بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
پدیده انتقال جرم و اندازه گیری غلظتهای اکسیژن و آهن در راکتور حذف سولفید هیدروژن از گازهای اسیدی
چکیده
در این تحقیق، پدیده انتقال جرم اکسیژن در محلول کیلات آهن مورد استفاده در راکتور ایر لیفت (Air Lift ) به منظور حذف تک مرحله ای سولفید هیدروژن از گازهای اسیدی در مقیاس آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است. از گاز اکسیژن جهت احیا کاتالیست مایع و نیتروژن و سولفید هیدروژن جهت تولید نسبت گاز اسیدی مورد نظر استفاده می شود. جهت توزیع گاز در محلول از دو توزیع کننده گاز، یکی مربوط به هوا و دیگری مربوط به گاز اسیدی استفاده می گردد. از آب مقطر، محلول ppm ۵۰۰ کیلات آهن و محلول دوغابی با غلظت جامد ( گوگرد) Wt%6) Sulfur/100 ml Solution) ۰/۰۸ در محلول کیلات آهن، به عنوان فاز مایع استفاده شده است. آزمایشات در یک راکتور Air Lift از نوع حلقه داخلی صورت می گیرد. در این میان اثر ارتفاع توزیع کنندها از کف راکتور بر میزان پروفایلهای غلظت اکسیژن و آهن و همچنین اثر نیتروژن بر ضریب انتقال جرم و شار جرمی مورد بررسی قرار می گیرد. آزمایشات نشان می دهد در حالیکه با بالا بردن توزیع کننده ها از کف راکتور، میزان هوای مصرفی جهت عمل احیا، افزایش می یابد ولی باعث کاهش غلظت اکسیژن در ناحیه جذب می شود. همچنین تزریق گاز نیتروژن به عنوان گاز خنثی، باعث افزایش ضریب انتقال جرم و کاهش غلظت اشباع و در نتیجه کاهش شار انتقال جرم می گردد.روابط تجربی که بیانگر تغییرات ضریب انتقال جرم بر حسب سرعت ظاهری گازهای اکسیژن و نیتروژن باشند، ارائه شده است. در این میان منحنی های مربوط به
پروفایلهای غلظت های اکسیژن و آهن حین واکنش نیز ارائه شده است.
واژه های کلیدی: "راکتور ایرلیفت (اتوسیرکولاسیون)، بخش بالابر، بخش ناودانی ، توزیع کننده، سولفید هيدروژن”
مقدمه
از ابتدای قرن بیستم کارهای تحقیقاتی بسیاری با هدف تبدیل سولفید هیدروژن به گوگرد خالصی عنصری توسط یک فرآیند در فاز مایع بر پایه آهن که در آن از یک محلول کمپلکس کیلات آهن استفاده می شد، توسعه داده شده است. در پژوهشگاه صنعت نفت نیز پس از دستیابی به فرمو لاسیون محلول کاتالیستی مربوطه ، تصمیم گرفته شد تا تحقیقاتی در رابطه با بکارگیری این فرآیند با استفاده از راکتورهای ایرلیفت که در فرآیندهای فرمانتاسیون و تخمیر الکل ها بکار گرفته می شده، انجام گیرد. مزیت منحصر بفرد این راکتور عدم نیاز به پمپ برای گردش محلول است و به همین دلیل معمولا" آن را به نام راکتور اتوسیرکولاسیون در این فرآیند می شناسند. مدل سازی و طراحی این راکتور نیز قبلا توسط محققین مورد مطالعه قرار گرفته است. کاتالیست کیلات آهن بمنظور حذف سولفید هیدروژن از جریان گازهای اسیدی بکار برده می شود و حذف سولفید هیدروژن از جریان گازهای اسیدی به راحتی و در یک مرحله انجام می دهد. واکنشهای انجام شده در دو بخش به صورت زیر می باشد: واکنش اکسیداسیون:
واکنشهای احیا :
در اینجا به هر دلیلی اکسیژن وارد ناحیه جذب گردد بر طبق واکنش زیر باعث تولید محصول جانبی (نمک ها) می گردد. از این رو کنترل میزان اکسیژن و به حداقل رساندن میزان آنها در ناحیه جذب امری ضروری است
برای این منظور نقش ارتفاع و فاصله توزیع کننده ها از کف راکتور، مهم می باشد بطوریکه این موضوع در زمان ته نشینی گوگرد تولیدی در کف راکتور موثر است.
از لحاظ پدیده انتقال جرم، به علت اینکه کاتالیست توسط آب مقطر رقیق می شود در ابتدا مساله انتقال جرم در آب بررسی و سپس در مورد محلول کاتالیستی مورد نظر آزمایش می شود و در نهایت اثر نیتروژن بر این پارامتر مورد بررسی قرار می گیرد. در ابتدا ضریب انتقال جرم حجمی (KLa) برای موارد بالا در حضور اکسیژن محاسبه و در نهایت اثر نتیروژن بر این پارامتر دیده خواهد شد. مطالعات موجود منجر به ارائه رابطه تجربی ضریب انتقال جرم با سرعت ظاهری گاز (هوا) و در تطابق با روابط ارائه شده توسط محققین [ ،۷] می باشد. همچنین رابطه تجربی که اثر وجود نیتروژن در ضریب انتقال جرم را نشان دهد، ارائه می گردد. در این میان به منحنی های مربوطه نیز اشاره ای خواهد شد.
آزمایشات : راکتور استفاده شده از نوع ایرلیفت (Air Lift) با حلقه داخلی به ابعاد: متر ۲/۹ و ۲=Hd و متر ۰/۱۶۵ = Dr و نسبت سطح مقطع ناودانی به بالابر برابر 0.375 میباشد. دامنه سرعت ظاهری گاز بر مبنای سطح مقطع بالابر در دامنه ۰/۰۶ تا ۰/۲۵ سانتی متر بر ثانیه می باشد. شکل (۱) نمائی از سیستم آزمایشگاهی سوار شده می باشد که ابعاد آن به صورت زیر است: قطر بالابر برابر ۱۶/۵، قطر ناودانی ۱۷/۵ و ارتفاع راکتور، برابر ۲۰۰ و ۲۹۰ سانتی متر می باشد که حهت مطالعات انتقال جرم از راکتور ۲۰۰ لیتری و جهت مطالعات پروفایل غلظت از ۲۹۰ لیتری استفاده می شود. جهت نمونه گیری از محلول، محلهایی در بدنه راکتور تعبیه شده بطوریکه این نمونه ها در یک ظرف نمونه گیر جمع می شود.با توجه به این محل ها می توان توریع کننده ها را به گونه ای قرار داد که از نواحی جذب و بازیابی نمونه هائی را نیز داشته باشیم .
در اثر تزریق گاز درون بالابر به علت اختلاف دانسیته ایجاد شده بین مایع درون بالابرو مایع درون ناودانی، مایع به صورت اتوماتیک بین این دو ناحیه به چرخش در می آید. جهت بررسی اثر ارتفاع توزیع کننده در داخلی بالا بر ، در ابتدا آزمایشاتی اولیه حهت تعیین فاصله دو توزیع کننده از هم (ناحیه جذب)، انجام گرفت بطوریکه نهایتا این فاصله پس از این آزمایشات برابر ۸۰ سانتی متر تعیین گردید. حال هر دو توزیع کننده را در پنج موقعیت در فواصل ۵ و ۳۰ و ۹۰ و ۱۲۰ و ۱۵۰ سانتی متری از کف راکتور قرار می دهیم. تمام نمونه ها را در یک ظرف جمع نموده و توسط یک الکترود از محل های مختلف به صورت مستقیم نمونه گیری می گردد. جهت بررسی انتقال جرم الکترود اکسیژن را در فاصله ۱۸۰ سانتی متری از کف راکتور قرا می گیرد. دما و فشار در حین آزمایش ثابت فرض می شود ( دمای کنترلی در حدود ) و همچنین فشار اتمسفریک در نظر گرفته می شود. هوا توسط کمپرسور تامین و نیتروژن و سولفید نیتروژن توسط کپسول به سیستم تزریق می گردد. قبل از انجام آزمایشات، لازم است تا دستگاه اکسیژن متر کالیبره گردد. جهت محاسبه ضریب انتقال جرم حجمی (KLa) به سیستم سولفید هیدروژن تزریق نمی گردد چون در حین واکنش اکسیژن جهت عملی احیا مصرف می شود. برای محاسبه KLa آزمایشگاهی، نیاز به عریان سازی سیال از اکسیژن قبل از شروع آزمایشات توسط نیتروژن ضروری می باشد. از این رو گاز نیتروژن که توسط توزیع کننده اول به سیستم تزریق می شود باعث تهی شدن سیال از اکسیژن می گردد. در حین آزمایش غلظت اکسیژن در صورت عدم حضور سولفید نیتروژن در طول راکتور با زمان افزایش می یابد . زمان ثبت نتایج در ۱۰ دقیقه اول آزمایشات مورد ملاحظه می باشد. بعد از عریان سازی اکسیژن در محلول ، مدت زمان ۲ دقیقه جهت خارج شدن تمام نیتروژن از سیستم لازم است و بعد از این زمان به سیستم هوا تزریق می شود. [v.t] مبانی تئوریکت : از یک موازنه جرم داریم :
که *C مقداری از C است که بعد از گذشت زمان به حالت پایدار، می رسد. با انتگرال گیری از رابطه (۱) داریم :
با جایگذاری شرایط مرزی و اولیه و مرتب کردن معادله (۲) داریم .
حال اگر سرعت رسیدن به تعادل (E) را نسبت به انتقال جرم لحظه ای به میزان حداکثر انتقال جرم در نظر بگیریم، دار بم :
با جایگزاری معادله ۳ در4 خواهیم داشت :
حال با رسم منحنی بر حسب زمان ضریب انتقال جرم (KLa) محاسبه خواهد شد . شیب این منحنی بیانگر ضریب انتقال جرم (KLa) می باشد. منحنی (۱) نمونه ای از تغییرات E تعادلی با زمان را نشان می دهد . حهت رسم منحنی بر حسب زمان، تا جایی پیش میرویم که تغییرات غلظت در آن زمان به ماکزیمم حالت پایداری خود برسد. حال با افزایش میزان دبی هوا، این زمان کاهش می یابد. این منحنی شبیه منحنی های ارائه شده توسط محققین دیگر می باشد،مطابق نتایج دیگر محققین [ہ] محل قرار گرفتن الکترود اکسیژن در داخلی ناودانی یا بالابر چنان تاثیری بر زمان رسیدن به تعادل ندارد از این رو در راکتور ایرلیفت مورد نظر، از یک الکترود اکسیژن و آن هم با نصب در داخل بالابر، استفاده می شود .
همچنین نمونه ای از گراف بر حسب زمان در منحنی ۲ ارائه شده است که شیب این با بیانگر ضریب انتقال جرم می باشد . این منحنی نیز با منحنی های مشابه ارائه شده توسط محققین ذکر شده تطابق دارد. فرضیات موجود در این آزمایشات عبارتند از: ۱- فاز مایع کاملا مخلوط می شود. ۲- سیال با توجه به دامنه UG در محدوده جریان حبابی قرار داشته باشد. ۳- تغییرات میزان اکسیژن محلول به الکترود اکسیژن حساسی باشد.
به علت تابعیت ضریب انتقال جرم به خواص محلول نظیر دانستیه، نفوذ پذیری و ویسکوزیته و همچنین شرایط عملیاتی (دما و فشار) و ابعاد هندسی راکتور، نیاز به دانستن خواص فیزیکی سیال امری ضروری است [۹]. از اینرو خواص فیزیکی سیال در دمای و فشاراتمسفریک در جدول ۱ ارائه شده است.
روابط تجربے : اساس معادلات بکار گرفته شده بر مبنای روابط تجربی ارائه شده توسط [ 4،10] M. Y. Chisti, R. A. در این زمینه می باشد. این محققین را برحسب سرعت ظاهری گاز پس از حل معادلات مربوطه به فرم کلی زیر ارائه نمودند که بسته به نوع محلول و شرایط عملیاتی و هندسی ، ضرایب تغییر می کند که برای محلول مورد نظر این محققین ، این روابط تجربی در جدول ۲ آمده است.
و برای محلول دوغابی به فرم زیر ارائه شد:
در اینجا CS غلظت وزنی گوگرد در محلول دوغابی می باشد. حال با توجه به اینکه در آزمایشات نسبت Ad/Ar عدد ثابتی است و نیز غلظت گوگرد در محلول ۸ درصد وزنی می باشد از این رو با استفاده از داده های آزمایشگاهی و بهره جستن از نرم افزار Table curve می توان معادله را به فرم کلی از میان اطلاعات تجربی مرور داده و ضرایب را بدست آورد. نتایج حاصله در این تحقیق در جدول (۳) ارائه شده است. این اطلاعات مربوط به حالتی است که هوا توسط توزیع کننده به درون سیستم تزریق می
شود. با توجه به جداول ۲ و ۳ مشاهده می شود که در مورد آب مقطر توان بدست آمده از آزمایشات در محدوده رابطه تجربی ارائه شده توسط این محققین میباشد. تنها تفاوت در ضریب این روابط است که علت آن به اختلاف ابعاد هندسی راکتور مربوط باشد. تفاوت در توان و ضرایب روابط تجربی ارائه شده وقتیکه از محلول کیلات آهن و محلول دوغابی با روابط این محققین نیز به نوع محلول و حلالیت اکسیژن در محلول و همچنین اختلاف ابعاد هندسی راکتور بر می گردد.
بحبث : در این جا، به اثر نوع سیال و وجود گاز نیتروژن جهت تولید گاز اسیدی که در حین آزمایش به سیستم تزریق می شود، می پردازیم . همچنین در حین واکنش اثر ارتفاع توزیع توزیع کننده ها در داخل بالابر بر میزان هوای مصرفی جهت احیا کاتالیست و نیز تغییرات میلی ولت در طول راکتور می پردازیم. با توجه به اینکه حلالیت اکسیژن در محلول کیلات آهن نسبت به آب مقطر کاهش می یابد || ۹ || ، از این رو تغییرات غلظت در طول زمان نیز کاهش خواهد یافت . همانطور که در منحنی شکل ۳ مشاهده می شود با تغیییر نوع سیال از آب مقطر به محلول کیلات آهن ، منحنی تغییرات
غلظت اکسیژن با زمان در محلول، پایین تراز آب مقطر قرار می گیرد. همچنین در منحنی شکل ۳ مشاهده می شود که غلظت تعادلی در حالت پایدار نیز در محلول کیلات آهن نسبت به آب مقطر کاهش می یابد. حال با تزریق نیتروژن در حضور هوا، این تغییرات در غلظت محسوس تر می شود و با افزایش میزان دبی نیتروژن کاهش این دامنه شدیدتر خواهد شد و در نتیجه C تعادلی نیز کاهش می یابد. این مطالب در منحنی شکل ؛ به وضوح آشکار می شود. علت این امر را می توان در کاهش درصد مولی اکسیژن در مخلوط اکسیژن و نیتروژن در محلول دانست و نیز خاصیت تھی کنندگی گاز نیتروژن دانست. حال با توجه به مطالب گفته شده، منحنی لگاریتمی ضریب انتقال جرم بر حسب سرعت ظاهری گاز (هوا) برای هر سه مورد سیال در منحنی شکل ۵ ارائه شده است. همانطور که در قبل اشاره شد تغییر نوع سیال و ویسکوزیته و خواص سیال باعث تغییر خواهد شد، ولی در
