دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

گروه مهندسی شیمی گرایش طراحی فرایندهای صنایع نفتی

پروژه کارشناسی ارشد

عنوان:

شبیه سازی و بهینه سازی راکتور تولید بنزین از پلی اتیلن سنگین

چکیده:

در این پروژه عملکرد یک کاتالیست جدید در کراکینگ پلیمر به منظور بازیافت شیمیایی ضایعات پلاستیکی و تبدیل آن به محصول مایع مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به محدودیت ها اثر دما و نسبت کاتالیست بر روی کراکینگ پلی اتیلن مورد مطالعه قرار گرفت تا بهتر ین شرایط جهت انجام این واکنش حاصل شود.همچنین با انجام یک سری آزمایش به ارائه پارامترهای سنتیکی واکنش پرداخته شده است که در نهایت با استفاده از نتایج حاصل از آزمایشها به مدل کردن راکتور توسط نرم افزار Fluent،CFD پرداخته شده است. آزمایشات مربوط به محاسبه پارامترهای سنتیکی از طریق کاهش وزن انجام پذیرفته است،که با استفاده از میزان کاهش وزن ماده اولیه ومدل سنتیکی توانی، درجه واکنش و ثابت معادله سرعت مصرف ماده اولیه وهمچنین با استفاده از قانون آرنیوس انرژی فعال سازی واکنش کاتالیزوری بدست آمده است. با توجه به نتایج بدست آمده از محاسبات مشاهده می شود که درجه این واکنش برابر 0/85 است وهمچنین انرژی اکتیواسیون لازم 43% کمتر از میزان انرژی فعال سازی واکنشهای دیپلیمریزاسیون ،بدون استفاده از کاتالیست می باشد. همچنین در ادامه کار با استفاده از نرم افزار شبیه ساز سیالاتی، Fluent، به شبیه سازی واکنش در داخل راکتور پرداخته شده است، که نتایج حاصل از این شبیه سازی نیز مبین صحت استفاده از فرضیات و مدلهای سنتیکی استفاده شده می باشد.

مقدمه

چنانچه میدانید ذخائر و اندوخته های نفت خام دنیا رو به اتمام می باشد. لذا نیاز تبدیل هیدروکربنهای سنگین به هیدروکربن های سبک و تبدیل آنها به محصولات مورد نیاز بازار در رفع نیاز به هیدروکربنهای سبک را افزایش میدهد.

مواد پلیمری (پلاستیکها) مصارف گوناگون و وسیعی دارند بگونه ای که تولید این مواد طی سالهای اخیر افزایش چشمگیری داشته است. به عنوان مثال در جها ن تولید سالانه مواد پلاستیکی تا سال 1998 حدود 48 میلیون تن بوده، در حالیکه مقدار آن امروزه به 200 میلیون تن در سال افزایش یافته است. در واقع سالیانه 4 درصد سرانه مصرف پلاستیکها افزایش می یابد (5/25 میلیون تن در سال 1996 و 9/39 میلیون تن در سال 2006) طبیعتاً این افزایش مصرف در مواد پلاستیکی باعث افزایش زباله ها در شهرها و صنایع می شود . به طور مثال در امریکا ضایعات پلاستیکی حدود 10 درصد وزنی زباله ها را به خود اختصاص میدهد اما این مقدار از نظر حجمی، حجم بالایی را اشغال می کند یا در تهران 6/78% زباله های شهری را پلاستیکها تشکیل می دهند که روزانه بالغ بر 440 تن انواع زباله های پلاستیکی می باشد  بطوری که پیش بینی میشود میزان ضایعات حاصل از مواد پلاستیکی 6/6 درصد در سال روبه رشد میباشد. تقریبا سالیانه 20% از زباله های جامدی که دفع می شوند شامل ضایعات پلاستیکی می باشند. این آمارها نشان دهنده آنست که بازیافت پلاستیکها هم از لحاظ اقتصادی و هم از لحاظ زیست محیطی نکته قابل اهمیتی میباشد.

اما متأسفانه به علت عدم وجود روش مناسب برای بازیافت این دسته زباله ها اغلب همراه با سایر زباله ها دفن می شوند.

در حال حاضر برای از بین بردن ضایعات پلیمری چندین روش و متد مختلف وجود دارد که در زیر به آنها اشاره میشود.

1- دفن کردن ضایعات در زمین

2- سوزاندن ضایعات

3- بازیافت مکانیکی ضایعات

4- بازیافت شیمیایی و تبدیل آنها به مواد دیگر

اما از بین بردن ضایعات از طریق سوزاندن و یا دفن کر دن آنها مشکلاتی را دربردارد. از جمله مشکلاتی که در این روشها میتوان برشمرد عبارتند از:

1- هدر رفتن انرژی همراه این مواد. با غیرقابل استفاده کردن این مواد دیگر نمی توان از انرژی که در این مواد میباشد استفاده کرد.

2- از آنجائیکه مواد پلاستیکی براحتی تجزیه نمیشوند، این مواد سالهای طولانی به همان شکل در طبیعت باقی مانده و باعث آلودگی محیط زیست میشوند.

3- سوزاندن ضایعات حاصل از مواد پلیمری و یا دفن آنها مستلزم هزینه سنگینی برای دولتها می باشد، که از لحاظ اقتصادی این کار به هیچ وجه به صرفه نمیباشد.

4- در ضایعات شهری پلاستیکها بصورت مخلوط وجود دارند، لذا برای بازیافت مکانیکی باید تفکیک شوند که این امر موجب اتلاف هزینه و زمان می شود و همچنین از آنجایی که پلیمرهای تولید شده کاملا یکسان نیستند لذا وسایلی که از ضایعات آنها تهیه می شود از کیفیت و مرغوبیت بالایی برخوردار نمیباشد.

با توجه به مشکلات و مسائلی که مطرح شد بهترین راه حلی که برای از بین بردن ضایعات پلیمری پیشنهاد میگردد، تبدیل شیمیایی این مواد به مواد ارزشمندی همچون سوخت و یا مواد خام (به عنوان خوراک واحدهای شیمیایی) است، این دیدگاه همچنین مانع بروز مسائل و مشکلات محیط زیست میشود و به دلیل تبدیل زباله به محصولی ارزشمند منفعت اقتصادی نیز حاصل میگردد. فرایند بازیافت شیمیایی نسبت به سایر روشهای بازیافت پلیمرها دارای مزایای فراوانی می باشد. این روش از دو راه قابل بحث و بررسی میباشد.

1- کاتالیستی 2- غیرکاتالیسیت

این عمل را می توان بوسیله حرارت دادن پلیمر در محیط خنثی انجام داد، که آن را گراکینگ حرارتی مینامند. در صورتیکه از کاتالیست مناسب استفاده شود شرایط فرایند سهل تر گردیده و باعث افزایش محصول مطلوب می گردد که این عمل را کراکینگ کاتالیستی مینامند. بیشتر تحقیقات انجام شده در این زمینه بصورت کراکینگ حرارتی بوده و تعدادی هم بصورت فرایند کاتالیزوری انجام شده است.

از مشکلات اصلی روشهای حرارتی، بدست آوردن محصولات در دامنه وسیع و نیاز به درجه حرارت بسیار زیاد (بطور معمول دمای بین 500 تا 900 درجه سانتی گراد ) می باشد که مستلزم فراهم کردن دستگاههای گران قیمت است. اما یک راکتور مناسب به همراه یک کاتالیست خوب می تواند هم بازده محصولات و هم توزیع محصولات را کنترل کند. همچنین درجه حرارت واکنش را می توان کاهش داد و نیز وجه التزامی می باشد تا هزینه های فرایند به همراه محصولات ی باارزش را کنترل نماید. این تبدیل مواد ناخواسته و نامطلوب به محصولات سبکتر در سال 1936 شروع شد و در این سال برحسب اتفاق و بطور کاملا تصادفی مواد سنگین به مواد میان تقطیر تبدیل شدند و بعدها در سال 1940 این فرایند با بکارگیری کاتالیست انجام شد.

در این تحقیق، در فصل اول به بررسی ماهیت و انواع پلی اتیلن پرداخته و خواص انواع پلی اتیلنها مورد مطالعه قرار گرفته است و همچنین انواع کراکینگ مورد بررسی واقع شده. در فصل دوم و سوم به طور مفصل به بررسی تحقیقاتی که در زمینه کراکینگ حرارتی و کراکینگ کاتالیستی انجام شده پرداخته و نتایج آنها بررسی شده است و در نهایت در فصل چهارم به بررسی آزمایشگاهی عملکرد یک کاتالیست خاص در کراکینگ پلی اتیلن سنگین پرداخته شده که نحوه انجام آزمایشات و نتایج آن بطور کامل شرح داده خواهد شد و در پایان در فصل پنجم به شبیه سازی فرایند تولید بنزین از پلیاتیلن توسط نرمافزار شبیه سازی Fluent ،CFD خواهیم پرداخت. و در انتها به بیان نتایج حاصل و پیشنهادات میپردازیم.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.