سپاسگزاری
اکنون که این رساله به پایان رسیده بر خود لازم میدانم که از استاد ارجمند جناب آقای دکتر محمد رضا رحیم پور که با راهنماییهای بیدریغ خود راهگشای اینجانب بوده و راه را بر من هموار نمودند کمال تشکر و سپاسگزاری را داشته باشم.

چکیده

مدلسازي، شبیه سازی و بهینه سازی رآکتور بسترچکهای پتروشیمی جم به منظور هیدروژناسیون 1و3-بوتادین
به کوشش

طاهره توحیدیان

این نوشتار به بررسی یک رآکتور بستر چکه ای صنعتی هیدروژناسون بوتادین پرداخته است. از این رو،یک مدل سینتیکی مناسب به عنوان ساختاری پایه ای برای مدلسازی رآکتور انتخاب گردیده است و پس از آن مدل ارایه گردیده به منظور همخوانی با موازنه مولی داده های صنعتی توسعه یافته است. همچنین تلاش های زیادی به منظور ایجاد یک مدل دقیق و در عین حال ساده ریاضی صورت پذیرفت و نتایج مدلسازی با خروجی های واحد صنعتی مورد مقایسه قرار گرفت. در نهایت نتایج توانستند به خوبی داده های صنعتی را با خطای نسبی کل برابر با 1/0 پوشش دهند. به علاوه، رفتار پارامترهای مختلفی از جمله دما و شدت جریان مولی در طول رآکتور مورد مطالعه قرار گرفت. گذشته از آن، تاثیر دمای ورودی بر رفتار رآکتور بستر چکه ای مورد مطالعه قرار گرفت. در پایان، بازده رآکتور سه فازی بستر چکه ای تحت شرایط عملیاتی مختلف سیال ورودی بررسی گردید.
کلمات کلیدی: رآکتور بستر چکه ای، هیدروژناسیون بوتادین، مدلسازی ریاضی، مدل سینتیکی

فهرست مطالب
1-1معرفی مجتمع پتروشیمی جم 2
1-1-1واحد كراكينگ 6
1-1-2قسمت گـــــرم 8
1-1-3كمپرسور 9
1-1-4متان زدايي 12
1-1-5اتان زدايي 13
1-1-6جدا سازي برش سه كربني 13
1-1-7جدا سازي برش چهار كربني 14
1-2مقدمه ای بر رآکتورهای بستر چکهای 18
1-2-1مقایسه با سایر رآکتورهای سه فازی 22
2-1مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینهی مدلسازی رآکتور بستر چکهای 31
2-2مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینهی سینتیک هیدروژناسیون بوتادین 33
3-1شرح مدل ریاضی 37
3-1-1مراحل انتقال جرم و فرضیات حاکم 37
3-1-2معادلات جرم و انرژی 39
3-2خواص فیزیکی 40
3-3معادلات سینتیکی 43
3-3-1کاتالیست 45
3-4حل عددی و روش بهینه سازی 46
4-1ارزیابی مدل 49
4-2نتایج 51
4-2-1پروفیل دما در طول رآکتور 55
4-2-2توزیع شدت جریان مولی اجزای موجود در فاز مایع 56
4-2-3توزیع شدت جریان مولی هیدروژن فاز گازی در طول رآکتور 62
4-2-4توزیع مشخصههای فیزیکی در طول رآکتور 63
4-2-5بررسی تأثیرات تغییر دمای ورودی 65
4-2-6تغییرات درصد تبدیل و بازده تحت تأثیر دما و شدت جریان ورودی 68
5نتیجه گیری و پیشنهادات 70

فهرست جداول

شماره صفحه
عنوان
19
جدول 1- شرایط عملیاتی و ترکیب نسبی اجزاء در ورودی رآکتور
36
جدول2- خلاصهای از مقالات منتشر شده با موضوع مدلسازی سینتیکی هیدروژناسیون 1و3-بوتادین
42
جدول3- روابط فیزیکی مورد استفاده در مدلسازی رآکتور
47
جدول4- مشخصات کاتالیست پوسته-تخم مرغی مورد استفاده
51
جدول 5- مقادیر متوسط Keq و ΔG° در طول رآکتور برای واکنشهای پیشنهادی
51
جدول 6- مقایسه بین نتایج مدلسازی و نتایج رآکتور صنعتی
54
جدول 7- ثوابت سرعت و عبارات دقیق سینتیکی به کار گرفته شده

فهرست شکلها و نمودارها

شماره صفحه
عنوان
6
تصویر1- نمودار کندهای واحد الفین دهم
16
تصویر 2- شمایی از نمودار جریان فرآیند واحد بوتان زدایی
18
تصویر 3- نمودار جریان فرآیند واحد هیدروژناسیون
22
تصویر 4- شمایی از یک رآکتور بستر چکهای
24
تصویر 5- شمایی از یک رآکتور دوغابی ]17[
27
تصویر 6- شمایی از یک رآکتور ستون حبابی بستر آکنده ]17[
39
تصویر7- مراحل انتقال جرم برای المانی از رآکتور به طول ΔZ
44
تصویر8- شبکهی واکنشهای هیدروژناسیون 1و3-بوتادین
47
تصویر9- شمایی از کاتالیست پوسته-تخم مرغی
53
تصویر10- میانگین سرعت واکنشها
56
تصویر 11- پروفایل دما در طول رآکتور
57
تصویر12- تغییرات شدت جریان مولی بوتادین نسبت به طول بدون بعد رآکتور
58
تصویر13- تغییرات شدت جریان مولی 1BE نسبت به طول بدون بعد رآکتور
59
تصویر 14- تغییرات سرعت واکنشهای r9 و r7 و r1 در طول رآکتور
60
تصویر15- تغییرات شدت جریان مولی نرمال بوتان نسبت به طول بدون بعد رآکتور
61
تصویر 16- تغییرات سرعت واکنشهای r11 و r10 و r9 و r8 در طول رآکتور
62
تصویر17- تغییرات شدت جریان مولی IB نسبت به طول بدون بعد رآکتور
63
تصویر18- تغییرات شدت جریان مولی IBA نسبت به طول بدون بعد رآکتور
64
تصویر19- تغییرات شدت جریان مولی هیدروژن گازی نسبت به طول بدون بعد رآکتور
65
تصویر20- تغییرات نفوذپذیری هیدروژن در طول رآکتور
65
تصویر21- تغییرات ویسکوزیته فاز مایع در طول رآکتور
66
تصویر 22- تأثیر دمای ورودی بر دمای سیستم در طول بدون بعد رآکتور
67
تصویر 23- تأثیر دمای ورودی بر شدت جریان مولی BD در طول بدون بعد رآکتور
68
تصویر 24- تأثیر دمای ورودی بر شدت جریان مولی نرمال بوتان در طول بدون بعد رآکتور
70
تصویر25- شمای سه بعدی از درصد تبدیل BD به عنوان تابعی از دما و شدت جریان مولی ورودی
71
تصویر26- شمای سه بعدی از بازده BA به عنوان تابعی از دما و شدت جریان مولی ورودی

فهرست نشانههای اختصاری

نشانه
تعریف
واحد
A_c
سطح مقطع رآکتور
m2
C
غلظت مولی
mol.m-3
C_pi^°
ظرفیت گرمایی استاندارد جزئ iام در دمای استاندارد
j.mol-1.k-1
d_p
قطر ذرهی کاتالیستی
m
d_r
قطر رآکتور
m
D_(l,H_2 )
نفوذپذیری هیدروژن در فاز مایع
m2.s-1
E
انرژی فعالسازی
j.mol-1
F
شدت جریان مولی
mol.s-1
G_i^°
انرژی آزاد گیبس جزئ i ام در فشار استاندارد
j.mol-1
G_0i^°
انرژی استاندارد آزاد گیبس جزئ i ام در دمای استاندارد
j.mol-1
h
ثابت هنری
pa.m3.mol-1
H_0i^°
آنتالپی استاندارد تولید جزء i ام در دمای استاندارد
j.mol-1
k
ضریب نوسان
مراجعه به جدول 8
(ka)_gl
ضریب حجمی انتقال جرم گاز-مایع
s-1
(ka)_ls
ضریب حجمی انتقال جرم مایع-جامد
s-1
K_eq
ثابت تعادلی

k_ref
ضریب نوسان در دمای مرجع
مراجعه به جدول 8
M
وزن مولکولی
gr.mol-1
P_r
فشار کاهش یافته

R
ثابت جهانی گازها
J.mol-1.K-1
Re
عدد رینولدز

r_j
سرعت واکنش
mol.s-1.kgcat-1
Sc
عدد اشمیت

s_p
ضریب شکل

T
دما
K
T_r
دمای کاهش یافته

T_ref
دمای مرجع
K
T_0
دمای استاندارد
K15/298
U
سرعت ظاهری
m.s-1
V_(H_2 )
حجم مولی گاز هیدروژن در شرایط استاندارد
m3.mol-1
Z
طول دیفرانسیلی رآکتور
m

نشانههای اختصاری یونانی

نشانه
تعریف
واحد
〖∆G〗^°
تغییر انرژی آزاد گیبس در شرایط فشار استاندارد
j.mol-1
〖ΔH〗_(r_j )
گرمای واکنش j ام
j.mol-1
〖∆H〗_v
گرمای تبخیر
j.mol-1
ε_l
ماندگی مایع

ν_i
عدد استوکیومتری جزء iام

ρ_B
دانسیتهی بستر کاتالیستی
kgcat.m3
µ
ویسکوزیته
kg.m-1.s-1
λ_(H_2 )
حلالیت هیدروژن در مخلوطی از هیدروکربنها
m3.kg-1.pa-1
ρ_l
دانسیتهی فاز مایع در شرایط عملیاتی
kg.m-3
ρ_20
دانسیتهی فاز مایع در دمای 20 درجه سانتیگراد
kg.m-3
φ
پارامتر همبستگی

υ
حجم مولی در نقطهی جوش نرمال
m3.mol-1

زیرنویسها و بالانویسها

i
شمارندهی اجزای شیمیایی
ig
گاز ایدهآل
j
شمارندهی واکنشها
g
گاز
l
مایع
S
جامد
T
کل

فصل اول

مقدمه
معرفی مجتمع پتروشیمی جم
صنعت پتروشيمي در ايران تحولات ودگرگوني هاي فراواني داشته است . تحولاتي كه اين صنعت عظيم را رفته رفته به صنعت اول كشور تبديل ميكند. صنعت پتروشيمي به عنوان يكي از منابع تامين نيازهاي بسياري از صنايع داخلي ، صدور وتوليد فرآوردههاي خود و منبع مهم ارزآوري و اشتغالزايي براي كشور ، از جايگاه ويژهاي برخوردار است . براين اساس در چهار چوب برنامه سوم توسعه اقتصادي كشور، طرحهاي پتروشيمي در منطقه ويژه اقتصادي انرژي پارس جنوبي پيش بيني شده است. طرح مجتمع الفين دهم (پتروشيمي جم) يكي از طرحهاي برنامه استراتژيك توسعه صنايع پتروشيمي كشور مي باشد.
اين مجتمع كه در منطقه ويژه اقتصادي انرژي پارس جنوبي قرار دارد شامل واحد هاي الفين، پلي اتيلن سبك خطي، پلي اتيلن سنگين، پلي پروپيلن هر كدام به ظرفيت 300 هزار تن در سال، واحد منواتيلن گلايكول به ظرفيت 400 هزار تن در سال و دي تري اتيلن گلايكول، جمعاً به ميزان 43 هزار تن در سال مي باشد.
ضمناً واحدهاي آلفا الفين به ظرفيت 200 هزار تن و واحد بوتادين به ظرفيت 130 هزار تن در سال، واحدهاي ديگر اين مجتمع مي باشد.
واحد الفين مجتمع پتروشيمي جم، با ظرفيت يك ميليون و320 هزار تن در سال اتيلن، در حال حاضر بزگترين واحد الفين جهان است. اين واحد كه به واحد كراكينگ نيز معروف ميباشد از قسمتهاي مختلفي تشكيل يافته است كه عبارتند از:
كوره هاي كراكينگ
قسمت گرم
كمپسور گاز، شستشو با كاستيك وخشك كردن
بازيابي اتيلن و متان زدايي
جداسازي برش دوکربنه
جداسازي برش سه کربنه
جداسازي برش چهار کربنه
سيستمهاي تبريد
سيستمهاي كمكي
مخازن محصول
خوراك واحد از قسمتهاي مختلف تهيه ميشود كه از طريق چندين خط لوله به واحد ارسال ميشود كه به سه دسته تقسيم مي گردد:
خوراك مايع از پنج خط تشكيل شده شامل:
رافینیت1 برشC5 ازمجتمع آروماتيك چهارم در دمای 45 درجه سانتیگراد و فشار 6 بار
C5+از مجتمع الفين نهم در دماي 50 درجه سانتیگراد و مينيموم فشار لازم 11 بار
LPG2 از آروماتيك چهارم در دماي 45 درجه سانتیگراد و فشار 16 بار
دو خط اتان يكي اتان تازه از پتروشيمي پارس (واحد استحصال اتان) وديگري از فازهاي 4و5 كه تحت فاز گازي ميباشد .اين خوراك به كورههاي گازي ارسال ميشود . دماي مورد نظر 35 درجه سانتیگراد و فشارمينيموم حدود 17 بار میباشد.
يك جريان برش C3+از الفين نهم وارد ميگردد اين خوراك به قسمت جداسازي واقع در منطقه كمپرسور ارسال ميگردد. دماي مورد نظر 45 درجه سانتیگراد ومينيمم فشار 16 بار ميباشد.
خوراکهاي مايع از آروماتيک چهار با هم مخلوط شده و به ظرف ذخيره خوراک مايع ارسال ميشود. اين مخلوط بوسيله پمپ و پس از مخلوط شدن با پروپان برگشتي وبرشهاي چهار کربنه وLPG به پيشگرمکن خوراک مايع رفته و سپس به کوره ها ارسال ميشود.
پیش از توضیح واحدهای مختلف موجود در الفین دهم نمودار کندهای3 این مجتمع به منظور درک بهتر توضیحات پیشرو ارائه میگردد (تصویر1).

تصویر1- نمودار کندهای واحد الفین دهم

واحد كراكينگ
كراكينگ فرآيندي است كه جهت شكستن هيدروكربنهاي سنگين و تبديل آن به هيدروكربنهاي سبك مورد استفاده قرار ميگيرد. كراكينگ ميتواند هم در فاز بخار و هم در فاز مايع-بخار انجام بگيرد. انواع كراكينگ كه در صنايع نفت مورد استفاده قرار ميگيرند عبارتند از:
كراكينگ حرارتي در حضور بخار آب: كراكينگ گرمايي هيدروكربنها در حضور بخار آب را گویند. در اين فرآيند بخار آب در جريان فرآيند بعنوان رقيق كننده خوراك4 ودر جهت بالا بردن كيفيت محصولات توليدي بكار رفته و وارد فرآيند واكنش نميشود. در واحد الفين از اين نوع كراكينگ استفاده ميگردد.
كراكينگ با بخار آب: زماني كه كراكينگ با حضور بخار آب بعنوان يكي از تركيب شوندگان صورت گيرد آن را كراكينگ با بخار آب گويند. اين نوع كراكينگ اغلب در حضور كاتاليزور اتفاق ميافتد.
كراكينگ گرمايي: اگر كراكينگ فقط در اثر حرارت انجام شود به آن كراكينگ گرمايي ميگويند .كه معمولاُ

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید