مقدمه:
پيشرفت روز افزون بشر در زمينه كـامپيوتر هـا و تـوان بـالاي محاسـباتي آنهـا بـر سـرعتتحقيقات افزوده و از اين طريق كمك بزرگي به توسعه علم وتكنولوژي نموده است. صـنايعشيميايي نيز از اين ره آورد قرن بيست و يكـم بـي نـصيب نمانـده انـد بطوريكـه امـروزه ،استفاده از كامپيوترها جزئي لاينفك از هرگونه برنامه تحقيقاتي در زمينه طراحي فراينـدهاو واحدهاي صنعتي بشمار مي رود . درحقيقت در سالهاي اخير طراحي واحـدهاي صـنعتيبا استفاده از مدل سازي و شبيه سازي واحدهاي صنعتي بسيار مورد توجه قرار گرفته است.
اين روش محققين را قادر ساخته تا در كمترين مدت و بدون صـرف هزينـه هـاي هنگفـتيك واحد صنعتي را طراحي نمايند و اثرات تغييرات پارامترهاي مختلف بـرروي سيـستم رامطالعه نموده و با توجه به شرايط موجود، بهترين طراحي را در كوتاهترين زمان ارائه دهند. بطور مثال با مدل سازي و شبيه سازي يك راكتور، ميتوان اثرات تغيير نوع و ميزان خوراك ورودي، فشار، درجه حرارت و…
را بر روي توزيع محصولات خروجي، براحتي و در كوتاهترين زمان ممكن مشاهده نمـوده وبا توجه به نياز بيشتر به محصولي خاص، اين پارامترهـا را تغييـر داده و بهتـرين شـرايط رابراي رسيدن به هدف مشخص نمود.موردي كه مادر اينجا به بررسي آن مي پـردازيم پيـروليز يا شكست حرارتي (Thermal Cracking) پروپان مي باشد؛ اين فراينـد منجـر بـهتوليد اولفين ها و دي اولفين ها و تا حدي آروماتيك ها مي گردد كه همگي از مواد پايه ومهم درصنايع پتروشيمي بشمار مي روند.
براي شبيه سازي يك راكتور شكست حرارتي، لازم است ابتدا مدل سينتيكي مناسـبي كـهمكانيزم واكنش هاي شكست حرارتي را مشخص ميكند، در نظر گرفته شود . مدلي كـه دراينجا مورد استفاده قرار گرفته، مـدل مولكـولي اسـت كـه توسـط
Froment و بر اساس تحقيقات انجـام شـده بـر روي يـك واحـد نيمـه صـنعتي شكـستحرارتي، ارائه شده و نتايح حاصل از بكارگيري آن با نتايج صنعتي بخـوبي مطابقـت داشـتهاست . در مرحله دوم، بكمك مدل سينتيكي مورد نظر ، بر روي تركيبات موجود در راكتـور، موازنه جرم نوشته مي شود و سپس با توجه به مشخصات حرارتـي سيـستم و مشخـصاتساختماني راكتور و خصوصيات سيال، موازنه حرارتي و موازنه مومنتم انجام ميـشود . نهايتـاٌ بـا شـبيه سـازي مـدل سـاخته شـده و اعمـال شـرايط مـرزي مناسـب توسـط نـرم افـزار Fluent 6.2 ، تركيب درصد هر يك از اجـزاء موجـود در مخلـوط گـازي درون راكتـور ،فشار، درجه حرارت و ميزان تبديل درهر نقطه از طول راكتور مشخص ميشود.

مدلسازي و شبیه سازی راكتور پيروليز پروپان

مدلسازي و شبیه سازی راكتور پيروليز پروپان

فهرست مطالب

چكيده………………………………………………………………………………………………………………………1
مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………..2

فصل اول: صنعت پتروشيمي

1-1- صنعت پتروشيمي …………………………………………………………………………………………………… 6
1-1- 1-صنعت پتروشيمي در ايران ………………………………………………………………………………………. 7
1-2- مجتمع هاي پتروشيمي ……………………………………………………………………………………………. 8
1-3- مواد اوليه صنعت پتروشيمي …………………………………………………………………………………….. 17
1-5-1- توليد اولفين ها …………………………………………………………………………………………………..23
4-1 بررسي فرآيند پيروليز ……………………………………………………………………………………………… 27
1-4-1- كوره و راكتور شكست حرارتي ……………………………………………………………………………… 27
1-4-2- بخش بازيابي انرژي ……………………………………………………………………………………………3 3
1-4-3- تخليص جريان محصولات خروجي ……………………………………………………………………………..35
1-4-4- تراكم ، گوگرد زدايي و خشك كردن …………………………………………………………………………..35
1-6- پارامترهاي مهم عملياتي ………………………………………………………………………………………. 38
1-6-1- بخار رقيق كننده ……………………………………………………………………………………………… 38
1-6-2- فشار ………………………………………………………………………………………………………….. 40
1-6-3- سرعت جرمي ………………………………………………………………………………………………… 41
1-7- عوامل موثر بر ديواره راكتور ……………………………………………………………………………………..41
1-8- تشكيل كك ………………………………………………………………………………………………………. 44
1-9- مكانيزم تشكيل كك …………………………………………………………………………………………….. 49

فصل دوم : مدلسازي راكتور پيروليز پروپان

2-1- مدل سينتيكي ………………………………………………………………………………………………………… 58
2-1-1- تعيين پارامترهاي سينتيكي ………………………………………………………………………………………..62
2-1-2- سينتيك تشكيل كك ……………………………………………………………………………………………… 66
2-2- مدل سازي رياضي …………………………………………………………………………………………………..71
1-2-2 پيوستگي جرم ……………………………………………………………………………………………………. 71
2-2-2- پيوستگي انرژي …………………………………………………………………………………………………. 73
3-2-2 پيوستگي مومنتوم ………………………………………………………………………………………………….78

فصل سوم : شبيه سازي به كمك روش CFD

3-1- متدهاي پيشگويي …………………………………………………………………………………………………. 82
3-1-1- امتيازات يك محاسبه تئوري ………………………………………………………………………………………83
3-2- CFD چيست ؟ ……………………………………………………………………………………………………….85
3-3- چگونگي عملكرد يك برنامه CFD ا…………………………………………………………………………………..85
3-4- توانايي هاي نرم افزار FLUENTا…………………………………………………………………………………….90
3-5-آشنايي كلي با نرم افزار و قابليت هاي آن……………………………………………………………………….. 91
3-5-1-مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………… 91
3-5-2- قابليتهاي برنامه …………………………………………………………………………………………………..92
3-5-3- ديد كلي از نرم افزار FLUENTا………………………………………………………………………………….93
3-6-توپولوژي شبكه …………………………………………………………………………………………………….. 94
3-6-1- مثالهايي از توپولوژي شبكه هاي قابل قبول ……………………………………………………………………95
3-6-2- انتخاب نوع شبكه مناسب ………………………………………………………………………………………. 96
3-7- چشم اندازي از مدل هاي فيزيكي بكار رفته در FLUENTا……………………………………………………….97
3-7-1- معادلات مومنتوم و پيوستگي …………………………………………………………………………………. 98
3-7-2- معادلات بقاي مومنتوم ………………………………………………………………………………………. 98
3-7-3-انتقال حرارت …………………………………………………………………………………………………… 99

فصل چهارم : شبيه سازي راكتور پيروليز توسط نرم افزار

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………… 102
4-1- هندسه راكتور……………………………………………………………………………………………………. 102
4-2- شبكه بندي (مش بندي ) راكتور ……………………………………………………………………………….. 103
4-3- مشخصات راكتور پيروليز پروپان ………………………………………………………………………………… 104
4-4- روشهاي حل عددي توسط FLUENTا…………………………………………………………………………….107

فصل پنجم : بحث و نتيجه گيري

نتايج و بحث ……………………………………………………………………………………………………………..111
نتيجه گيري ……………………………………………………………………………………………………………. 126
پيشنهادات ……………………………………………………………………………………………………………… 126
منابع فارسي………………………………………………………………………………………………………………133
.منابع لاتين چكيده انگليسي …………………………………………………………………………………………. 139

جدولها

• جدول(1-1)درصد وزني محصولات خروجي از راكتور …………………………………………………………. 25
• جدول(1-2)نسبتهاي متداول از بخار آب به خوراك هيدروكربني ………………………………………………39
• جدول(1-3)واكنشهاي اكسيداسيون سطح ……………………………………………………………………. 42
• جدول(1-4)ترتيب محصولات اصلي در پيروليز پروپان ………………………………………………………….. 54
• جدول(2-1)مدل مولكولي واكنشهاي كراكينگ حرارتي پروپان ……………………………………………… 62
• جدول(2-2)مكانيزمهاي واكنش تشكيل كك ……………………………………………………………………. 68
• جدول(2-3)پارامترهاي سينتيكي تشكيل كك ………………………………………………………………… 69
• جدول(2-4)ضرايب ظرفيت حرارتي گازها ……………………………………………………………………. 75
• جدول(2-5)گرماي تشكيل اجزا مخلوط ………………………………………………………………………. 76
• جدول(2-6)گرماي واكنشها در 25 درجه سانتيگراد ………………………………………………………….77
• جدول(2-7)ضرايب ويسكوزيته گازها …………………………………………………………………………..80
• جدول(4-1)ضرايب مورد استفاده در مدل k-є استاندارد ……………………………………………………104
• جدول(4-2)شرايط مرزي مدل ……………………………………………………………………………… 106
• جدول(4-3)مقادير فاكتور زير تخفيف ……………………………………………………………………….. 107

فهرست نمودارها

• نمودار(2-1)سرعت تشكيل كك و مقدار آن بر حسب زمان …………………………………………………..65
• نمودار(2-2)سرعت يكنواخت تشكيل كك بر حسب ميزان تبديل ……………………………………………..66
• نمودار(2-3)تغييرات سرعت تشكيل كك به ميزان تبديل ………………………………………………………71
• نمودار(2-4)تغييرات فلاكس حرارتي با طول راكتور ………………………………………………………… 73
• نمودار(4-1)تاريخچه همگرايي …………………………………………………………………………………109
• نمودار(5-1)تغييرات درجه حرارت مخلوط واكنش …………………………………………………………….113
• نمودار(5-2)تغييرات فشار در طول راكتور …………………………………………………………………..114
• نمودار(5-3)تغييرات ميزان تبديل در طول راكتور ………………………………………………………… 115
• نمودار(5-4)بازدهي پروپيلن ………………………………………………………………………………. 116
• نمودار(5-5)تغييرات غلظت كك در طول راكتور …………………………………………………………… 117
• نمودار(a-5-6)توزيع محصولات در طول راكتور …………………………………………………………… 118
• نمودار(b6-5-) توزيع محصولات در طول راكتور ……………………………………………………………119
شكلها

• شكل(1-1)شماي يك كوره پيروليز …………………………………………………………………………….. 28
• شكل(1-2)طرحهاي مختلف لوله هاي پيروليز …………………………………………………………………31
• شكل(1-3)نمونه اي از طرح كوره ها …………………………………………………………………………. 32
• شكل(1-4)بازيابي انرژي (TLX ا…………………………………………………………………………………34
• شكل(1-5)طرحي از يك كوره كراكينگ ……………………………………………………………………….. 34
• شكل(1-6)فرايند جداسازي محصولات …………………………………………………………………………..37
• شكل(1-7)نمونه عكسبرداري شده به روش SEM از كك ……………………………………………………….53
• شكل(2-1)شمايي از دستگاه مورد استفاده Fromentا………………………………………………………….63
• شكل(2-2)شمايي از راكتور مورد استفاده Froment ……….ا…………………………………………………..63
• شكل(3-1)انواع سلولهاي قابل قبول توسط نرم افزار …………………………………………………………… 95
• شكل(4-1)مشخصات راكتور پيروليز……………………………………………………………………………… 103
• شكل(4-2)معادلات سرعت واكنش …………………………………………………………………………….105
• شكل(5-1)پروفايل كانتورهاي دمايي مخلوط واكنش ………………………………………………………… 114
• شكل(5-2)پروفايل كانتورهاي فشاري در طول راكتور ………………………………………………………. 115
• شكل(5-3)پروفايل كانتورهاي ميزان تبديل پروپان ……………………………………………………………116
• شكل(5-4)پروفايل كانتورهاي بازدهي پروپيلن ………………………………………………………………..117
• شكل(5-5)پروفايل كانتورهاي غلظت كك …………………………………………………………………….118
• شكل(5-6)پروفايل كانتورهاي توليد هيدروژن ……………………………………………………………….. 119
• شكل(5-7)پروفايل كانتورهاي توليد اتيلن ……………………………………………………………………..120
• شكل(5-8)پروفايل كانتورهاي توليد متان ……………………………………………………………………….120
• شكل(5-9)پروفايل كانتورهاي توليد بوتيلن ……………………………………………………………………..121
• شكل(5-10)پروفايل كانتورهاي توليد استيلن …………………………………………………………………. 121
• شكل(5-11)پروفايل كانتورهاي توزيع دما در جهت شعاعي …………………………………………………. 122

فصل اول:
صنعت پتروشيمي
1-1-صنعت پتروشيمي :
پتروشيمي امروزه به صنايع بزرگي اطلاق ميشود كه مواد اوليـه آ ن از نفـت و گـاز طبيعـيبدست آمده و محصولات آن در كليه شئونات زندگي بشر مصرف دارند.
درحقيقت، پتروشيمي صنعتي است وابسته به نفت كه از مواد نفتي محـصولات غيـر نفتـيتوليد ميكند اين صنعت درحدود هفتاد سال قبل ، با تهيه الكل ايزوپروپيل(ايزوپروپانول) ازپروپيـل آغـاز شـد و سـي سـال پـيش از آن بـود كـه اولـين دوره پتروشـيمي در يكـي از دانشگاههاي امريكا در ايالات تگزاس برگزارشد.
صنعت پتروشيمي به دليل عوامل زير، از رشد چشمگيري در اين مدت كوتاه برخوردار بودهاست:
1) وفور و ارزاني مواد اوليه
2) ارزش افزوده محصولات پتروشيمي
ارزش افزوده فرآورده هاي نهايي نزديك به ده تا پانزده بر ابر ارزش مواد اوليه آن مي باشد .
بررسي هاي به عمل آمده نشان ميدهد كه در حال حاضر از كل هيدرو كربن هاي توليـديدر جها ن فقط 5% بعنوان مواد اوليه در صنايع پتروشيمي به مصرف مـي رسـد. ولـي ارزشفراورده هاي ساخته شده از اين 5% در حدود دو برابر ارزش محـصولات نفتـي اسـت كـه ازبقيه 95% هيدروكربن هاي توليدي به فروش مي رسد.
3) تنوع فراورده هاي پتروشيمي و اهميت آنها در رابطه با زندگي بشر
4) امكان جايگزيني فراورده هاي پتروشيمي با فراورده هاي طبيعي در ابعاد مختلف
5) تنوع روش ها و طرق ساخت يك محصول پتروشيمي با استفاده از مواد اوليه متفاوت
6) امكان توليد زياد و سريع محصولات پتروشيمي
7) بهبود در ساير تكنولوژي ها در رابطه با مصرف محصولات پتروشيمي
در حقيقت گسترش صنايع پتروشيمي اثرات چشمگير و پر اهميتي در پيشرفت اقتصادي وتوسعه صنايع و بالا بردن سطح تكنولوژي در جهـان داشـته اسـت . مجموعـه عوامـل فـوقسبب شده تا امروزه، توليد فراورده هاي پتروشيمي بعنوان يك صـنعت مهـم در كـشورهايتوسعه يافته صنعتي و يك آرمان و هدف براي كشورهاي در حال توسعه مطرح باشد، علـيالخصوص كشورهاي خاورميانه كه از منابع غني نفت و گاز برخوردارند.
در حال حاضر، آمريكا بزرگترين توليد كننده محـصولات پتروشـيمي در جهـان اسـت ايـنصنعت در آمريكا بعد از جنگ بين المللـي دوم بـا سـرعت چـشمگيري توسـعه پيـدا كـردبطوريكه از سال 1980 تقريباً نيمي از ارزش توليدات آن را گروه صنايع شـيميايي تـشكيلمي دادكه از اين گروه هم حدود 90% آن مربوط به ارزش محصولات پتروشيمي است. بعـداز امريكا ژاپن از نظر توليد محصولات پتروشيميايي در مقام دوم جهـان قـرار دارد . قـسمتاعظم صنايع پتروشيمي ژاپن از سال 1957 به بعد پايه ريزي شد، اما رشد اين صنايع آنقدرسريع و چشمگير بود كه ژاپن را در مدت نسبتاً كمي به مقام دوم توليـد كننـده در جهـانارتقاء داده است.
در كشورهاي اروپاي غربـي هـم قـسمت اعظمـي از توليـدات صـنعتي مربـوط بـه صـنايعپتروشيمي است . بيشتر م واد پتروشيمي در اروپا و بويژه آلمان حتي قبل از اينكـه در سـايرنقاط جهان شناخته شوند، تهيه مي گرديد. با توجه به حجم و ارزش توليدات اين كشور نيزدر رده سوم قرار ميگيرد.
1- 1- 1- صنعت پتروشيمي در ايران :
فكر و انديشه ايجاد صنايع پتروشيمي در ايران قـدمتي درحـدود چهـل و چنـد سـال دارد.
اولين سازمان نسبتا متشكل براي اين منظور ، بنگاه شيميايي وابسته به وزارت اقتـصاد بـودكه عمده ترين فعاليت آن ايجاد كارخانه كود شيميايي مرودشت فارس در سال 1338 بـود . پس از چند سال، كليه فعاليتهايي كه بعنـوان ايجـاد و توسـعه صـنايع پتروشـيمي توسـطنهادهاي مختلف دولتي انجام مي گرفت، در شركت ملي نفـت ايـران متمركـز شـده و ايـنشركت نيز شركتي فرعي بنام »شركت ملي صـنايع پتروشـيمي« را بـدين منظـور تاسـيسنمود.
هدف اصلي اين شركت توليد انواع فرآورده هاي پتروشيميايي و شـيميايي و فـرآورده هـايفرعي از نفت و مشتقات نفتي و گاز طبيعي و ساير مواد خام اعـم از آلـي و معـدني اسـت ،بدين ترتيب كه با استفاده از هيدروكربورهاي نفتي كه به حد وفور در ايران موجود اسـت ويا از مقادير معتنابه موادي كه از استخراج نفت حاصل مي شود و ساليان متمادي به صورتمواد زايد و بلامصرف سوزانده مي شد، طبـق اصـول و مـوازين علمـي، صـنعتي بهـرهبرداري كرده و از اتلاف آنها جلوگيري كند و با تبديل اين هيدروكربنها به محصولات ميانيو نهايي پتروشيمي ، نياز كشور را به اين محصولات تامين كرده و حتي با صـدور قـسمتياز اين محصولات بخشي از نيازهاي ارزي كشور را تامين كند.
بدين جهت است كه اكنـون پتروشـيمي از اوليـت خـاص در برنامـه هـاي عمرانـي كـشوربرخوردار است در حال حاضر چندين مجتمع پتروشـيمي در ايـران فعاليـت دارنـدو تعـدادديگري نيز در آينده مورد بهره برداري قرار خواهند گرفت.
1- 2- مجتمع هاي پتروشيمي در ايران
1) شركت سهامي پتروشيمي شيراز :
اين مجتمع شامل چندين واحـد عمليـاتي اسـت، از قبيـل واحـد كـود شـيميايي – واحـدسودااش(كربنات دو سود سبك و سنگين-بي كربنـات سـديم) – واحـد STPP و NPK ،(تصفيه اسيد فسفريك، تري پلي فسفات سديم، دي آمونيـوم فـسفات) واحـد كلرالكـالي – واحد متانول ( با توليد سالانه 84 هز ار تن الكـل متيليـك). در ايـن مجتمـع بـا اسـتفاده ازهيدروژن حاصل از گاز طبيعـي (منبـع تـامين كننـده ايـن مجتمـع از پالايـشگاه بيدبلنـدآغاجاري مي باشد) ونيتروژن هوا سالانه صدها هزار تن آمونياك تهيه مي شود.
2) شركت سهامي شيميايي زكرياي رازي:
بهره برداري از اين مجتمع كه در بندرامام خميني قرار گرفتـه از سـال 1349 آغـاز شـد ومحصولات آن عمدتا كودهاي شيميايي ازته و فـسفاته و همچنـين گـوگرد اسـت. خـوراكاصلي اين مجتمع، 105 ميليون فوت مكعب در روز گاز ترش از منطقه مـسجد سـليمان و30 ميليون فوت مكعب گاز شيرين از اهواز، 1000-500 هزار تن در سـال سـنگ فـسفاتوارداتـي و 70 هـزار مترمكعـب در روز آب، از رود كـارون اسـت. گـوگرد، اوره و آمونيـاك توليدي مازاد بر مصرف، صادر شده و سـاير فـرآورده هـا شـامل اسـيد سـولفوريك ، اسـيدفسفريك و فسفات دي آمونيوم در داخل كشور مصرف ميشود.
3) شركت سهامي پتروشيمي آبادان
اين مج تمع در سال 1344 و به منظـور توليـد پـي . وي . سـي (مـاده اوليـه پلاسـتيك) وهمچنين دي . دي . سي(ماده اوليه پاك كننده ها) و سود سوز آور مورد نياز داخل كـشورتاسيس شد.
فاز دوم اين مجتمع شامل واحدهاي اولفين و اتيلن دي كلرايد است. با بهره برداري از ايـنفاز، توليد پي . وي . سي به سقف 40 هزار تن در سال خواهد رسيد. خوراك ايـن مجتمـعگاز پروپان است كه از پالايشگاه آبادان تامين مي شود.
4) شركت سهامي شيميايي خارك
اين مجتمع كه در جزيره خارك احداث شده است در سال 1348 توليد خـود را آغـاز كـردمحصولات آن عبارتند از گوگرد ، پروپان ( با ظرفيت اسمي 134 هزار تن در سـال ) بوتـان(67 هزار تن درسال) و پنتان (51 هـزار تـن در سـال) خـوراك ايـن مجتمـع روزانـه 150 ميليون فوت مكعب گاز ترش از شركت نفت فلات قاره مي باشد.
5) شركت سهامي پتروشيمي فارابي:
اين مجتمع در بندر امام خميني و در نزديكي مجتمع رازي قرار گرفته و بـراي توليـد دي .
او . پي (ماده نرم كننده پلاستيك) و انيدريد فتاليك احداث شده است . مـواد اوليـه مـوردنياز اين مجتمع عبارتند از سالانه 5/21 تن ارتوز ايلين وارداتي كـه در مجتمـع پتروشـيميآروماتيك اصفهان توليد مي شود ، 2/27 تـن دي اتـيلن هگزانـول وارداتـي و سـالانه يـكميليون متر مكعب آب خام از مجتمع شيميايي رازي.
6) شركت سهامي كربن ايران
در اين كارخانه از سوزاندن ناقص گاز طبيعي، كربن بلاك(دوده) بدست مي ايـد ايـن مـادهيكي از مواد اوليه لاستيك اتومبيل اسـت و تمـام توليـدات ايـن كارخانـه در داخـل كـشورمصرف ميشود در حال حاضر پارافين (فورفورال، اكس تراكت و 23 ميليون متـر مكعـب گـازطبيعي مورد نياز را بترتيب از شركت نفت پـارس و شـركت ملـي گـاز و 7/13 تـن قطـرانذغالسنگ را از ذوب آهن اصفهان دريافت مي دارد.
7) كارخانه پوليكا:
اين كارخانه با استفاده ازماده اوليه پي . وي . سي و دي . او . پي محـصولات زيـر را توليـدميكند:
لوله هاي خشك پي.وي.سي براي مصرف آبرساني و فاضلاب، اتصالات لولـه هـا و تركيبـاتنرم مورد استفاده در صنعت كابل سازي ، كفش سازي و لاستيك سازي .
8) مجتمع پتروشيمي اراك:
اين مجتمع عظيم پتروشيمي در جوار پالايشگاه هفتم واقع شده و قادر است طيف وسـيعياز نيازهاي پتروشيمي داخلي را برطرف سازد اين مجتمع داراي چندين واحد توليدي اسـتاز آنجمله اند : واحد اولفين، واحد بنزين پروليز، واحد پلي اتـيلن سـنگين، واحـدهاي پلـياتيلن سبك خطي و بوتن 1، واحدهاي بوتـ ادين و پلـي بوتـ ادين و واحـد اسـيد اسـتيك و استات وينيل.
مواد اوليه مورد نياز اين مجتمع كلاً از منابع داخلي تامين مي شود. خوراك آن عمدتاً نفـتاست كه از پالايشگاههاي اراك و اصفهان تامين ميشود. اين مجتمع قادر است سـالانه 550 هزار تن انواع فراورده هاي پتروشيمي را توليد كرده و نيازمنـديهاي بـازار داخلـي را تـامينميكند.
ايـن توليـدات نيازهـاي صـنايع ديگـر از جملـه مجتمـع هـاي پتروشـيمي فـارابي، تبريـز، پالايشگاهها، صنايع توليد كننده مواد پاك كننده و شوينده، توليـد، لاسـتيك ، رنگـسازي ،پلاستيك ، توليد الياف مصنوعي و بسياري از صنايع پايين دستي ديگر را تامين ميكنـد. در واحد اولفين آن ، 247 هزار تن در سال اتيلن و 94 هزار تن در سال پروپيلن توليد ميـشوداز اين مواد اوليه جهت توليد فرآورده هاي ديگر پتروشيمي استفاده بعمل مي آيد.
9) آروماتيك اصفهان:
اين مجتمع نيز در مجاورت پالايشگاه اصفهان احداث شده و خوراك آن پلات فرميت اسـتكه از طريق پالايشگاه اصفهان تامين ميگردد. سـالانه ، 75 هـزار تـن بنـزن، 20 هـزار تـنتولوئن ، 23 هزار تن ارتوزايلين، 44 هزار تن پاراز ايلين و مقداري گاز مايع توليد مي شود. 10) مجتمع پتروشيمي تبريز:
اين مجتمع نيز در مجاورت پالايشگاه تبريز و به منظور توليد سالانه يكـصد هـزار تـن پلـياتيلن ، 40 هزار تن پلي استايرين مقاوم، 25 هزار تن پلي استايرين معمولي، 15 هـزار تـنپلي استايرين انبساطي ، 30 هزار تن فنل، 18 هزار تن اسـتن، 15 هـزار تـن لاتكـس، 15 هزار تن لاستيك استايرين بوتادين، 10 هزار تن استايرين مـازاد و 34 هـزار تـن لاسـتيكاستايرين بوتادين، 10 هزار تن استايرين مازاد و 34 هزار تن پروپلين در سال 1366آغـاز ومهندسي واحد اولفين آن در سال 1368 شروع شد. خوراك ايـن مجتمـع نفتـاي سـبك وسنگين و گاز مايع است كه از طريق پالايشگاه تبريز تامين ميگردد.

مدلسازي و شبیه سازی راكتور پيروليز پروپان

مدلسازي و شبیه سازی راكتور پيروليز پروپان

فصل دوم:
مدلسازي راكتور پيروليز پروپـان
2-1-مدل سينتيكي
در م دلسازي يك راكتور شكست حرارتي تنها دانستن مشخصات خوراك مورد نظر ، درجـهحرارت ، فشار ورودي و ابعاد راكتور كافي نيست. بلكه آنچه در وهله اول حائز اهميت اسـتپي بردن به واقعياتي است كه در طول راكتور اتفاق مي افتد. در واقـع مكـانيزم واكنـشهايشيميايي كه در يك راكتور شكست حرارتي اتفاق مي افتند بايد كاملا بررسـي شـوند. تنهـادر اين صورت است كه قادر خواهيم بود ، توزيع محصولات خروجي و غلظـت هـر كـدام ازاجزاء را در هر نقطه از راكتور كه لازم باشد، تعيين كنيم زيرا با داشتن مكـانيزم واكنـشها ،معادلات بقاي جرم را براي هر جزء نوشته و به كمك معادلات بقاي انرژي و مومنتم ميتوانمدل رياضي راكتور را ارائه داده و بر اسـاس آن مـدل، اثـر پارامترهـاي مختلـف بـر توزيـعمحصولات خروجي و ميزان تبديل خوراك را پيشگويي نمود.
در مورد واكنشهاي پيروليز تا كنون سه مدل ارائه شده است:
1) مدل تجربي 2) مدل راديكالي 3) مدل ملكولي اكنون به بررسي هر كدام از اين مدلها مي پردازيم.
1) مدل تجربي:
اين مدل در گذشته بطور گسترده اي توسط توليد كنندگان اولفينها مورد استفاده قرار مـيگرفت در اين حالت كه ساده ترين حالات است، تنها موازنه كلي جـرم و انـرژي در اطـرافواحد انجام ميگيرد و مدل بدون در نظر گرفتن واكنشهاي درون راكتور تشريح ميشود.
روش كار بدين صورت بود كه از يك واحد نيمـه صـنعتي شكـست حرارتـي بـراي بدسـتآوردن اطلاعات مورد نياز استفاده مي شد. سپس از يك قاعده تجربي يا نيمه تئـوري بـرايبزرگنمايي (Scale up) اطلاعات حاصل شـده از واحـد نيمـه صـنعتي بـه واحـد صـنعتياستفاده ميشود.
از آنجا كه استفاده از اين مدل مستلزم كارهاي آزمايشگاهي پر هزينه جهت به دست آوردنحجم زياد داده هاي آ زمايشگاهي بود و بعلاوه مدل ارائه شده محدود بـه خـوراكي خـاص وتحت شرايط خاصي بود، امروزه ديگر از اين مدل استفاده نمي شود.
2) مدل راديكالي :
شكست حرارتي هيدوركربنها يك پديده شديدا گرمـاگير اسـت كـه در اثـر اعمـال حـرارتبانـدهاي كـربن – كـربن و كـربن – هيـدروژن هيـدروكربنها شكـسته شـده و در نتيجـه هيدروكربنهاي سنگين تر به هيـدروژن ، متـان، اوليفنهـا، دي اوليفنهـا، و تركيبـات ديگـرتجزيه ميشوند . البته در صورت اعمال حرارت بـيش از حـد، بـازده اولفينهـا كمتـر شـده و تركيبات آروماتيكي سنگين و كك بيشتر تشكيل خواهند شد.
در سال 1934 ، Herzfeld, Rice عنوان كردند كـه شكـست حرارتـي هيـدروكربنها درواقع از طريق واكنشهاي راديكـالي انجـام ميگيـرد و Martin , Niclause(1964) ايـنمطلب راتاييد كردند البته محققين بسياري بر روي مـدلهاي راديكـالي كـار كـرده انـد ومدلهاي مختلفي براي پيروليز هيدروكربنهاي سبك و برشهاي نفتي ديگر ارائه داده اند.
مدل راديكالي عليرغم پيچيدگي آن ، جامعترين مدلي است كه بهترين نتايج را بدست مـيدهد و بعلاوه در برابر تغيير پارامترها و شرايط واكنشها، انعطاف پذيري بهتري از خود نشانميدهد. البته بايد توجه نمود كه حتي در مورد پيروليز هيدروكربنهاي سبكي چـون اتـان وپروپان تعداد زيادي از واكنشهاي راديكالي كه واكنشهاي ابتدايي بشمار مـي رونـد، بايـد درنظر گرفته شوند. واكنشهاي راديكال آزاد بسيار پيچيده و سريع هستند. ممكن اسـت دههـاواكنش بطور همزمان اتفاق بيفتند . بعلاوه مقدار زيادي داده هاي تجربي براي هـر كـدام ازواكنشها مورد نياز خواهد بود كه اين امر مستلزم حافظه بزرگي از كامپيوتر خواهد بود بطورمثال در صورت اسـتفاده از مـدل راديكـالي جهـت مدلـسازي شكـست حرارتـي اتـان، 49 واكنش، براي پروپان 80 واكنش و براي نرمال بوتان 86 واكنش بايد درنظر گرفته شوند. به اين ترتيب تعداد واكنشهايي كه فرضا جهت مدلسازي شكست حرارتي نفتا در نظـر گرفتـهميشود بمراتب بيشتر خواهد بود و اين مسئله بر پيچيدگي موضوع مي افزايد.
واكنشهاي ابتدايي در يك مدل راديكالي بصورت زير دسته بندي مي شوند:[03] 1) واكنشهاي آغازي (شامل واكنشهاي تك ملكولي و واكنشهاي دوملكولي)
2) واكنشهاي جذب هيدروژن (واكنشي كه در آن يك راديكال آزاد هيـدروژن توسـط يـك راديكال آزاد ديگر جذب ميشود) 3) واكنشهاي تجزيه راديكالها
4) واكنشهاي افزايش راديكالها به ملكولهاي اشباع نشده
5) واكنشهي پاياني زنجيره
6) واكنشهاي كاملا ملكولي
7) واكنشهاي ايزومريزاسيون راديكالها
مسئله ديگر در مورد مدل راديكالي اين است كه استفاده از اين مدل براي مدلسازي فرايندپيروليز منجر به يك سري معادلات ديفرانسيل ميشود كه به دليل رفتار خاصي كه از خـودنشان ميدهندآنها را اصـطلاحاً »معـادلات سـخت« (Stiff Differential equations) ميگويند و حل اين معادلات نيز روشهاي خاصي را مي طلبد.
3) مدل ملكولي
در واقع ساده ترين روش براي بيان مكانيزم واكنشهاي شكـست حرارتـي اسـتفاده از مـدلملكولي است . بدين وسيله ميتوان از مشكلات ناشي از حـل يكـسري معـادلات ديفرانـسيل»سخت« اجتناب نمود . براي تعيين پارامترهاي سينتيكي در اين مدل مجموعـه اي از دادههاي تجربي با كيفيت بـالا مـورد نيـاز اسـت. Sundaram , Froment (1976) يـكمدل م لكولي براي پيروليز اتان و پروپان ارائه داده اند .[21] ارائـه ايـن مـدل بـر مبنـايعواملي چون ؛ نتايج تجربي، توزيع محصولات در خروجي ، مكانيزم راديكالي ارائه شده براياين فر آيند و اصول ترموديناميكي بوده است. پارامترهاي مربوطه نيز با استفاده از رگرسيون غير خطي به روش ماركارد تخمين زده شده است.
در برخي موارد براي تعيين پارامترهاي سينتيكي مدل ملكولي از وسايل خاص آزمايشگاهياســــــــتفاده ميــــــــشود . چنانچــــــــه در مــــــــورد پيروليــــــــز اتــــــــانتوســطVanDammme,Forment,Sundaram (1981)و در مــورد پيروليــز پروپــانتوسط Sundaram, Forment(1978) اين كار انجام شده است و بعدا بتفصيل در مورد آن صحبت خواهد شد . در مورد پيروليز نفتا نيز مدلهاي ملكـولي مختلفـي ارائـه شـده ، ازآنجملـه مـدل ارائـه شـده توسـط Hirato, Yoshiko (1973) و مـدل Kumar, Kunzru (1985) . مدلي كه براي پيروليز پروپان در نظـر ميگيـريم يـك مـدل ملكـولياست كه توسط Sundaram, Forment و بر مبناي تحقيقات انجـام شـده بـر روي يـكواحد نيمه صنعتي شكست حرارتي بدسـت آمـده اسـت. [42] ايـن مـدل در جـدول 2-1 مشاهده ميشود . بعلاوه در اين جدول انرژي اكتيواسيون و ضريب فركانس براي هر واكـنشنيز ذكر شده است.

2- 1- 1- تعيين پارامترهاي سينتيكي
همانطور كه قـبلا ذكـر شـد ، Sundaram,Forment بـا اسـتفاده از تجهيـزات خاصـي،پارامترهاي سينيتيكي مربوط به مدل ملكولي را كه ارائه داده بودند بدست آوردند. دسـتگاهمورد استفاده در حقيقت دو هدف مهم را جامـه عمـل مـي پوشـاند. اول تعيـين سـنيتيكواكنش اصلي و سپس تعيين سينتيك واكنش تشكيل كك . البتـه ايـن جنبـه دوم از كـارآنها، از اهميتي خاصي برخوردار بود. زيرا تا قبل از آن هيچ كار مـشابهي در بررسـي كيفـينشست كك در واكنشهاي شكست حرارتي انجام نگرفته بود حال به بررسي دسـتگاه مـورداســتفاده و نحــوه كــار آن مــي پــردازيم . شــماي دســتگاه در شــكل (2 – 1) مــشاهده ميشود.[42]

2- 1- 2- سينتيك تشكيل كك
در نمودار 2-3 تغييرات سرعت تشكيل كك بر حسب زمان و همچنين تغييرات مقدار كـكتشكيل شده بر حسب زمان كه توسط روش توزين به كمك ترازوي الكتريكي، تعيين شده،نشان داده شده است.[42] همانگونه كه از اين نمودار پيدا است. سـرعت تـشكيل كـك درابتدا زياد است اما پس از مدتي سرعت تشكيل كك به يك حالت يكنواخت مي رسد.
اين مسئله را ميتوان چنين توجيه كرد كـه در ابتـداي امر،واكنـشهاي سـطحي بوقـوع مـيپيوندند. اين واكنشها پس از مدت معيني كاهش مي يابند. واكـنش تـشكيل كـك در ابتـداتوسط سطح فلزي ديواره راكتور كاتاليز مي شود، اما همينكـه سـطح ديـواره راكتـور كـاملاًپوشيده شد، يك حالت فعاليت پايدار ايجاد ميشود. اين امر احتمالا بدليل واكـنش متقابـلبين تركيبات فاز گازي و تركيبات پيشگام در ككي است كه بر روي ديواره نشست ميكننـد.
به همين دليل است كه گفته ميشود تشكيل كك داراي ماهيتي ناهمگون(هترژن) ميباشـد .
پديده مـشابهي نيـز توسـط Shah و همكـارانش[7] در كراكينـگ حرارتـي نرمـال اكتـانمشاهده شده است. نمودار (2-3) نشان ميدهد كه واكنش تـشكيل كـك خيلـي سـريع بـهسرعت يكنواخت مي رسد. در شكل (2-4 ) نيز سرعت يكنواخت تـشكيل كـك بـر حـسبميزان تبديل نشان داده شده است.[42]لازم به ذكر است كه ميزان تشكيل كك نسبت بـهساير محصولات فوق العاده كم اسـت . بطـور مثـال بـراي پروپـان در C˚ 870 و درميـزانتبديل 69% ، كك تنها به مقدار 142/0 درصد وزني خـوراك در ناحيـه يكنواخـت تـشكيلميشود.كك م مكن است از طريق يك مكانيزم موازي يا يـك مكـانيزم و يـا هـر دو تـشكيلشود. در پيروليز ، مكانيزم واكنشهاي شكست حرارتي بدليل تعداد زياد واكنشهاي راديكاليبسيار پيچيده است. تنها مدلهاي سـاده شـده اي كـه در جـدول (2-2 ) نـشان داده شـدهتوسط Froment و Sundaram در رابطه با مكانيزم تـشكيل كـك در شكـست حرارتـيپروپان مورد تحقيق قرار گرفتند.[42]

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان