مدل‌سازی واكنش كاتالیستی اكسایش متانول به فرمالدیید در یك راكتور بستر سیال

مدل‌سازی واكنش كاتالیستی اكسایش متانول به فرمالدیید در یك راكتور بستر سیال

دسته بندی زمین شناسی
فرمت فایل doc
حجم فایل 23 کیلو بایت
تعداد صفحات 12
برای دانلود فایل بر روی دکمه زیر کلیک کنید

دریافت فایل

مدل‌سازی واكنش كاتالیستی اكسایش متانول به فرمالدیید در یك راكتور بستر سیال

چكیده

تولید فرمالدیید كه یكی از تركیب‌های پرارزش و پرمصرف است به طور معمول از اكسایش كاتالیستی متانول در راكتورهای بستر ثابت به دست می‌آید. در این تحقیق فرایند ذكر شده در راكتور بستر سیال مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور یك راكتور بستر سیال به قطر 22 میلیمتر و طول 50 سانتیمتر از جنس فولاد زنگ‌نزن كه قابلیت كنترل دما و شدت جریان مواد را داراست ساخته شده است. اثر پارامترهای متفاوت عملیاتی بر عملكرد راكتور بالا مطالعه شده است. نتیجه‌ها با سه مدل سه فازی تطبیق داده شده و میزان دقت مدل‌ها در پیش‌بینی رفتار راكتور مشخص شده است. نتیجه‌ها نشان می‌دهد كه تحت شرایط مناسب میزان تبدیل متانول به فرمالدیید تا 89 درصد افزایش می‌یابد و با بالا رفتن سرعت گاز در بستر سیال این میزان كاهش می‌یابد كه دلیل آن كاهش زمان اقامت و در نتیجه كاهش تماس متانول با فرمالدیید است. بررسی مدل‌ها نشان می‌دهد كه بیشترین انحراف مربوط به مدل Shiau _ Lin با 23 درصد خطا و بیشترین تطابق مربوط به مدل El_Rafai و El_Halwagi با 10 درصد خطا می‌باشد. بنابراین در این واكنش جریان‌های برگشتی به دلیل كوچك بودن قطر راكتور در مقایسه با طول آن از اهمیت كمتری برخوردار است.

مقدمه

بسترهای سیال از جمله دستگاه‌های مهم عملیاتی در فرایندهای شیمیایی هستند كه درآنها محدودیت‌هایی از قبیل انتقال حرارت یا نفوذ وجود دارد. از جمله مزایای راكتورهای بستر سیال نسبت به راكتورهای بستر ثابت كنترل دمای بهتر، عدم وجود نقطه‌های داغ در بستر، توزیع یكنواخت كاتالیست در بستر و عمر طولانی كاتالیست است. بنابراین انجام فرایندها در بستر سیال می‌تواند حایز اهمیت باشد. یكی از موارد مهم در بسترهای سیال مدل‌سازی آنهاست. مدل‌سازی راكتورهای بستر سیال ابتدا با نظریه محیط دوفازی آغاز شد. در بین مدل‌های اولیه دوفازی می‌توان از مدل Davidsoin_Harrison نام برد.

در این مدل فاز چگال (امولسیون) و فاز حباب‌های گاز دو فاز مدل را تشكیل می‌دهند و افزون بر این فرض شده است كه فاز امولسیون در حداقل سرعت سیالیت باقی می‌ماند و نیز قطر حباب در طول بستر ثابت بوده و واكنش در فاز امولسیون اتفاق می‌افتد و انتقال جرم بین دو فاز صورت می‌گیرد. این مدل بر مبنای اصول هیدرودینامیك بنا شده است ولی جریانهای برگشتی در فاز امولسیون را درنظر نمی‌گیرد. Fryer مدل جریان برگشتی غیر همسو را كه بر مبنای مدل بستر حبابی بود ارایه كرد و سرعت جریان برگشتی جامد را برابر با حداقل سرعت سیالیت در نظر گرفت.

مدل سه فازی Kunii و Levenspiel بر اساس اصول هیدرودینامیك بنا شده و بستر از سه ناحیه حباب، ابر و امولسیون تشكیل شده به طوری كه دنباله به عنوان بخشی از فاز ابر در نظر گرفته می‌شود. حباب صعود كننده از مدل Davidsoin پیروی می‌كند و فاز امولسیون در شرایط حداقل سیالیت باقی می‌ماند كه در آن پارامتر اصلی قطر حباب است كه در بستر توزیع می‌شود و یك قطر موثر در طول بستر در نظر گرفته می‌شود. واكنش درجه اول و جریان در فاز حباب، پلاگ در نظر گرفته می‌شود. تبادل جرم بین فازهای حباب _ ابر و ابر_ امولسیون صورت می‌گیرد.

بخش تجربی

مواد شیمیایی

متانول، هپتامولیبیدات آمونیوم، آهن نیترات، بیسموت نیترات از شركت MERCK و از نوع آزمایشگاهی تهیه و در تمام فرایند از آب مقطر استفاده شد.

تجهیزات و دستگاه‌ها

برای ساخت كاتالیست از هم‌زن آزمایشگاهی با دور قابل تنظیم 50 تا rmp1500 ساخت شركت طب‌آزما و برای تنظیم شرایط واكنش ساخت كاتالیست از حمام با دمای ثابت مجهز به ترموستات و Ph متر دیجیتال استفاده شد. راكتور مورد استفاده به قطر داخلی 22 میلیمتر و ارتفاع 50 سانتیمتر دارای 5 قسمت مجزا و مجهز به ترموكوپل نوع K برای اندازه‌گیری پروفایل دمایی در طول بستر است. جنس راكتور و تجهیزات آن از جنس فولاد زنگ‌نزن L 316 AISI است. برای گرم كردن هوا از دو كوره سری با توان W 1500 برای هر كدام و برای تبخیر متانول از یك كوره به توان KW 1 به صورت مجزا استفاده شد. سیستم كنترل از نوع PID و حس‌گر دما از نوع K می‌باشد. شماتیك سیستم مورد استفاده در شكل 1 آمده است. نتیجه‌ها با استفاده از SHIMATZU GC 17A تجزیه شد.

شكل ص 61

شكل 1 _ نمای كلی راكتور بستر سیال مورد استفاده

روش آزمایش

برای انجام آزمایش 2 تا 3 گرم كاتالیست را در راكتور قرار داده و سیستم با گاز نیتروژن به مدت 2 ساعت تمیز شد تا شرایط دمایی در سیستم برقرار شود. سپس به آهستگی جریان هوا روی سیستم باز شده و جریان نیتروژن قطع شد سپس به آهستگی جریان متانول ورودی به كوره تبخیر برقرار شد تا میزان متانول به حد مطلوب و مشخص برسد. پس از گذشت 10 دقیقه نمونه‌گیری و تجزیه خروجی از كندانسور انجام و این عمل در فاصله‌های زمانی معین تكرار شد تا خروجی راكتور به شرایط پایدار برسد.

شرایط عملیاتی جریان سیال حبابی

در راكتورهای بستر سیال حركت رو به بالای حباب‌های گاز سبب اختلاط در فاز امولسیون و ایجاد شرایط همگن در راكتور می‌شود. بنابراین برای برقراری این نظام جریان در راكتور بایستی پارامترهای عملیاتی سیستم تنظیم شود.

از جمله این پارامترها می‌توان به سرعت گاز ورودی اشاره كرد. این سرعت تابعی از اندازه و چگالی ذره‌ها و نیز چگالی گاز سیال‌كننده و برخی پارامترهای فیزیكی دیگر می‌باشد. در تحقیقات حاضر اندازه ذره‌های كاتالیست بین 147 تا 417 میكرومتر و حداقل سرعت سیال‌سازی بین 98 تا 333 سانتیمتر بر ثانیه است. لذا با توجه به شرایط عملیاتی ذكر شده همواره نظام جریان سیال حبابی برقرار بوده است.

نتیجه‌گیری نهایی

اكسایش جزیی كاتالیستی متانول به فرمالدیید به طور عمومی در راكتورهای بستر ثابت انجام می‌شود اما عدم كنترل موثر دما در راكتور و نیز محدودیت اندازه ذره‌ها، مشكل‌های افت فشار یا مقاومت‌های نفوذی را در پی دارد. همچنین نتیجه‌های به دست آمده در مطالعه حاضر نشان می‌دهد كه واكنش‌هایی مانند تبدیل متانول به فرمالدیید به سادگی و با بازده بالا در راكتورهای بستر سیال قابل اجراست. نتیجه‌های بررسی حاضر حاكی از آن است كه راكتورهای بستر سیال محتوی ذره‌های ریز كاتالیست اكسید آهن _ اكسید مولیبیدن، به علت ایجاد تبدیل بالای متانول، سطح تماس مطلوب، گزینش‌پذیری مناسب و ساییدگی اندك ذره‌ها، بهترین شرایط عملیاتی را برای اكسایش متانول به فرمالدیید فراهم می‌آورد. بسترهای سیال دارای بازده پایین‌تری نسبت به بسترهای ثابت هستند اما مزایای فراوان این بسترها آنها را عنوان انتخابی برجسته و ممتاز نسبت به بسترهای ثابت درآورده است. مناسب‌ترین مدل برای تطبیق داده‌های تجربی در این مطالعه EL_Rafai و El_ Halwagi است. نتیجه‌های به دست آمده از این سیستم نشان می‌دهد كه تحت شرایط مناسب میزان تبدیل متانول به فرمالدیید در محدوده مورد بحث تا 89 درصد افزایش می‌یابد. نتیجه‌ها نشان می‌دهد كه بالا رفتن سرعت گاز در بستر سیال باعث كاهش میزان تبدیل می‌شود و این مساله به دلیل كاهش زمان اقامت و در نتیجه كاهش تماس متانول با فرمالدیید است. نتیجه‌های بررسی مدل‌ها نشان می‌دهد كه بیشترین انحراف مربوط به مدل Shiau و El_Halwagi، بیشترین تطابق با داده‌ها را با 10 درصد خطا دارد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت كه در واكنش تبدیل متانول به فرمالدیید جریان‌های برگشتی اهمیت كمتری دارند و این موضوع منطقی است زیرا قطر راكتور در مقایسه با طول آن كوچك است و این مساله بیانگر عدم وجود جریان‌های برگشتی است.

بهینه‌سازی پویای راكتور شكست حرارتی اتیلن دی كلرید

چكیده

در تحقیق حاضر بررسی مختصری روی روش‌های متفاوت بهینه‌سازی دینامیكی صورت گرفته است. در ادامه بهینه‌سازی دینامیكی راكتور شكست حرارتی اتیلن دی كلرید برای تولید وینیل كلرید (مونو پلیمر PVC ) مورد بررسی قرار گرفته است. راكتور حاضر یك راكتور جریان قالبی است. در این مساله به جای استفاده از توابع هدف وابسته به زمان از تابع وابسته به طول راكتور استفاده شده است. تابع هدف در اینجا در بیشینه‌سازی میزان تولید VCM در انتهای راكتور است. قیدهای موجود نیز معادله‌های دیفرانسیل حالت سیستم است. در نهایت با بررسی های صورت گرفته از روش پونتریاگین برای حل مساله بهره گرفته شده است. برای این كار در محیط برنامه‌نویس دلفی كدنویسی صورت گرفته است و پس از اجرای برنامه، پروفیل دمای بهینه راكتور و همچنین پروفیل‌های بهینه متغیرهای دیگر به عنوان نتیجه‌های آن مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.

برای دانلود فایل بر روی دکمه زیر کلیک کنید

دریافت فایل

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.