دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

،، M.Sc.,, پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی – فرآیند

عنوان:

شبیه سازی راکتور پیرولیز پروپان به روش CFD

چکیده

تبدیل هیدروکربن های اشباع پارافینی به هیدروکربن های غیر اشباع آلیفاتیکی و آروماتیکی از جمله مهمترین فرآیندهای پتروشیمی محسوب میشود. در این پروژه فرآیند شکست حرارتی (پیرولیز) پروپان در یک راکتور صنعتی به روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) شبیه سازی شده است. مدل مورد استفاده در این پروژه شامل یک راکتور لوله ای به طول 95 متر میباشد. مدل سینتیکی استفاده شده، مدل مولکولی شامل ده واکنش شکست به همراه واکنش تشکیل کک میباشد. فلاکس حرارتی با یک پروفایل ثابت به دیواره های راکتور وارد میگردد. افزایش دمای دیواره ها سبب داغ شدن مخلوط گازی شده و واکنش های پیرولیزرا سبب میشود. نتایج حاصل از شبیه سازی سه بعدی مدل نشان داد که تعدادی از ترکیبات حاصل از پیرولیز دارای غلظت ماکزیمم در طول راکتور هستند که نشان دهنده شرکت نمودن این ترکیبات در واکنشهای ثانویه میباشد. پیش بینی محل وقوع واکنشها در هر نقطه از راکتور از جمله مزایای استفاده از این روش میباشد. در این شبیه سازی مقادیر پروفایل دما، فشار، غلظت ترکیبات حاصل از پیرولیز و کک تشکیل شده در طول راکتور قابل مقایسه با نتایج تجربی است. پروفایل دمایی در جهت شعاعی در مقاطع مختلف از طول راکتور نیز بررسی گردیده است.

مقدمه:

پیشرفت روز افزون بشر در زمینه کامپیوتر ها و توان بالای محاسباتی آنها بر سرعت تحقیقات افزوده و از این طریق کمک بزرگی به توسعه علم وتکنولوژی نموده است. صنایع شیمیایی نیز از این ره آورد قرن بیست و یکم بی نصیب نمانده اند بطوریکه امروزه، استفاده از کامپیوترها جزئی لاینفک از هرگونه برنامه تحقیقاتی در زمینه طراحی فرایندها و واحدهای صنعتی بشمار می رود. در حقیقت در سالهای اخیر طراحی واحدهای صنعتی با استفاده از مدل سازی و شبیه سازی واحدهای صنعتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این روش محققین را قادر ساخته تا در کمترین مدت و بدون صرف هزینه های هنگفت یک واحد صنعتی ر ا طراحی نمایند و اثرات تغییرات پارامترهای مختلف برروی سیستم را مطالعه نموده و با توجه به شرایط موجود، بهترین طراحی را در کوتاه ترین زمان ارائه دهند. بطور مثال با مدل سازی و شبیه سازی یک راکتور، میتوان اثرات تغییر نوع و میزان خوراک ورودی، فشار، درجه حرارت و… را بر روی توزیع محصولات خروجی، براحتی و در کوتاهترین زمان ممکن مشاهده نموده و با توجه به نیاز بیشتر به محصولی خاص، این پارامترها را تغییر داده و بهترین شرایط را برای رسیدن به هدف مشخص نمو د .موردی که مادر اینجا به بررسی آن می پردازیم پیرو لیز یا شکست حرارتی (Thermal Cracking) پروپان می باشد؛ این فرایند منجر به تولید اولفین ها و دی اولفین ها و تا حدی آروماتیک ها می گردد که همگی از مواد پایه و مهم درصنایع پتروشیمی بشمار می روند.

برای شبیه سازی یک راکتور شکست حرارتی، لازم است ابتدا مدل سینتیکی مناسبی که مکانیزم واکنش های شکست حرارتی را مشخص میکند، در نظر گرفته شود. مدلی که در اینجا مورد استفاده قرار گرفته، مدل مولکولی است که توسط (Sundaram (1976 و Froment و بر اساس تحقیقات انجام شده بر روی یک واحد نیمه صنعتی شکست حرارتی، ارائه شده و نتایح حاصل از بکارگیری آ ن با نتایج صنعتی بخوبی مطابقت داشته است. در مرحله دوم، بکمک مدل سینتیکی مورد نظر ، بر روی ترکیبات موجود در راکتور، موازنه جرم نوشته می شود و سپس با توجه به مشخصات حرارتی سیستم و مشخصات ساختمانی راکتور و خصوصیات سیال، موازنه حرارتی و موازنه مومنتم انجام میشود . نهایتا با شبیه سازی مدل ساخته شده و اعمال شرایط مرزی مناسب توسط نرم افزار Fluent 6.2، ترکیب درصد هر یک از اجزاء موجود در مخلوط گازی درون راکتور، فشار، درجه حرارت و میزان تبدیل در هر نقطه از طول راکتور مشخص میشود.

فصل اول

1-1- صنعت پتروشیمی:

پتروشیمی امروزه به صنایع بزرگی اطلاق میشود که مواد اولیه آ ن از نفت و گاز طبیعی بدست آمده و محصولات آن در کلیه شئونات زندگی بشر مصرف دارند.

درحقیقت، پتروشیمی صنعتی است وابسته به نفت که از مواد نفتی محصولات غیر نفتی تولید میکند این صنعت درحدود هفتاد سال قبل ، با تهیه الکل ای زوپروپیل (ایزوپروپانول) از پروپیل آغاز شد و سی سال پیش از آن بود که اولین دوره پتروشیمی در یکی از دانشگاه های امریکا در ایالات تگزاس برگزار شد.

صنعت پتروشیمی به دلیل عوامل زیر، از رشد چشمگیری در این مدت ک وتاه برخوردار بوده است:

1) وفور و ارزانی مواد اولیه

2) ارزش افزوده محصولات پتروشیمی

ارزش افزوده فرآورده های نهایی نزدیک به ده تا پانزده بر ابر ارزش مواد اولیه آن می باشد. بررسی های به عمل آمده نشان میدهد که در حال حاضر از کل هیدرو کربن های تولیدی در جه ان فقط 5% بعنوان مواد اولیه در صنایع پتروشیمی به مصرف می رسد. ولی ارزش فراورده های ساخته شده از این 5% در حدود دو برابر ارزش محصولات نفتی است که از بقیه 95% هیدروکربن های تولیدی به فروش می رسد.

3) تنوع فراورده های پتروشیمی و اهمیت آنها در رابطه با زندگی بشر

4) امکان جایگزینی فراورده های پتروشیمی با فراورده های طبیعی در ابعاد مختلف

5) تنوع روش ها و طرق ساخت یک محصول پتروشیمی با استفاده از مواد اولیه متفاوت

6) امکان تولید زیاد و سریع محصولات پتروشیمی

7) بهبود در سایر تکنولوژی ها در رابطه با مصرف محصولات پتروشیمی

در حقیقت گسترش صنایع پتروشیمی اثرات چشمگیر و پر اهمیتی در پیشرفت اقتصادی و توسعه صنایع و بالا بردن سطح تکنولوژی در جهان داشته است. مجموعه عوامل فوق سبب شده تا امروزه، تولید فراورده های پتروشیمی بعنوان یک صنعت مهم در کشورهای توسعه یافته صنعتی و یک آرمان و هدف برای کشورهای در حال توسعه مطرح باشد، علی الخصوص کشورهای خاورمیانه که از منابع غنی نفت و گاز برخوردارند.

در حال حاضر، آمریکا بزرگترین تولید کننده محصولات پتروشیمی در جهان است این صنعت در آمریکا بعد از جنگ بین المللی دوم با سرعت چشمگیری توسعه پیدا کرد بطوریکه از سال 1980 تقریباً نیمی از ارزش تولیدات آن را گروه صنایع شیمیایی تشکیل می داد که از این گروه هم حدود 90% آن مربوط به ارزش محصولات پتروشیمی است. بعد از امریکا ژاپن از نظر تولید محصولات پتروشیمیایی در مقام دوم جهان قر ار دارد. قسمت اعظم صنایع پتروشیمی ژاپن از سال 1957 به بعد پایه ریزی شد، اما رشد این صنایع آنقدر سریع و چشمگیر بود که ژاپن را در مدت نسبتاً کمی به مقام دوم تولید کننده در جهان ارتقاء داده است.

در کشورهای اروپای غربی هم قسمت اعظمی از تولیدات صنعتی مربوط به صنایع پتروشیمی است. بیشتر مواد پتروشیمی در اروپا و بویژه آلمان حتی قبل از اینکه در سایر نقاط جهان شناخته شوند، تهیه می گردید. با توجه به حجم و ارزش تولیدات این کشور نیز در رده سوم قرار میگیرد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.