دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی – فرآیند

عنوان:

مدلسازی ریاضی راکتور بستر ثابت تبدیل مستقیم متان به متانول با کمک دینامیک سیال محاسباتی (CFD)

برای رعایت حریم خصوصی اسامی استاد راهنما،استاد مشاور و نگارنده درج نمی شود

تکه هایی از متن به عنوان نمونه : (ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

اکسیداسیون کاتالیستی مستقیم متان به متانول به منظور تولید سوخت های مایع و محصولات پتروشیمی از گاز طبیعی حائز اهمیت است. در این رساله، یک مدل ریاضی برای سنتز مستقیم متان به متانول به کمک اکسیژن خالص در یک راکتور بستر ثابت پر شده از دانه های کاتالیست V2O5/SiO2 توسعه داده شده و مورد ارزیابی واقع شده است. این مدلسازی به کمک نرم افزار FLUENT، طبق مدل k-ε با 10% شدت آشفتگی (مقدار صنعتی) انجام شده است. تاثیر پارامترهای فشار (20 تا 120 بار) و دما (450 تا 500 درجه سانتیگراد) و زمان ماند 3 ثانیه بررسی شده است. همچنین، از اکسیژن خالص به عنوان عامل اکسید کننده استفاده شد و غلظت اکسیژن در خوراک 5 درصد مولی نسبت به متان انتخاب گردید و در گام بعدی به جای اکسیژن خالص از هوا استفاده شد. نتایج حاصل از مدلسازی در هردو حالت حاکی از آن است که با افزایش درصد تبدیل متان، گزینش پذیری تولید متانول کاهش می یابد. همچنین اثر تغییرات دما، فشار بر درصد تبدیل متان و گزینش پذیری تولید محصولات بررسی شده که با نتایج تجربی محققان دیگر تطابق مناسبی را نشان می دهد. (در هردو مورد حداکثر خطا کمتر از 5% می باشد.)

فصل اول – تولید متانول از گاز طبیعی: تاریخچه و اهمیت

1-1- مقدمه

نظریه استفاده از گاز طبیعی برای تهیه محصولات پتروشیمی از دهه 70 میلادی مطرح شد. در آن زمان قیمت نفت به بشکه ای حدود 40 دلار رسید و پیش بینی می شد که این مبلغ به 100 دلار در هر بشکه نیز افزایش یابد. به همین دلیل محققان درصدد یافتن منبعی ارزان قیمت و در دسترس برای تهیه محصولات پتروشیمی برآمدند. در این میانگاز طبیعی به چند دلیل مورد توجه قرار گرفت:

1- مقادیر متنابهی گاز در جهان وجود دارد.

2- ارزان قیمت است.

3- گاز طبیعی سوخت تمیزی است و به علت درصد کم مواد گوگردی، نیتروژن و فلزات سنگین موجود در آن پس از احتراق، باعث آلودگی محیط زیست نمی شود.

از طرف دیگر چون ذخایر نفت خام با بهره برداری زیاد به سرعت در حال کاهش می باشد و با کشف منابع ذخایر گازی و قیمت ارزان این منبع طبیعی می توان راحت تر در اختیار داشت. بهترین و در دسترس ترین منبع هم می باشد. چون بیشتر ذخایر گازی دور از شهرهای صنعتی قرار دارند برای انتقال گاز به مکان های مصرف خیلی مشکل و پرهزینه می شود. بنابراین تبدیل گاز طبیعی به محصولات مفید و انتقال محصول برای مصرف ضروری می باشد. بنابراین دلایل تکنولوژی ها برای تولید مقدار زیادی از محصولات گاز طبیعی به وسیله گاز سنتز را به خوبی به اثبات رسانده اند.

تولید گاز سنتز به هزینه زیادی نیاز دارد و اثر انرژی آن هم کم می باشد. با توجه به ایمکه قیمت نفت در حدود 80 دلار به ازای هر بشکه نگه داشته شده است برای افزایش نفت خام بیشترین تمرکز روی تبدیل مستقیم متان به محصولات شیمیایی نفتی به خصوص متانول قرار گرفته است. اکسیداسیون جزئی مستقیم متان به متانول یکی از فرآیندهای جذاب صنعتی بالقوه برای استفاده از ذخایر فراوان گاز طبیعی است. متان به عنوان یک ماده اولیه در صنعت شیمیایی ابتدا طی فرآیند ریفرمینگ با بخار آب به گاز سنتز تبدیل می شود که به شدت فرآیندی گرماگیر و دارای ارزش اقتصادی بالا است و سپس به کمک تبدیل کاتالیستی در فشار بالا به متانول تبدیل می شود. بنابراین بررسی فرآیند اکسیداسیون مستقیم متان به متانول حائز اهمیت است زیرا اولا این فرآیند برای استفاده موثر از منابع گاز طبیعی به کار می رود ثانیا برای کاهش مصرف انرژی هم موثر می باشد. تبدیل مستقیم متان به متانول از نظر راندمان انرژی، به دلیل گرمازا بودن، بر فرآیند صنعتی تولید متانول الویت دارد.

از آنجا که قیمت انتقال متان – بخش اعظم گاز طبیعی – به صورت گاز بیش از 5 برابر انتقال آن به صورت محصولات مایع است؛ راه حل منطقی، تبدیل گاز به محصولات مایع و سپس عرضه آن می باشد از طرفی انتقال گاز به صورت گاز مایع (LNG) بسیار پرهزینه است و ضریب ایمنی پایینی دارد. همین امر باعث شده تا محققان بسیاری بر روی پروژه های مختلف تبدیل گاز طبیعی به مایعات هیدروکربوری با ارزش افزوده بالا فعالیت کننده تاکنون فرایندهایی نیز تدوین و ثبت شده است. اما علیرغم پیش بینی دهه 70 میلادی، قیمت نفت به شدت کاهش یافت و این مسئله باعث شد که این فرایندها از نظر اقتصادی با فرایندهای متعارف موجود قابل رقابت نباشند. با این وجو، به علت محدودیت ذخایر نفت در جهان، تحقیقات بر روی پروژه های تبدیل گاز کمامان ادامه دارد.

این تحقیقات به دو گروه تبدیل مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می شود. در مورد اول متان مستقیما به محصول مایع تبدیل می شود ولی در تبدیل غیرمستقیم، متان ابتدا به یک محصول میانی و سپس به محصول مورد نظر تبدیل می گردد.

از آنجا که در تبدیل غیرمستقیم، امکان انجام واکنش های چندگانه محتمل تر می باشد، از نظر اقتصادی تبدیل مستقیم جاذبه بیشتری دارد. اما به علت پایداری مولکول متان، این تبدیلات در دما و فشار عملیاتی بالا و به کمک کاتالیست هایی با گزینش پذیری قابل قبول انجام می شود. با این حال به علت ناپایداری محصولات تولیدی نسبت به متان، کماکان بهره تولید محصول مطلوب در این فرآیندها نسبتا پایین است.

در حال حاضر قسمت عمده گاز طبیعی، در محل بهره برداری سوزانده می شود و بخشی از آن به روش تبدیل به بخار آب به گاز سنتز تبدیل و سپس به محصولاتی نظیر متانول یا فرمالدئید تبدیل می شود. در کشورهایی مانند ایران نیز به منظور افزایش ضریب بازیافت نفت از چاه، مقداری از گازهای تولیدی به مخازن نفت تزریق می گردد. اما با توجه به فن آوری های جدید GTL و امکان تبدیل گاز طبیعی به محصولاتی نظیر متانول، مصارف باارزش تری برای آن پیش بینی می شود.

متانول با مصرف سالانه بیش از 26 میلیون تن در جهان جایگاه ویژه ای در بین مواد شیمیای دارد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.