دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی – طراحی فرآیندهای صنعت نفت

عنوان:

مدلسازی و شبیه سازی رآکتور واکنش زوج شدن اکسیداسیونی متان (OCM) به منظور تولید اتیلن

چکیده

در تحقیق حاضر سعی شده است که با توجه به اهمیت فرآیند اکسیداسیون مزدوج متان در غیاب کاتالیست برای تولید هیدروکربن های سنگین تر به خصوص اتیلن، رفتار سینتیکی این واکنش بررسی شده و با مدلسازی رآکتور این فرآیند، پروفیل گزینش پذیری محصولات با نتایج تجربی اصلاح و سپس تاثیر پارامترهای مختلف عملیاتی از جمله نسبت متان به اکسیژن، دما و زمان اقامت بر روی مدل به دست آمده بررسی گردد.

این واکنش در یک رآکتور لوله ای از جنس آلفا آلومینا به قطر 8mm و طول 65cm به همراه ترموکوپلی در محور آن به قطر 4mm انجام می گیرد.

دمای رآکتور ثابت و برابر 1100^K، فشار اتمسفریک، نسبت مولی متان به اکسیژن 4، شدت خوراک ورودی به آن 9/282 mol/sec می باشد. در زمان اقامت 1/8 ثانیه، تبدیل متان 30 درصد، اکسیژن 100 درصد و بازده تولید اتیلن 8 درصد می باشد.

مدل سینتیکی شامل 32 واکنش، 10 مولکول و 11 رادیکال می باشد. معادلات موازنه جرم جزئی برای تمام مولکول ها و رادیکال ها و نیز موازنه انرژی بر روی کل سیستم نوشته شده است. مدل بررسی شده مدل رادیکالی می باشد، زیرا ثابت شده است که فرض حالت پایدار برای اجزای رادیکالی، منجر به خطا در نتایج شبیه سازی می شود. با عدم پذیرش این فرض به خاطر اختلاف فاحشی که بین غلظت های اجزای مولکولی و رادیکالی وجود دارد، معادلات بقای جرم رفتاری از خود نشان می دهند که به سختی معادلات معروف است. حل عددی دستگاه معادلات سخت از طریق روش های معمول امکان پذیر نیست و به تکنیک ویژه ای نیازمند است. در این پروژه از روش Gear برای حل دستگاه معادلات سخت استفاده شده است که برنامه کامپیوتری تهیه شده برای حل این معادلات براساس این روش عمل می کند.

در مدل سینتیکی اصلاح شده گزینش پذیری اتان با نتایج تجربی به خوبی مطابقت دارد، اما گزینش پذیری مونوکسید کربن، دی اکسید کربن و اتیلن با خطا توأم است که نشان می دهد حذف برخی از واکنش ها، برای ساده شدن مدل سینتیکی و نیز فرضیات ساده کننده در مدل ریاضی رآکتور سبب ایجاد خطا شده است.

همچنین پس از بررسی پارامترهای عملیاتی با مدل سینتیکی اصلاح شده نهایی، مشخص شد که با کاهش دما، زمان اقامت و نسبت متان به اکسیژن، گزینش پذیری نسبت به اکسیدهای کربن کاهش یافته و نسبت به اتان افزایش می یابد و در این صورت از آنجا که اتیلن از اتان تولید می شود، گزینش پذیری آن کاهش می یابد.

مقدمه

در سال های اخیر به دلیل بحران انرژی فسیلی، بخصوص نفت خام محققان در تلاشی برای جایگزینی آن با ماده دیگری شده اند که بتوانند از آن هم به عنوان سوخت و هم به عنوان منبع تولید محصولات پتروشیمی (شکل 1-1) استفاده کنند. به دلیل ذخایر هنگفت گاز طبیعی در جهان، که نیاز صدها سال دنیا را برآورده می سازد، آن را انتخاب خوبی برای این جایگزینی دیده اند.

نظر به اینکه بخش عمده گاز طبیعی را متان تشکیل می دهد، موضوع تبدیل گاز طبیعی نیز عملا به تبدیل گاز متان محدود می شود. از آنجایی که پیش بینی می شود متان منبع اصلی مواد شیمیایی آینده را تشکیل دهد، علیرغم پایداری این مولکول، پژوهش های بسیاری برای وارد کردن این مولکول در واکنش های تبدیل مستقیم به اتیلن، متانول، فرمالدئید، استیلن و… صورت گرفته است.

بنابراین تبدیل مستقیم متان به اتیلن به عنوان ترکیب کلیدی محصولات پتروشیمی، از نظر علمی و اقتصادی بسیار مهم است.

در کشور ما نیز که در شمار بزرگترین دارندگان ذخایر گازی جهان به شمار می رود، دستیابی به تکنولوژی اکسیداسیون مزدوج به منظور تولید هیدروکربن های C2+ از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. در این پروژه هم با توجه به اهمیت فرآیند مذکور، مراحل اجرای طرح به صورت زیر دنبال می گردد:

– مطالعات جامع کتابخانه ای که شامل جستجو، مکان یابی مقالات، انتخاب مقالات و Patent های مربوط به طرح.

– نوشتن مدل ریاضی که شامل بررسی مکانیسم و سینتیک واکنش، موازنه جرم و انرژی و ارائه روش حل برای حل همزمان معادلات دیفرانسیل.

– نوشتن برنامه کامپیوتری و حل آن.

– استفاده از داده های آزمایشگاهی برای شبیه سازی.

– مقایسه نتایج تجربی با شبیه سازی راکتور فرآیند.

– تجزیه و تحلیل نتایج به دست آمده.

این تحقیق طبق فصول زیر دسته بندی شده است:

فصل اول: نگاهی اجمالی بر روش های مختلف تولید اتیلن و کلیاتی مربوط به تاریخچه اکسیداسیون مزدوج متان و نیز شرح فرآیند مورد استفاده در تحقیق.

فصل دوم: مدلسازی ریاضی و سینتیک واکنش.

فصل سوم: ارزیابی نتایج شبیه سازی.

و در ادامه هم منابع و مراجع مستقیم، غیرمستقیم و نوشتن برنامه کامپیوتری مربوطه آورده شده است.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.