دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی – طراحی فرآیندهای نفت

عنوان:

مدلسازی ریاضی راکتورهای شعاعی جهت تولید استایرین

چکیده

این پروژه به طراحی و شبیه سازی راکتور هیدروژن گیری از اتیل بنزن که منجر به تولید استایرن می گردد، می پردازد. در آغاز به روش های تولید استایرن پرداخته شده که یکی از مهمترین آنها هیدروژن گیری از اتیل بنزن می باشد که به صورت های، آدیاباتیک و غیر آدیاباتیک انجام می گیرد. راکتور غیر آدیاباتیک جریان شعاعی برای هیدروژن گیری اتیل بنزن و تبدیل به استایرن پیشنهاد می شود. جریان شعاعی و ادامه گرمایش واکنشگرها (با استفاده از بخار سوپر هیت در گرمکن حرارتی) از خصوصیات جدید در این طراحی می باشند. بخار سوپر هیت در لوله های گرمکن حرارتی جریان دارد که لوله های گرمکن حرارتی هم از میان بستر کاتالیستی و در جهت شعاع راکتور عبور می کنند. مدل به دست آمده از راکتور جریان شعاعی غیر آدیاباتیک در طراحی جدید، برای بخار سوپر هیت یکسان مصرفی در مقایسه با دو راکتور آدیاباتیک جریان شعاعی با گرمایش بین مراحل، انتخاب پذیری بیشتری دارد.

بیشتر روابط سینتیکی در دسترس برای مدلسازی راکتورهای صنعتی شبه هموژن استفاده می شوند. در این پروژه مدل هموژن با در نظر گرفتن نفوذ واکنشگرها به داخل قرص های کاتالیست و به دست آوردن پروفایل غلظت داخل دانه به مدل هتروژن توسعه داده می شود.

سپس هیدروژن گیری غیر آدیاباتیک انتخاب گردیده و برنامه ریاضی آن نوشته شده و گراف های آن در سه دمای 800، 810 و 820 درجه کلوین ترسیم و نتایج در پایان آورده شده است، این واکنش بر روی بستر کاتالیستی که بخش عمده آن را اکسید آهن تشکیل می دهد، صورت می پذیرد. واکنش های انجام شده بر روی بستر شش واکنش فرض شده است و براساس آن معادلات حاکم به دست آورده شده است.

از نتایج حاصل از حل معادلات می توان نتیجه گرفت که هرچه شعاع قرص های کاتالیست را کاهش دهیم و دمای ورودی واکنشگرها را افزایش دهیم به خاطر افزایش عامل تأثیر، مدل هموژن به مدل هتروژن نزدیکتر می شود و می توان از حل معادلات بخش هتروژن صرف نظر کرد.

مقدمه

اولین بار استایرن از تقطیر شیره درخت حنا در سال 1800 توسط بوناستر (Bonaster) به دست آمد. تولید تجاری استایرن توسط دو شرکت بادیش آنیلین سودا فابریک (BASF) و داو کمیکال (Dow Chemical) شروع و در دوران جنگ جهانی دوم به اوج خود رسید.

استایرن به عنوان فنیل اتیلن، وینیل بنزن، کتیرول و یا سینامین شناخته شده است و یکی از بااهمیت ترین منومرهای صنعتی غیر اشباع آروماتیکی می باشد. استایرن به طور طبیعی به مقدار کم در بعضی از گیاهان و غذاها تولید می شود. همچنین مشخص شد که دارچین، هسته خرما و بادام زمینی و نیز در قیر هم موجود می باشد.

گسترش و توسعه فرایندهای تجاری تولید استایرن که بر پایه هیدروژن گیری از اتیل بنزن بنا شده، در سال 1930 ساخته شده است. نیاز برای لاستیک های استایرن و بوتادی ان در طول جنگ جهانی دوم موجب یک جنبش برای تولید هرچه بیشتر شد.

پس از 1949 یک منومر با توانایی پلیمریزاسیون بالا، دارای خلوص بالا، تمیز بی رنگ و ارزان تولید شد. مصارف زمان صلح پلاستیک های با پایه استایرن گسترش پیدا کرد و هم اکنون پلی استایرن یکی از ارزان ترین ترمو پلاستیک ها براساس هزینه و حجم می باشد.

استایرن در حالت و شرایط عادی به صورت مایع می باشد، لذا به راحتی می توان آن را جابجا نمود.

فصل اول: شناخت و معرفی استایرن

1-1- خصوصیات فیزیکی

استایرن مایعی با رایحه خوش است و مهمترین خصوصیات آن در جدول (1-1) آورده شده است. فشار بخار راهی کلیدی برای ساخت تجهیزات و جداسازی استایرن می باشد. اطلاعات فشار بخار که با حساسیت ویژه ای به دست آمده است در جدول (1-2) آورده شده است. استایرن در بیشتر حلال های آلی به هر میزان حل می گردد. همچنین حلال خوبی برای لاستیک های مصنوعی و پلیمرهای خطی سنگین می باشد. همچنین استایرن به مقدار کم در مواد پلی والنت – هیدروکسی مانند گلیکول و دی گلیکول حل می شود. همچنین استایرن و آب به مقدار کم در یکدیگر حل می گردند. ترکیب مخلوط آزئوتروپ در فشار استاندارد در حدود 65% وزنی استایرن و 35% وزنی آب می باشد و پایین ترین نقطه جوش این مخلوط 94/8 درجه سانتیگراد است. در جدول (1-3) برخی از این اطلاعات آورده شده است.

مهمترین پارامترهای کنترل و بازرسی تولید و مصرف استایرن شاخص انکساری و چگالی آن می باشد که در جدول (1-4) آورده شده است. جدول (1-5) اطلاعات ویسکوزیته، کشش سطحی و ظرفیت گرمایی ویژه آورده شده است.

2-1- خواص شیمیایی

مهمترین واکنش استایرن پلیمریزه شدن و تبدیل به پلی استایرن است. ولی با منومرهای دیگر نیز پلیمریزاسیون انجام داده و تولید نوع جدیدی از هموپلیمر می کند. کوپلیمر شدن با بوتادی ان، لاستیک مصنوعی Bunas (لاستیک امولوسیونی بوتادی ان E-SBR) تولید می کند.

اکسیداسیون و سوختن استایرن در هوا از اهمیت ویژه ای برخوردار است این واکنش، رادیکالی با جرم مولکولی بسیار بالا تولید می کند. استایرن همچنین به ترکیبات دیگر شامل بنزآلدئید، فرمالدئید و فرمیک اسید اکسید می شود، انواع دیگر واکنش های آلکنی و شاخه آلکنی استایرن با مواد اکسید کننده قوی می باشد. استایرن می تواند متحمل واکنش افزایشی به پیوند دوگانه در کنار زنجیره و هم در حلقه شود. واکنش با برم در اضافه شدن سرد، استایرن دی برمید را تولید می کند که این ماده به خوبی کریستالیزه می شود. از این واکنش برای شناسایی استایرن و محاسبه مقدار آن در حلال استفاده می شود. از جدا کردن و بیرون آوردن یک هیدروژن برمید از استایرن دی برمید، آلفا – برمو استایرن تولید می گردد. همچنین می توان از حرارت دادن آن به همراه اکسید کلسیم، فنیل استیلن تولید کرد. اضافه کردن کلر، تولید استایرن دی کلراید می کند که با حذف یک هیدروژن کلراید می تواند به صورت های آلفا کلرو استایرن و بتا کلرو استایرن تبدیل شود. هالوهیدرین ها یک ماده واسطه مهم در علم شیمی تهیه مواد می باشند. آنها با مواد قلیایی واکنش داده و تولید اکسید استایرن می نماید. همچنین هیدرولیز بیشتر آنها تولید فنیل گلیکول می کند.

استایرن و ید در حضور اکسید جیوه (II) و آب تولید ید و هیدرین می کند. فنیل اتانول یکی از مواد واسطه مهم در تولید مواد معطر است. این ماده از هیدراسیون استایرن به وسیله اضافه کردن مقداری استات جیوه (II) به دست می آید.

به طور مشابه متیل اتر به وسیله اضافه کردن متانل در حضور اسید سولفوریک به دست می آید. واکنش های زیادی از استایرن با ترکیبات گوگرد و نیتروژن مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. استایرن با دی اکسید گوگرد، کلرید گوگرد، سدیم یا آمونیوم دی تیونیت، مرکاپتان، آنیلین، آمین، دی آزومتان و سدیم هیدرازین واکنش داده تا پیوند دوگانه کربن – کربن شاخه اتیلنی شکسته شود. حرارت دادن استایرن به همراه گوگرد در دمای بالا تولید هیدروژن سولفید، استایرن سولفید و دی فنیل تیوفن می کند.

استایرن در دماهای پایین با نمک های نقره و مس تشکیل کمپلکس می دهد که این ترکیب مناسب برای خالص سازی و جداسازی استایرن از مخلوط دیگر هیدروکربن ها می باشد. رنگ کمپلکس مسی باعث عدم استفاده از این فلز و دیگر آلیاژها و ترکیبات آن در ترکیب با استایرن شده است.

ترکیبات لیتیوم مانند C2H5Li پلیمریزاسیون استایرن را آغاز می کنند. در حضور اتر، استایرن تقریبا به طور کامل به وسیله سدیم پلیمریزه می شود. پلیمریزاسیون کنترل شده الفین ها، طیف وسیعی از تولیدات صنعتی را شامل می شود که ما را با پلیمرهای جدیدی مانند پلاستیک ها، روغن ها و منسوجات آشنا می کند. هیدروکربن های آروماتیک مانند بنزن می تواند همان گونه که دیگر الفین ها می توانند در حضور AlCl3 به استایرن اضافه شوند، اضافه شوند.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.