طراحی کارخانه تولید اتیلن (مدلسازی رآکتور)

شناخت وكشف كاتاليست هاي جامد و موارد كاربرد آنها در فرآيند هاي شيميايي، تاثير بسياري بر انجام واكنش ها داشته است. بخش اصلي فرآيندهاي كاتاليستي درصنايع شيميايي وپتروشيميايي مربوط به راكتورهاي بستر ثابت مي شود. براي توليد يك محصول بـا ظرفيـت بـالا و در نظـر گـرفتن مسـايل اقتصادي، اسـتفاده از راكتورهـاي كاتاليسـتي بسـتر ثابـت يكـي ازگزينـه هـاي پـيش رومـي باشـد. درفرايندها و واكنش هاي فاز گاز اين نوع راكتورها اهميت بيشتري پيـدا مـي كننـد. تعـداد بسـياري ازواكنشهاي كاتاليستي فاز گاز، وابستگي شديدي به خواص كاتاليست دارند به طوري كه در طراحي و مدلسازي اين نوع از راكتورها درنظرگرفتن شرايط و خواص فيزيكي و شـيميايي كاتاليسـت امـري ضروري و لازم مي باشد. از نظر فرم ظاهري، يكي از عمومي تـرين حالت هـاي يـك راكتوركاتاليسـتي بستر ثابت، راكتور چند تيوبي (Tubular Multi) مي باشد. در توليد ماده اتـيلن اكسـايد(E0) در یک شركت پتروشيمي معمولا، كاتاليست هاي نقره، داراي قابليت گزينش پذيري % ۸۱-۷۹ مي باشـند كـه مدت زمان عمر آنها تا ۲ سال مي باشد. بازدارنده استفاده شده در اين رآكتور كـه در جهـت كنتـرل سرعت واكنش و بهبود ميزان گزينش پذيري كاتاليست استفاده مي گردد، معمولا” ۱ و ۲- دي كلـرو اتان” با غلظت ppm 30-1 مي باشد.

درمدلسازي يـك راكتـور كاتاليسـتي بسـترثابت، دوروش عمده معرفي شده است:

الف) روش هموژن

ب) روش هتروژن

شرط برابر بودن دماي توده فاز گاز وسطح كاتاليست و همچنين برابر بودن غلظت توده گاز و غلظت در سطح كاتاليست پايه و اساس روش هموژن مي باشـد. درحاليكـه درروش هتـروژن ايـن برابري مفروض نمي باشد. درمدلهاي هموژن، مجمـوع معـادلات موازنـه انـرژي و جـرم دررابطـه بـا كاتاليست و فازگاز مد نظراست. زماني كه فرض مي گردد دمـاي راكتـور و اجـزا ، تنهـا در راسـتاي محور راكتور داراي تغييرات مي باشد و اين تغييرات در راستاي شعاعي كم اهميت مي باشـد، مـدل را يك بعدي در نظر مي گيرند. زماني كه فرض مي گردد سرعت سيال در طي طـول راكتـور ثابـت است و به راستاي شعاعي وابستگي ندارد، مدل به دست آمده يك مدل يك بعدي با جريان لولـه اي مي باشد. درپاره اي از انواع مدل سازي، علاوه برجريان لوله اي، اختلاط محوري نيز مورد توجه قرار مي گيرد كه اين امر جهت محاسبه متغيرهاي غير ايده ال در راكتـور و واقعـي تـر نمـودن تشـريح راكتور صورت مي گيرد. به اين مدل، مدل توزيع محوري گفته مي شود. با توجـه بـه پيچيـدگي هاي اين مدل، عموماً مدل يك بعدي درراستاي مدلسازي يك راكتور كاتاليستي بسـتر ثابـت مـورد استفاده قرارمي گيرد. از طرف ديگر درمدل هتروژن، معادلات جداگانه موازنه جرم و انرژي بـراي فـاز گاز و كاتاليست با در نظر گرفتن گراديان دمايي و غلظت نسبت به سـطح كاتاليسـت مـد نظـر مـي باشد. در نظر گرفتن گراديان دما وغلظت دركاتاليست مدلسازي را پيچيده تر نشان مي دهد. لازم بـه ذكر است هر دو مدل هموژن و هتروژن در مدلسازي يك راكتور كاتاليستي بستر ثابت، توسـط يـك سري معادلات ديفرانسيلي چند جزئي تشريح مي گردند كه اين معادلات توسط روشـهاي گونـاگون عددي و تحليلي قابل حل مي باشند. در زير شماتيك نمودار جرياني فرآيند توليد اتيلن اكسايد آورده شده است:

شرايط عمومي مدلسازي عبارتند از:

۱- مدل كردن يك راكتور چند تيوبي از نوع بستر پر شده صنعتي مد نظر است.

۲- مدل يك بعدي بوده و تغيير شعاعي دما و غلظت قابل ملاحظه نمي باشد.

۳- راكتور واحد (E0) پتروشيمي و در كل راكتورهاي صـنعتي توليـد (E0) داراي نـرخ محوري بالا هستند. در نتيجه پراكندگي شعاعي غلظت و دما در داخل بستر راكتور نـاچيز و قابل چشم پوشي است. (در مقايسه با شعاع كم تيوب ها)

۴- خواص ترموفيزيكي نظير دانسيته و سرعت فاز گازي، مطابق با دما، فشار و تغييرات مـول تغيير مي كنند.