند و از انتهاي دیگر راکتور خارج می شوند. از جمله شرایط عملیاتی مهم و تأثیر گذار روي عملکرد راکتورهاي بستر ثابت کنترل دماي راکتور به گونه اي است که همیشه سرعت واکنش و درجه تبدیل مواد بالا باشد و در عین حال ذرات کاتالیست و همچنین دیواره راکتور تحت تأثیر دماي بالا دچار آسیب نگردند. عامل دیگري که در عملکرد راکتورهاي کاتالیستی تأثیر گذار است عاري بودن مواد اولیه از موادي است که باعث از بین رفتن سطح فعال کاتالیست می شود و به اصطلاح کاتالیست را مسموم می کنند. یکی دیگر از شرایط عملیاتی راکتور بستر ثابت افت فشار آن است. افت فشار یک راکتور بستر ثابت به عواملی مانند دبی سیال ورودي، چگالی سیال، تخلخل بستر (اندازه دانه هاي کاتالیست)، قطر برج، ویسکوزیته سیال و ... بستگی دارد. سلیمانی[10]
-5 مدلسازي راکتور اکسیداسیون
براي بدست آوردن دما و مقدار ماده تبدیل شده در یک راکتور بستر ثابت نیازمند بدست آوردن توزیع دما و غلظت در طول راکتور هستیم. براي بدست آوردن توزیع دما و غلظت در طول یک راکتور کاتالیستی، باید موازنه انرژي و مواد ورودي و خروجی به یک المان محدود از راکتور را نوشته و معادله بدست آمده را یک معادله دیفرانسیلی خواهد بود، براي کل راکتور حل کرد. در شکل (1) شماتیکی از بستر راکتور کاتالیستی اکسیداسیون SO2 آمده است.
شکل :(1) شماتیکی از بستر راکتور کاتالیستی اکسیداسیون SO2
همانطور کهقبلاٌ اشاره شد، راکتور اکسیداسیون ، به عنوان قلب واحد تولید اسید سولفوریک می باشد و از اهمیت ویژه اي برخوردار است، لذا در این پژوهش جهت مدلسازي راکتور از مدل دینامیکی آنتون آ.کیس و همکارانش [11] استفاده شده است. براي حل مدل فرضیات ساده کننده اي در نظر گرفته شده است، از جمله اینکه جریان یک بعدي و شبه همگن، مدل پراکندگی محوري و عملیات آدیاباتیک است.
موازنه جرم:
موازنه انرژي:
افت فشار:
شرایط مرزي:
