مقدمه:
پیشرفت روز افزون بشر در زمینه کـامپیوتر هـا و تـوان بـالای محاسـباتی آنهـا بـر سـرعتتحقیقات افزوده و از این طریق کمک بزرگی به توسعه علم وتکنولوژی نموده است. صـنایعشیمیایی نیز از این ره آورد قرن بیست و یکـم بـی نـصیب نمانـده انـد بطوریکـه امـروزه ،استفاده از کامپیوترها جزئی لاینفک از هرگونه برنامه تحقیقاتی در زمینه طراحی فراینـدهاو واحدهای صنعتی بشمار می رود . درحقیقت در سالهای اخیر طراحی واحـدهای صـنعتیبا استفاده از مدل سازی و شبیه سازی واحدهای صنعتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
این روش محققین را قادر ساخته تا در کمترین مدت و بدون صـرف هزینـه هـای هنگفـتیک واحد صنعتی را طراحی نمایند و اثرات تغییرات پارامترهای مختلف بـرروی سیـستم رامطالعه نموده و با توجه به شرایط موجود، بهترین طراحی را در کوتاهترین زمان ارائه دهند. بطور مثال با مدل سازی و شبیه سازی یک راکتور، میتوان اثرات تغییر نوع و میزان خوراک ورودی، فشار، درجه حرارت و…
را بر روی توزیع محصولات خروجی، براحتی و در کوتاهترین زمان ممکن مشاهده نمـوده وبا توجه به نیاز بیشتر به محصولی خاص، این پارامترهـا را تغییـر داده و بهتـرین شـرایط رابرای رسیدن به هدف مشخص نمود.موردی که مادر اینجا به بررسی آن می پـردازیم پیـرولیز یا شکست حرارتی (Thermal Cracking) پروپان می باشد؛ این فراینـد منجـر بـهتولید اولفین ها و دی اولفین ها و تا حدی آروماتیک ها می گردد که همگی از مواد پایه ومهم درصنایع پتروشیمی بشمار می روند.
برای شبیه سازی یک راکتور شکست حرارتی، لازم است ابتدا مدل سینتیکی مناسـبی کـهمکانیزم واکنش های شکست حرارتی را مشخص میکند، در نظر گرفته شود . مدلی کـه دراینجا مورد استفاده قرار گرفته، مـدل مولکـولی اسـت کـه توسـط
Froment و بر اساس تحقیقات انجـام شـده بـر روی یـک واحـد نیمـه صـنعتی شکـستحرارتی، ارائه شده و نتایح حاصل از بکارگیری آن با نتایج صنعتی بخـوبی مطابقـت داشـتهاست . در مرحله دوم، بکمک مدل سینتیکی مورد نظر ، بر روی ترکیبات موجود در راکتـور، موازنه جرم نوشته می شود و سپس با توجه به مشخصات حرارتـی سیـستم و مشخـصاتساختمانی راکتور و خصوصیات سیال، موازنه حرارتی و موازنه مومنتم انجام میـشود . نهایتـاٌ بـا شـبیه سـازی مـدل سـاخته شـده و اعمـال شـرایط مـرزی مناسـب توسـط نـرم افـزار Fluent 6.2 ، ترکیب درصد هر یک از اجـزاء موجـود در مخلـوط گـازی درون راکتـور ،فشار، درجه حرارت و میزان تبدیل درهر نقطه از طول راکتور مشخص میشود.

مدلسازی و شبیه سازی راکتور پیرولیز پروپان

مدلسازی و شبیه سازی راکتور پیرولیز پروپان

فهرست مطالب

چکیده………………………………………………………………………………………………………………………1
مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………..2

فصل اول: صنعت پتروشیمی

1-1- صنعت پتروشیمی …………………………………………………………………………………………………… 6
1-1- 1-صنعت پتروشیمی در ایران ………………………………………………………………………………………. 7
1-2- مجتمع های پتروشیمی ……………………………………………………………………………………………. 8
1-3- مواد اولیه صنعت پتروشیمی …………………………………………………………………………………….. 17
1-5-1- تولید اولفین ها …………………………………………………………………………………………………..23
4-1 بررسی فرآیند پیرولیز ……………………………………………………………………………………………… 27
1-4-1- کوره و راکتور شکست حرارتی ……………………………………………………………………………… 27
1-4-2- بخش بازیابی انرژی ……………………………………………………………………………………………3 3
1-4-3- تخلیص جریان محصولات خروجی ……………………………………………………………………………..35
1-4-4- تراکم ، گوگرد زدایی و خشک کردن …………………………………………………………………………..35
1-6- پارامترهای مهم عملیاتی ………………………………………………………………………………………. 38
1-6-1- بخار رقیق کننده ……………………………………………………………………………………………… 38
1-6-2- فشار ………………………………………………………………………………………………………….. 40
1-6-3- سرعت جرمی ………………………………………………………………………………………………… 41
1-7- عوامل موثر بر دیواره راکتور ……………………………………………………………………………………..41
1-8- تشکیل کک ………………………………………………………………………………………………………. 44
1-9- مکانیزم تشکیل کک …………………………………………………………………………………………….. 49

فصل دوم : مدلسازی راکتور پیرولیز پروپان

2-1- مدل سینتیکی ………………………………………………………………………………………………………… 58
2-1-1- تعیین پارامترهای سینتیکی ………………………………………………………………………………………..62
2-1-2- سینتیک تشکیل کک ……………………………………………………………………………………………… 66
2-2- مدل سازی ریاضی …………………………………………………………………………………………………..71
1-2-2 پیوستگی جرم ……………………………………………………………………………………………………. 71
2-2-2- پیوستگی انرژی …………………………………………………………………………………………………. 73
3-2-2 پیوستگی مومنتوم ………………………………………………………………………………………………….78

فصل سوم : شبیه سازی به کمک روش CFD

3-1- متدهای پیشگویی …………………………………………………………………………………………………. 82
3-1-1- امتیازات یک محاسبه تئوری ………………………………………………………………………………………83
3-2- CFD چیست ؟ ……………………………………………………………………………………………………….85
3-3- چگونگی عملکرد یک برنامه CFD ا…………………………………………………………………………………..85
3-4- توانایی های نرم افزار FLUENTا…………………………………………………………………………………….90
3-5-آشنایی کلی با نرم افزار و قابلیت های آن……………………………………………………………………….. 91
3-5-1-مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………… 91
3-5-2- قابلیتهای برنامه …………………………………………………………………………………………………..92
3-5-3- دید کلی از نرم افزار FLUENTا………………………………………………………………………………….93
3-6-توپولوژی شبکه …………………………………………………………………………………………………….. 94
3-6-1- مثالهایی از توپولوژی شبکه های قابل قبول ……………………………………………………………………95
3-6-2- انتخاب نوع شبکه مناسب ………………………………………………………………………………………. 96
3-7- چشم اندازی از مدل های فیزیکی بکار رفته در FLUENTا……………………………………………………….97
3-7-1- معادلات مومنتوم و پیوستگی …………………………………………………………………………………. 98
3-7-2- معادلات بقای مومنتوم ………………………………………………………………………………………. 98
3-7-3-انتقال حرارت …………………………………………………………………………………………………… 99

فصل چهارم : شبیه سازی راکتور پیرولیز توسط نرم افزار

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………… 102
4-1- هندسه راکتور……………………………………………………………………………………………………. 102
4-2- شبکه بندی (مش بندی ) راکتور ……………………………………………………………………………….. 103
4-3- مشخصات راکتور پیرولیز پروپان ………………………………………………………………………………… 104
4-4- روشهای حل عددی توسط FLUENTا…………………………………………………………………………….107

فصل پنجم : بحث و نتیجه گیری

نتایج و بحث ……………………………………………………………………………………………………………..111
نتیجه گیری ……………………………………………………………………………………………………………. 126
پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………………………… 126
منابع فارسی………………………………………………………………………………………………………………133
.منابع لاتین چکیده انگلیسی …………………………………………………………………………………………. 139

جدولها

• جدول(1-1)درصد وزنی محصولات خروجی از راکتور …………………………………………………………. 25
• جدول(1-2)نسبتهای متداول از بخار آب به خوراک هیدروکربنی ………………………………………………39
• جدول(1-3)واکنشهای اکسیداسیون سطح ……………………………………………………………………. 42
• جدول(1-4)ترتیب محصولات اصلی در پیرولیز پروپان ………………………………………………………….. 54
• جدول(2-1)مدل مولکولی واکنشهای کراکینگ حرارتی پروپان ……………………………………………… 62
• جدول(2-2)مکانیزمهای واکنش تشکیل کک ……………………………………………………………………. 68
• جدول(2-3)پارامترهای سینتیکی تشکیل کک ………………………………………………………………… 69
• جدول(2-4)ضرایب ظرفیت حرارتی گازها ……………………………………………………………………. 75
• جدول(2-5)گرمای تشکیل اجزا مخلوط ………………………………………………………………………. 76
• جدول(2-6)گرمای واکنشها در 25 درجه سانتیگراد ………………………………………………………….77
• جدول(2-7)ضرایب ویسکوزیته گازها …………………………………………………………………………..80
• جدول(4-1)ضرایب مورد استفاده در مدل k-є استاندارد ……………………………………………………104
• جدول(4-2)شرایط مرزی مدل ……………………………………………………………………………… 106
• جدول(4-3)مقادیر فاکتور زیر تخفیف ……………………………………………………………………….. 107

فهرست نمودارها

• نمودار(2-1)سرعت تشکیل کک و مقدار آن بر حسب زمان …………………………………………………..65
• نمودار(2-2)سرعت یکنواخت تشکیل کک بر حسب میزان تبدیل ……………………………………………..66
• نمودار(2-3)تغییرات سرعت تشکیل کک به میزان تبدیل ………………………………………………………71
• نمودار(2-4)تغییرات فلاکس حرارتی با طول راکتور ………………………………………………………… 73
• نمودار(4-1)تاریخچه همگرایی …………………………………………………………………………………109
• نمودار(5-1)تغییرات درجه حرارت مخلوط واکنش …………………………………………………………….113
• نمودار(5-2)تغییرات فشار در طول راکتور …………………………………………………………………..114
• نمودار(5-3)تغییرات میزان تبدیل در طول راکتور ………………………………………………………… 115
• نمودار(5-4)بازدهی پروپیلن ………………………………………………………………………………. 116
• نمودار(5-5)تغییرات غلظت کک در طول راکتور …………………………………………………………… 117
• نمودار(a-5-6)توزیع محصولات در طول راکتور …………………………………………………………… 118
• نمودار(b6-5-) توزیع محصولات در طول راکتور ……………………………………………………………119
شکلها

• شکل(1-1)شمای یک کوره پیرولیز …………………………………………………………………………….. 28
• شکل(1-2)طرحهای مختلف لوله های پیرولیز …………………………………………………………………31
• شکل(1-3)نمونه ای از طرح کوره ها …………………………………………………………………………. 32
• شکل(1-4)بازیابی انرژی (TLX ا…………………………………………………………………………………34
• شکل(1-5)طرحی از یک کوره کراکینگ ……………………………………………………………………….. 34
• شکل(1-6)فرایند جداسازی محصولات …………………………………………………………………………..37
• شکل(1-7)نمونه عکسبرداری شده به روش SEM از کک ……………………………………………………….53
• شکل(2-1)شمایی از دستگاه مورد استفاده Fromentا………………………………………………………….63
• شکل(2-2)شمایی از راکتور مورد استفاده Froment ……….ا…………………………………………………..63
• شکل(3-1)انواع سلولهای قابل قبول توسط نرم افزار …………………………………………………………… 95
• شکل(4-1)مشخصات راکتور پیرولیز……………………………………………………………………………… 103
• شکل(4-2)معادلات سرعت واکنش …………………………………………………………………………….105
• شکل(5-1)پروفایل کانتورهای دمایی مخلوط واکنش ………………………………………………………… 114
• شکل(5-2)پروفایل کانتورهای فشاری در طول راکتور ………………………………………………………. 115
• شکل(5-3)پروفایل کانتورهای میزان تبدیل پروپان ……………………………………………………………116
• شکل(5-4)پروفایل کانتورهای بازدهی پروپیلن ………………………………………………………………..117
• شکل(5-5)پروفایل کانتورهای غلظت کک …………………………………………………………………….118
• شکل(5-6)پروفایل کانتورهای تولید هیدروژن ……………………………………………………………….. 119
• شکل(5-7)پروفایل کانتورهای تولید اتیلن ……………………………………………………………………..120
• شکل(5-8)پروفایل کانتورهای تولید متان ……………………………………………………………………….120
• شکل(5-9)پروفایل کانتورهای تولید بوتیلن ……………………………………………………………………..121
• شکل(5-10)پروفایل کانتورهای تولید استیلن …………………………………………………………………. 121
• شکل(5-11)پروفایل کانتورهای توزیع دما در جهت شعاعی …………………………………………………. 122

فصل اول:
صنعت پتروشیمی
1-1-صنعت پتروشیمی :
پتروشیمی امروزه به صنایع بزرگی اطلاق میشود که مواد اولیـه آ ن از نفـت و گـاز طبیعـیبدست آمده و محصولات آن در کلیه شئونات زندگی بشر مصرف دارند.
درحقیقت، پتروشیمی صنعتی است وابسته به نفت که از مواد نفتی محـصولات غیـر نفتـیتولید میکند این صنعت درحدود هفتاد سال قبل ، با تهیه الکل ایزوپروپیل(ایزوپروپانول) ازپروپیـل آغـاز شـد و سـی سـال پـیش از آن بـود کـه اولـین دوره پتروشـیمی در یکـی از دانشگاههای امریکا در ایالات تگزاس برگزارشد.
صنعت پتروشیمی به دلیل عوامل زیر، از رشد چشمگیری در این مدت کوتاه برخوردار بودهاست:
1) وفور و ارزانی مواد اولیه
2) ارزش افزوده محصولات پتروشیمی
ارزش افزوده فرآورده های نهایی نزدیک به ده تا پانزده بر ابر ارزش مواد اولیه آن می باشد .
بررسی های به عمل آمده نشان میدهد که در حال حاضر از کل هیدرو کربن های تولیـدیدر جها ن فقط 5% بعنوان مواد اولیه در صنایع پتروشیمی به مصرف مـی رسـد. ولـی ارزشفراورده های ساخته شده از این 5% در حدود دو برابر ارزش محـصولات نفتـی اسـت کـه ازبقیه 95% هیدروکربن های تولیدی به فروش می رسد.
3) تنوع فراورده های پتروشیمی و اهمیت آنها در رابطه با زندگی بشر
4) امکان جایگزینی فراورده های پتروشیمی با فراورده های طبیعی در ابعاد مختلف
5) تنوع روش ها و طرق ساخت یک محصول پتروشیمی با استفاده از مواد اولیه متفاوت
6) امکان تولید زیاد و سریع محصولات پتروشیمی
7) بهبود در سایر تکنولوژی ها در رابطه با مصرف محصولات پتروشیمی
در حقیقت گسترش صنایع پتروشیمی اثرات چشمگیر و پر اهمیتی در پیشرفت اقتصادی وتوسعه صنایع و بالا بردن سطح تکنولوژی در جهـان داشـته اسـت . مجموعـه عوامـل فـوقسبب شده تا امروزه، تولید فراورده های پتروشیمی بعنوان یک صـنعت مهـم در کـشورهایتوسعه یافته صنعتی و یک آرمان و هدف برای کشورهای در حال توسعه مطرح باشد، علـیالخصوص کشورهای خاورمیانه که از منابع غنی نفت و گاز برخوردارند.
در حال حاضر، آمریکا بزرگترین تولید کننده محـصولات پتروشـیمی در جهـان اسـت ایـنصنعت در آمریکا بعد از جنگ بین المللـی دوم بـا سـرعت چـشمگیری توسـعه پیـدا کـردبطوریکه از سال 1980 تقریباً نیمی از ارزش تولیدات آن را گروه صنایع شـیمیایی تـشکیلمی دادکه از این گروه هم حدود 90% آن مربوط به ارزش محصولات پتروشیمی است. بعـداز امریکا ژاپن از نظر تولید محصولات پتروشیمیایی در مقام دوم جهـان قـرار دارد . قـسمتاعظم صنایع پتروشیمی ژاپن از سال 1957 به بعد پایه ریزی شد، اما رشد این صنایع آنقدرسریع و چشمگیر بود که ژاپن را در مدت نسبتاً کمی به مقام دوم تولیـد کننـده در جهـانارتقاء داده است.
در کشورهای اروپای غربـی هـم قـسمت اعظمـی از تولیـدات صـنعتی مربـوط بـه صـنایعپتروشیمی است . بیشتر م واد پتروشیمی در اروپا و بویژه آلمان حتی قبل از اینکـه در سـایرنقاط جهان شناخته شوند، تهیه می گردید. با توجه به حجم و ارزش تولیدات این کشور نیزدر رده سوم قرار میگیرد.
1- 1- 1- صنعت پتروشیمی در ایران :
فکر و اندیشه ایجاد صنایع پتروشیمی در ایران قـدمتی درحـدود چهـل و چنـد سـال دارد.
اولین سازمان نسبتا متشکل برای این منظور ، بنگاه شیمیایی وابسته به وزارت اقتـصاد بـودکه عمده ترین فعالیت آن ایجاد کارخانه کود شیمیایی مرودشت فارس در سال 1338 بـود . پس از چند سال، کلیه فعالیتهایی که بعنـوان ایجـاد و توسـعه صـنایع پتروشـیمی توسـطنهادهای مختلف دولتی انجام می گرفت، در شرکت ملی نفـت ایـران متمرکـز شـده و ایـنشرکت نیز شرکتی فرعی بنام »شرکت ملی صـنایع پتروشـیمی« را بـدین منظـور تاسـیسنمود.
هدف اصلی این شرکت تولید انواع فرآورده های پتروشیمیایی و شـیمیایی و فـرآورده هـایفرعی از نفت و مشتقات نفتی و گاز طبیعی و سایر مواد خام اعـم از آلـی و معـدنی اسـت ،بدین ترتیب که با استفاده از هیدروکربورهای نفتی که به حد وفور در ایران موجود اسـت ویا از مقادیر معتنابه موادی که از استخراج نفت حاصل می شود و سالیان متمادی به صورتمواد زاید و بلامصرف سوزانده می شد، طبـق اصـول و مـوازین علمـی، صـنعتی بهـرهبرداری کرده و از اتلاف آنها جلوگیری کند و با تبدیل این هیدروکربنها به محصولات میانیو نهایی پتروشیمی ، نیاز کشور را به این محصولات تامین کرده و حتی با صـدور قـسمتیاز این محصولات بخشی از نیازهای ارزی کشور را تامین کند.
بدین جهت است که اکنـون پتروشـیمی از اولیـت خـاص در برنامـه هـای عمرانـی کـشوربرخوردار است در حال حاضر چندین مجتمع پتروشـیمی در ایـران فعالیـت دارنـدو تعـداددیگری نیز در آینده مورد بهره برداری قرار خواهند گرفت.
1- 2- مجتمع های پتروشیمی در ایران
1) شرکت سهامی پتروشیمی شیراز :
این مجتمع شامل چندین واحـد عملیـاتی اسـت، از قبیـل واحـد کـود شـیمیایی – واحـدسودااش(کربنات دو سود سبک و سنگین-بی کربنـات سـدیم) – واحـد STPP و NPK ،(تصفیه اسید فسفریک، تری پلی فسفات سدیم، دی آمونیـوم فـسفات) واحـد کلرالکـالی – واحد متانول ( با تولید سالانه 84 هز ار تن الکـل متیلیـک). در ایـن مجتمـع بـا اسـتفاده ازهیدروژن حاصل از گاز طبیعـی (منبـع تـامین کننـده ایـن مجتمـع از پالایـشگاه بیدبلنـدآغاجاری می باشد) ونیتروژن هوا سالانه صدها هزار تن آمونیاک تهیه می شود.
2) شرکت سهامی شیمیایی زکریای رازی:
بهره برداری از این مجتمع که در بندرامام خمینی قرار گرفتـه از سـال 1349 آغـاز شـد ومحصولات آن عمدتا کودهای شیمیایی ازته و فـسفاته و همچنـین گـوگرد اسـت. خـوراکاصلی این مجتمع، 105 میلیون فوت مکعب در روز گاز ترش از منطقه مـسجد سـلیمان و30 میلیون فوت مکعب گاز شیرین از اهواز، 1000-500 هزار تن در سـال سـنگ فـسفاتوارداتـی و 70 هـزار مترمکعـب در روز آب، از رود کـارون اسـت. گـوگرد، اوره و آمونیـاک تولیدی مازاد بر مصرف، صادر شده و سـایر فـرآورده هـا شـامل اسـید سـولفوریک ، اسـیدفسفریک و فسفات دی آمونیوم در داخل کشور مصرف میشود.
3) شرکت سهامی پتروشیمی آبادان
این مج تمع در سال 1344 و به منظـور تولیـد پـی . وی . سـی (مـاده اولیـه پلاسـتیک) وهمچنین دی . دی . سی(ماده اولیه پاک کننده ها) و سود سوز آور مورد نیاز داخل کـشورتاسیس شد.
فاز دوم این مجتمع شامل واحدهای اولفین و اتیلن دی کلراید است. با بهره برداری از ایـنفاز، تولید پی . وی . سی به سقف 40 هزار تن در سال خواهد رسید. خوراک ایـن مجتمـعگاز پروپان است که از پالایشگاه آبادان تامین می شود.
4) شرکت سهامی شیمیایی خارک
این مجتمع که در جزیره خارک احداث شده است در سال 1348 تولید خـود را آغـاز کـردمحصولات آن عبارتند از گوگرد ، پروپان ( با ظرفیت اسمی 134 هزار تن در سـال ) بوتـان(67 هزار تن درسال) و پنتان (51 هـزار تـن در سـال) خـوراک ایـن مجتمـع روزانـه 150 میلیون فوت مکعب گاز ترش از شرکت نفت فلات قاره می باشد.
5) شرکت سهامی پتروشیمی فارابی:
این مجتمع در بندر امام خمینی و در نزدیکی مجتمع رازی قرار گرفته و بـرای تولیـد دی .
او . پی (ماده نرم کننده پلاستیک) و انیدرید فتالیک احداث شده است . مـواد اولیـه مـوردنیاز این مجتمع عبارتند از سالانه 5/21 تن ارتوز ایلین وارداتی کـه در مجتمـع پتروشـیمیآروماتیک اصفهان تولید می شود ، 2/27 تـن دی اتـیلن هگزانـول وارداتـی و سـالانه یـکمیلیون متر مکعب آب خام از مجتمع شیمیایی رازی.
6) شرکت سهامی کربن ایران
در این کارخانه از سوزاندن ناقص گاز طبیعی، کربن بلاک(دوده) بدست می ایـد ایـن مـادهیکی از مواد اولیه لاستیک اتومبیل اسـت و تمـام تولیـدات ایـن کارخانـه در داخـل کـشورمصرف میشود در حال حاضر پارافین (فورفورال، اکس تراکت و 23 میلیون متـر مکعـب گـازطبیعی مورد نیاز را بترتیب از شرکت نفت پـارس و شـرکت ملـی گـاز و 7/13 تـن قطـرانذغالسنگ را از ذوب آهن اصفهان دریافت می دارد.
7) کارخانه پولیکا:
این کارخانه با استفاده ازماده اولیه پی . وی . سی و دی . او . پی محـصولات زیـر را تولیـدمیکند:
لوله های خشک پی.وی.سی برای مصرف آبرسانی و فاضلاب، اتصالات لولـه هـا و ترکیبـاتنرم مورد استفاده در صنعت کابل سازی ، کفش سازی و لاستیک سازی .
8) مجتمع پتروشیمی اراک:
این مجتمع عظیم پتروشیمی در جوار پالایشگاه هفتم واقع شده و قادر است طیف وسـیعیاز نیازهای پتروشیمی داخلی را برطرف سازد این مجتمع دارای چندین واحد تولیدی اسـتاز آنجمله اند : واحد اولفین، واحد بنزین پرولیز، واحد پلی اتـیلن سـنگین، واحـدهای پلـیاتیلن سبک خطی و بوتن 1، واحدهای بوتـ ادین و پلـی بوتـ ادین و واحـد اسـید اسـتیک و استات وینیل.
مواد اولیه مورد نیاز این مجتمع کلاً از منابع داخلی تامین می شود. خوراک آن عمدتاً نفـتاست که از پالایشگاههای اراک و اصفهان تامین میشود. این مجتمع قادر است سـالانه 550 هزار تن انواع فراورده های پتروشیمی را تولید کرده و نیازمنـدیهای بـازار داخلـی را تـامینمیکند.
ایـن تولیـدات نیازهـای صـنایع دیگـر از جملـه مجتمـع هـای پتروشـیمی فـارابی، تبریـز، پالایشگاهها، صنایع تولید کننده مواد پاک کننده و شوینده، تولیـد، لاسـتیک ، رنگـسازی ،پلاستیک ، تولید الیاف مصنوعی و بسیاری از صنایع پایین دستی دیگر را تامین میکنـد. در واحد اولفین آن ، 247 هزار تن در سال اتیلن و 94 هزار تن در سال پروپیلن تولید میـشوداز این مواد اولیه جهت تولید فرآورده های دیگر پتروشیمی استفاده بعمل می آید.
9) آروماتیک اصفهان:
این مجتمع نیز در مجاورت پالایشگاه اصفهان احداث شده و خوراک آن پلات فرمیت اسـتکه از طریق پالایشگاه اصفهان تامین میگردد. سـالانه ، 75 هـزار تـن بنـزن، 20 هـزار تـنتولوئن ، 23 هزار تن ارتوزایلین، 44 هزار تن پاراز ایلین و مقداری گاز مایع تولید می شود. 10) مجتمع پتروشیمی تبریز:
این مجتمع نیز در مجاورت پالایشگاه تبریز و به منظور تولید سالانه یکـصد هـزار تـن پلـیاتیلن ، 40 هزار تن پلی استایرین مقاوم، 25 هزار تن پلی استایرین معمولی، 15 هـزار تـنپلی استایرین انبساطی ، 30 هزار تن فنل، 18 هزار تن اسـتن، 15 هـزار تـن لاتکـس، 15 هزار تن لاستیک استایرین بوتادین، 10 هزار تن استایرین مـازاد و 34 هـزار تـن لاسـتیکاستایرین بوتادین، 10 هزار تن استایرین مازاد و 34 هزار تن پروپلین در سال 1366آغـاز ومهندسی واحد اولفین آن در سال 1368 شروع شد. خوراک ایـن مجتمـع نفتـای سـبک وسنگین و گاز مایع است که از طریق پالایشگاه تبریز تامین میگردد.

مدلسازی و شبیه سازی راکتور پیرولیز پروپان

مدلسازی و شبیه سازی راکتور پیرولیز پروپان

فصل دوم:
مدلسازی راکتور پیرولیز پروپـان
2-1-مدل سینتیکی
در م دلسازی یک راکتور شکست حرارتی تنها دانستن مشخصات خوراک مورد نظر ، درجـهحرارت ، فشار ورودی و ابعاد راکتور کافی نیست. بلکه آنچه در وهله اول حائز اهمیت اسـتپی بردن به واقعیاتی است که در طول راکتور اتفاق می افتد. در واقـع مکـانیزم واکنـشهایشیمیایی که در یک راکتور شکست حرارتی اتفاق می افتند باید کاملا بررسـی شـوند. تنهـادر این صورت است که قادر خواهیم بود ، توزیع محصولات خروجی و غلظـت هـر کـدام ازاجزاء را در هر نقطه از راکتور که لازم باشد، تعیین کنیم زیرا با داشتن مکـانیزم واکنـشها ،معادلات بقای جرم را برای هر جزء نوشته و به کمک معادلات بقای انرژی و مومنتم میتوانمدل ریاضی راکتور را ارائه داده و بر اسـاس آن مـدل، اثـر پارامترهـای مختلـف بـر توزیـعمحصولات خروجی و میزان تبدیل خوراک را پیشگویی نمود.
در مورد واکنشهای پیرولیز تا کنون سه مدل ارائه شده است:
1) مدل تجربی 2) مدل رادیکالی 3) مدل ملکولی اکنون به بررسی هر کدام از این مدلها می پردازیم.
1) مدل تجربی:
این مدل در گذشته بطور گسترده ای توسط تولید کنندگان اولفینها مورد استفاده قرار مـیگرفت در این حالت که ساده ترین حالات است، تنها موازنه کلی جـرم و انـرژی در اطـرافواحد انجام میگیرد و مدل بدون در نظر گرفتن واکنشهای درون راکتور تشریح میشود.
روش کار بدین صورت بود که از یک واحد نیمـه صـنعتی شکـست حرارتـی بـرای بدسـتآوردن اطلاعات مورد نیاز استفاده می شد. سپس از یک قاعده تجربی یا نیمه تئـوری بـرایبزرگنمایی (Scale up) اطلاعات حاصل شـده از واحـد نیمـه صـنعتی بـه واحـد صـنعتیاستفاده میشود.
از آنجا که استفاده از این مدل مستلزم کارهای آزمایشگاهی پر هزینه جهت به دست آوردنحجم زیاد داده های آ زمایشگاهی بود و بعلاوه مدل ارائه شده محدود بـه خـوراکی خـاص وتحت شرایط خاصی بود، امروزه دیگر از این مدل استفاده نمی شود.
2) مدل رادیکالی :
شکست حرارتی هیدورکربنها یک پدیده شدیدا گرمـاگیر اسـت کـه در اثـر اعمـال حـرارتبانـدهای کـربن – کـربن و کـربن – هیـدروژن هیـدروکربنها شکـسته شـده و در نتیجـه هیدروکربنهای سنگین تر به هیـدروژن ، متـان، اولیفنهـا، دی اولیفنهـا، و ترکیبـات دیگـرتجزیه میشوند . البته در صورت اعمال حرارت بـیش از حـد، بـازده اولفینهـا کمتـر شـده و ترکیبات آروماتیکی سنگین و کک بیشتر تشکیل خواهند شد.
در سال 1934 ، Herzfeld, Rice عنوان کردند کـه شکـست حرارتـی هیـدروکربنها درواقع از طریق واکنشهای رادیکـالی انجـام میگیـرد و Martin , Niclause(1964) ایـنمطلب راتایید کردند البته محققین بسیاری بر روی مـدلهای رادیکـالی کـار کـرده انـد ومدلهای مختلفی برای پیرولیز هیدروکربنهای سبک و برشهای نفتی دیگر ارائه داده اند.
مدل رادیکالی علیرغم پیچیدگی آن ، جامعترین مدلی است که بهترین نتایج را بدست مـیدهد و بعلاوه در برابر تغییر پارامترها و شرایط واکنشها، انعطاف پذیری بهتری از خود نشانمیدهد. البته باید توجه نمود که حتی در مورد پیرولیز هیدروکربنهای سبکی چـون اتـان وپروپان تعداد زیادی از واکنشهای رادیکالی که واکنشهای ابتدایی بشمار مـی رونـد، بایـد درنظر گرفته شوند. واکنشهای رادیکال آزاد بسیار پیچیده و سریع هستند. ممکن اسـت دههـاواکنش بطور همزمان اتفاق بیفتند . بعلاوه مقدار زیادی داده های تجربی برای هـر کـدام ازواکنشها مورد نیاز خواهد بود که این امر مستلزم حافظه بزرگی از کامپیوتر خواهد بود بطورمثال در صورت اسـتفاده از مـدل رادیکـالی جهـت مدلـسازی شکـست حرارتـی اتـان، 49 واکنش، برای پروپان 80 واکنش و برای نرمال بوتان 86 واکنش باید درنظر گرفته شوند. به این ترتیب تعداد واکنشهایی که فرضا جهت مدلسازی شکست حرارتی نفتا در نظـر گرفتـهمیشود بمراتب بیشتر خواهد بود و این مسئله بر پیچیدگی موضوع می افزاید.
واکنشهای ابتدایی در یک مدل رادیکالی بصورت زیر دسته بندی می شوند:[03] 1) واکنشهای آغازی (شامل واکنشهای تک ملکولی و واکنشهای دوملکولی)
2) واکنشهای جذب هیدروژن (واکنشی که در آن یک رادیکال آزاد هیـدروژن توسـط یـک رادیکال آزاد دیگر جذب میشود) 3) واکنشهای تجزیه رادیکالها
4) واکنشهای افزایش رادیکالها به ملکولهای اشباع نشده
5) واکنشهی پایانی زنجیره
6) واکنشهای کاملا ملکولی
7) واکنشهای ایزومریزاسیون رادیکالها
مسئله دیگر در مورد مدل رادیکالی این است که استفاده از این مدل برای مدلسازی فرایندپیرولیز منجر به یک سری معادلات دیفرانسیل میشود که به دلیل رفتار خاصی که از خـودنشان میدهندآنها را اصـطلاحاً »معـادلات سـخت« (Stiff Differential equations) میگویند و حل این معادلات نیز روشهای خاصی را می طلبد.
3) مدل ملکولی
در واقع ساده ترین روش برای بیان مکانیزم واکنشهای شکـست حرارتـی اسـتفاده از مـدلملکولی است . بدین وسیله میتوان از مشکلات ناشی از حـل یکـسری معـادلات دیفرانـسیل»سخت« اجتناب نمود . برای تعیین پارامترهای سینتیکی در این مدل مجموعـه ای از دادههای تجربی با کیفیت بـالا مـورد نیـاز اسـت. Sundaram , Froment (1976) یـکمدل م لکولی برای پیرولیز اتان و پروپان ارائه داده اند .[21] ارائـه ایـن مـدل بـر مبنـایعواملی چون ؛ نتایج تجربی، توزیع محصولات در خروجی ، مکانیزم رادیکالی ارائه شده برایاین فر آیند و اصول ترمودینامیکی بوده است. پارامترهای مربوطه نیز با استفاده از رگرسیون غیر خطی به روش مارکارد تخمین زده شده است.
در برخی موارد برای تعیین پارامترهای سینتیکی مدل ملکولی از وسایل خاص آزمایشگاهیاســــــــتفاده میــــــــشود . چنانچــــــــه در مــــــــورد پیرولیــــــــز اتــــــــانتوســطVanDammme,Forment,Sundaram (1981)و در مــورد پیرولیــز پروپــانتوسط Sundaram, Forment(1978) این کار انجام شده است و بعدا بتفصیل در مورد آن صحبت خواهد شد . در مورد پیرولیز نفتا نیز مدلهای ملکـولی مختلفـی ارائـه شـده ، ازآنجملـه مـدل ارائـه شـده توسـط Hirato, Yoshiko (1973) و مـدل Kumar, Kunzru (1985) . مدلی که برای پیرولیز پروپان در نظـر میگیـریم یـک مـدل ملکـولیاست که توسط Sundaram, Forment و بر مبنای تحقیقات انجـام شـده بـر روی یـکواحد نیمه صنعتی شکست حرارتی بدسـت آمـده اسـت. [42] ایـن مـدل در جـدول 2-1 مشاهده میشود . بعلاوه در این جدول انرژی اکتیواسیون و ضریب فرکانس برای هر واکـنشنیز ذکر شده است.

2- 1- 1- تعیین پارامترهای سینتیکی
همانطور که قـبلا ذکـر شـد ، Sundaram,Forment بـا اسـتفاده از تجهیـزات خاصـی،پارامترهای سینیتیکی مربوط به مدل ملکولی را که ارائه داده بودند بدست آوردند. دسـتگاهمورد استفاده در حقیقت دو هدف مهم را جامـه عمـل مـی پوشـاند. اول تعیـین سـنیتیکواکنش اصلی و سپس تعیین سینتیک واکنش تشکیل کک . البتـه ایـن جنبـه دوم از کـارآنها، از اهمیتی خاصی برخوردار بود. زیرا تا قبل از آن هیچ کار مـشابهی در بررسـی کیفـینشست کک در واکنشهای شکست حرارتی انجام نگرفته بود حال به بررسی دسـتگاه مـورداســتفاده و نحــوه کــار آن مــی پــردازیم . شــمای دســتگاه در شــکل (2 – 1) مــشاهده میشود.[42]

2- 1- 2- سینتیک تشکیل کک
در نمودار 2-3 تغییرات سرعت تشکیل کک بر حسب زمان و همچنین تغییرات مقدار کـکتشکیل شده بر حسب زمان که توسط روش توزین به کمک ترازوی الکتریکی، تعیین شده،نشان داده شده است.[42] همانگونه که از این نمودار پیدا است. سـرعت تـشکیل کـک درابتدا زیاد است اما پس از مدتی سرعت تشکیل کک به یک حالت یکنواخت می رسد.
این مسئله را میتوان چنین توجیه کرد کـه در ابتـدای امر،واکنـشهای سـطحی بوقـوع مـیپیوندند. این واکنشها پس از مدت معینی کاهش می یابند. واکـنش تـشکیل کـک در ابتـداتوسط سطح فلزی دیواره راکتور کاتالیز می شود، اما همینکـه سـطح دیـواره راکتـور کـاملاًپوشیده شد، یک حالت فعالیت پایدار ایجاد میشود. این امر احتمالا بدلیل واکـنش متقابـلبین ترکیبات فاز گازی و ترکیبات پیشگام در ککی است که بر روی دیواره نشست میکننـد.
به همین دلیل است که گفته میشود تشکیل کک دارای ماهیتی ناهمگون(هترژن) میباشـد .
پدیده مـشابهی نیـز توسـط Shah و همکـارانش[7] در کراکینـگ حرارتـی نرمـال اکتـانمشاهده شده است. نمودار (2-3) نشان میدهد که واکنش تـشکیل کـک خیلـی سـریع بـهسرعت یکنواخت می رسد. در شکل (2-4 ) نیز سرعت یکنواخت تـشکیل کـک بـر حـسبمیزان تبدیل نشان داده شده است.[42]لازم به ذکر است که میزان تشکیل کک نسبت بـهسایر محصولات فوق العاده کم اسـت . بطـور مثـال بـرای پروپـان در C˚ 870 و درمیـزانتبدیل 69% ، کک تنها به مقدار 142/0 درصد وزنی خـوراک در ناحیـه یکنواخـت تـشکیلمیشود.کک م مکن است از طریق یک مکانیزم موازی یا یـک مکـانیزم و یـا هـر دو تـشکیلشود. در پیرولیز ، مکانیزم واکنشهای شکست حرارتی بدلیل تعداد زیاد واکنشهای رادیکالیبسیار پیچیده است. تنها مدلهای سـاده شـده ای کـه در جـدول (2-2 ) نـشان داده شـدهتوسط Froment و Sundaram در رابطه با مکانیزم تـشکیل کـک در شکـست حرارتـیپروپان مورد تحقیق قرار گرفتند.[42]

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان