بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین فرآیندها در صنعت پتروشیمی، کراگینگ نفت خام و مشتقات آن به هیدروکربن هاي سبک و باارزش است . نفت کوره ي پردازش شده - - PFO محصولی حاصل از برشهاي سنگین واحدهاي الفینی در صنعت پتروشیمی و یا از محصولات جانبی پالایشگاهها محسوب شده وعموماً ارزش اقتصادي بالایی ندارد.تکنولوژي مشعل تخلیه ي سد دي الکتریک که در فشار اتمسفري و دماي پایین عمل می کند، یکی از جدیدترین روش هاي پلاسمایی براي کراکینگ هیدروکربن هاي سنگین می باشد.این مقاله به امکان سنجی کراکینگ PFO از دو مجتمع پتروشیمی مختلف توسط تکنولوژي پلاسما - مشعل تخلیه سد دي الکتریک - پرداخته و نشان می دهد محصولاتی از قبیل هیدروکربن هاي سبک C1-C4 با ارزش اقتصادي بالاتر،هیدروژن و نیتروژن تولید می شود.
مقدمه
با افزایش روز افزون جمعیت کره ي زمین و همچنین محدودبودن منابع طبیعی از جمله سوخت هاي فسیلی،مسئله ي نفت بهیکی از مهمترین مسائل جهانی تبدیل شده است.امروزه در صنعت پتروشیمی و نیزهايپالایشگاه ها، فرآوري بسیار زیادي بر روي نفت خام انجام داده تا محصولات مطلوب آن را استخراج کرده و مورد استفاده ي صنعت قرار دهنداما.فرایندهاي متداول صنعتی و پالایشگاهیاز معایبی نیز دارند که جمله مهمترین آنها میتوان به ایجاد آلودگی هاي زیست محیطی،انجام فرایندها در فشار و دماي بالا ، هزینه بر بودن استفادهاز کاتالیزورها و همچنین غیر فعال شدن کاتالیزورها بعد از مدتیاشاره کرد. با این اوصاف استفاده از فناوري نوینی که قابلیت جایگزینی و یا کمک دهندگی این صنعت را داشته باشد به شدتاحساس می شود.
در نهایت پس از انجام فرایندهاي گوناگون بر نفت خام واستخراج مواد مفید آن ،ماده اي باقی می ماند که پردازش آن ازلحاظ اقتصادي و با تکنیکهاي موجود صنعتی مقرون به صرفه نمی باشد. این ماده موسوم به PFO - Processed Fuel Oil - در واقعپسماند پالایشگاه و برشهاي سنگین واحدهاي الفینی صنعت پتروشیمی محسوب میشود که آن را به قیمت بسیار نازلی بهفروش می رسانند. حال اگر بتوانیم به روش هاي پلاسمایی پردازشی بر روي این ماده انجام داده و آن را به چرخه ي سوختوارد کنیم،توانسته ایم از چنینمحصولضایعات صنعتی یک ارزشمند تولید کنیم و گام مفیدي در صنعت نفت و پتروشیمیبرداریم. به طور کلی پلاسما را به دو گروه اصلی تقسیم بندي می کنند:
-1 پلاسماي غیر حرارتی - غیر تعادلی - یا پلاسماي سرد - تخلیه الکتریکی - - فیوژن - [1]
-2 پلاسماي حرارتی - تعادلی - یا پلاسماداغي
پلاسماي حرارتی و غیر حرارتی بر اساس دماي گاز دستهبندي میشوند.در پلاسماي حرارتی مانند مشعل پلاسما تمامی گونههاي باردار - الکترون ها و یون ها - و گونه هايها خنثی - اتم ،مولکول ها ،رادیکال ها و گونه هاي تحریک شده - تقریبا در تعادل گرمایی قرار دارند.دماي معمول گاز در این گونه پلاسما 1000تا 10000 درجه ي کلوین است.از طرف دیگر پلاسماي غیر حرارتیمانند تخلیه ي الکتریکی هاله اي - - corona dischargeتخلیهسد دي الکتریک - - DBD و تخلیه الکتریکی سطحی در تعادل گرمایی به سر نمی برند.دماي الکترون 10000 - تا K 100000یا - 10-1 ev بسیار بیشتر از دماي گاز است [2] - 100K - راکتور پلاسماي غیر حرارتی تخلیه سد دي الکتریک - DBD - به دلیل کارکرد در دماي پایین و فشار اتمسفر به عنوان یکی از پرکاربرد ترین راکتورهاي پلاسمایی مطرح می باشد.
اصول کار تخلیه سد دي الکتریک به این شرح است که،دو الکترود که حداقل یکی از الکترودها بوسیله دي الکتریک پوشانده شده است به فاصلهازdهم قرار دارند. بین دو الکترود، گازي با چگالی ودمايN - فشار P - T قرار دارد. وقتی بین دو الکترود اختلاف پتانسیل اعمال کنیمپدیده شکست یا تخلیه الکتریکی بین دو الکترود به صورت تعداد زیادي میکروتخلیه و فیلمان شکل می گیرد. هر کدام از این فیلمان ها قطري در حدود 100μm دارند. میکروتخلیه ها به سرعت ازبین می روند و طول عمر آنها در حدود 100ns می باشد. قطرفیلمان و طولعمر هر دو به نوع گاز و فشار استفاده شده بستگیدارد. جریان بوسیله فیلمان ها منتقل می شود.
تبادل انرژي بین الکترونهاي شتاب گرفته و اتم ها و مولکولها درون و بیرون اینمیکروتخلیهها اتفاق میافتد. الکترون هاي پر انرژي باعثبرانگیخته شدن اتم ها و مولکولها و در نهایت باعثانرژيانتقالجنبشی به ذرات برانگیخته می شود. بدلیل انرژي بسیار بالاي الکترون، تبادل انرژي با راندمان بالا در حدودانرژي% 90جنبشی، صورت می گیرد. [3]مزیت استفاده از تخلیه ي سد دي الکتریک بر روشهاي معمولصنعتی و پالایشگاهی را میتوان به صورت زیر خلاصه کرد:
– 1 کاهش مصرف انرژي
– 2 کاهش آلودگی هاي زیست محیطی
– 3 استفاده از منابع نفتی کم ارزش
– 4 استفاده از فرآورده هاي کم ارزش ستون تقطیر
– 5 حذف هزینه هاي اضافی مانند استفاده از کاتالیزورها
– 6 انعطاف پذیري لازم در انتخاب مواد اولیه با کیفیت هاي متنوع
– 7 انجام گیري فرآیندها در فشار اتمسفر و دماي پایین در مقایسه با فرآیندهاي رایج
– 8 عدم نیاز به طراحی و ساخت تجهیزات پیچیده صنعتی
– 9 انجام گیري فرآیند ها در محیطی ایمن و ساده سازي شده
– 10 حذف هزینه هاي اضافی ستون تقطیر جهت تامین شرایط خاص
– 11 انجام فرآیندهاي شیمیایی مربوطه در محذراتیطی عاري ازمزاحم
پلاسمایی که دراین کار مد نظر ما قرار دارد ؛ مشعل تخلیه ي سد دي الکتریک - - DBD Torch است.مشعل تخلیه ي سد دي الکتریک علاوه بر مزایاي بالا مزیت هایی نیز نسبت به راکتورهايتخلیه سد دي الکتریک دارد و آن آلوده نشدن الکترودها به خوراكدر حین انجام واکنش است.این مزیت علاوه بر تمیزتر انجام شدن عملیات کمک به افزایش طول عمر الکترودها و صرفه جویی درزمان و سهولت در انجام آزمایش می شود.به همین علت مشعلتخلیه ي سد دي الکتریک ،به نظر میرسد گزینه ي مناسبی برايصنعتی شدن این فناوري می باشد.اصول کار مشعل تخلیه سد دي الکتریک مانند راکتورهايتخلیه سد دي الکتریک است با این تفاوت که به علت وجود جریان بالاي گاز درون راکتور،میکروتخلیه ها به یک سمت جهت دهی می شوند .که این منجر به بالا رفتن چگالی انرژي در یکناحیه مشخص می شود؛ و ما را در انجام فرایند کراکینگ یاري میدهد.
چیدمان آزمایش
آزمایش هاي انجام شده بر روي خوراك PFO - نفت کوره پردازش شده - صورت گرفته است. PFO مورد استفاده در یکی از آزمایش ها از مجتمع پتروشیمی امیرکبیر تهیه شده است که نتایج آنالیزي حاصل از مهمترین و بیشترین مشتقات هیدروکربنی سنگین آن به شرح زیر است.آنالیز - GC - GasChromatographyخوراك PFOمجتمع پتروشیمی امیرکبیربیشتر ترکیبات این خوراك ،ترکیباتسنگینآروماتیکی و C12-C13 هستند که کراکینگ آنها مستلزم فراهم کردن انرژيبالاست.ابتدا 1cc خوراك را در داخلخوراكمحفظه ي ویژه ي ریخته شده و توسط مشعل تخلیه سد دي الکتریک - DBDTorch - مورد پردازش می دهیم.مشعل پلاسماي تخلیه سد دي الکتریک شامل دو الکتروفلزي می باشد. الکترود داخلی ، میله اي آلومینیومی به قطر14میلی متر است که داخل لوله ي دي الکتریککوارتزازجنسبه قطر خارجی 20 میلیمتر قرار دارد و گاز در فاصله ي بین این دوالکترودتزریق میشود.
خارجی ورقه اي مسی است که به دورمحفظه ي حاوي خوراك پیچیده شده است .شمایی از مشعل تخلیه سد دي الکتریک قبل و بعد از روشن شدن پلاسماولتاژ اعمالی به الکترودها جهت تولید پلاسما تخلیه سد ديالکتریک با استفاده از منبع تغذیه متناوبهرتزسینوسی 20 کیلوایجاد می شود.اختلاف پتانسیل بین دو الکترود توسط High voltage Probe مدل - SEW PD-20S - اندازه گیريشده است.همان طور که گفته شد،میکروتخلیه هاي ایجاد شدهبینالکترود داخلی و خارجی، باعث شکست پیوندهاي بین مولکولیهیدروکربن هاي سنگین شده و محصولات سبک تر و مفیدتري را حاصل میکند.انتظار میرودکه بعضی از واکنش هاي حاصله بر اثر این برخورد ها به شرح زیر باشد:[2]
در این آزمایش دبی گازهاي حامل به صورت - میلی لیتر بر دقیقه - - sccm - ٢٠٠ گاز متان و 2000 - sccm - گازآرگون،توسط دستگاه کنترل کننده جریان گاز - mass flow controller - مدل - APEX AX-MC - به راکتور وارد می شود.گاز آرگون به علت آسانتر یونیزه شدن و گاز متان بهعلت تولید رادیکال هاي هیدروژن انتخاب شده اند.گازهاي خروجی ابتدا توسط مبرد که در آن آب جریان دارد ،سرد شده و سپس توسط بالن هاي مخصوص جمع آوري و براي آنالیز به دستگاه کروماتوگرافی گازي فرستاده می شود. براي آنالیزگازهاي خروجی، از آنالیز - Gas Chromatography - استفادهمی کنیم .آنالیز محصولات توسطشناساییآشکارساز FID براي هیدروکربن هاي سبک و آشکارساز TCD براي شناسایی H2,CO,CO2انجام می شود.[2]
