دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

گرایش: مهندسی شیمی – طراحی فرآیند

عنوان:

شبیه سازی و بهینه سازی راکتورهای شکست حرارتی پتروشیمی آبادان

خلاصه:

شکست حرارتی هیدروکربن ها برای تولید اولفین در کوره های بزرگ شکست گاز، شامل کویل های راکتور به طور موازی، انجام می شود. شبیه سازی و طراحی این کویل ها نیاز به مدل سینتیکی برای پیش بینی محصولات دارد. مدل مولکولی واکنش یکی از انواع مدل ها و مکانیسم هایی است که برای سینتیک واکنش شکست حرارتی به کار می رود. در اینجا از مدل مولکولی واکنش به همراه مدل واکنش کک برای شبیه سازی فرایند شکست حرارتی پروپان پروپان – پروپیلن با درصد کم پروپیلن استفاده شده است. در مدل واکنش کک اثر جنس سطح و رقیق کننده با آغازگر اتیلن و پروپیلن منظور شده است، که تاثیر آغازگر اتیلن بیشتر از پروپیلن تعیین شده و این برخلاف گزارشات ارائه شده توسط ساندارام و فرومنت است. با وارد کردن معادلات سینتیکی واکنش، در مدل ریاضی راکتور شکست حرارتی و حل همزمان مدل با مدل کک در شرایط عملیاتی راکتور و زمان های عملیاتی مختلف، دستگاه معادلات دیفرانسیل با روش رانگ – کاتا مرتبه 4 حل و نتایج شبیه سازی و توزیع محصولات در محدوده دمایی 600 تا 840 درجه سانتی گراد و فشار خروجی 1.2 تا 2 اتمسفر با تاثیرات دمای خروجی کویل و فلاکس حرارتی گزارش شده است. با توجه به تاثیر بالای فلاکس حرارتی در درصد تبدیل وزنی محصولات خروجی از راکتور، با متغیر گرفتن فلاکس حرارتی، مدل کنترل بهینه راکتور شکست حرارتی با روش اولر تجزیه شده و مدل برنامه ریزی غیرخطی (NLP) به روش گرادیان کاهش یافته حل شده است. که پروفایل توزیع فلاکس حرارتی در طول راکتور با هدف ماکزیمم تولید اتیلن گزارش شده است. در بخش دیگری تاثیر اضافه کردن تا 5 درصد پروپیلن در خوراک پروپان بررسی شده و نتایج آن به دست آمده است. در نهایت مدل راکتور شکست حرارتی با انتخاب تابع سود به عنوان تابع هدف برای دو خوراک پروپان و پروپان – پروپیلن به دست آمده و دبی خوراک های بهینه و جریان برگشتی بهینه تعیین می شود. مدل این مساله، یک مدل برنامه ریزی خطی (LP) است که با روش سیمپلکس (simplex) حل شده است. برنامه این مدل در محیط نرم افزار GAMS برنامه نویسی شده که این برنامه برای استفاده از خوراک های بیشتر نیز قابل تعمیم است.

مقدمه:

شکست حرارتی یک فرایند گرماگیر است که در کویل های بلندی که در کوره شکست قرار می گیرد، انجام می شود. کوره شکست شامل دو بخش جابجایی و تشعشع است. خوراک هیدروکربن و بخار رقیق کننده در دمای 600 تا 650 درجه سانتی گراد در بخش جابجایی کوره پیش گرم شده و وارد کویل در بخش تشعشع کوره می شود. در کویل حرارتی دمای گاز فرایند از 600 تا 650 درجه سانتی گراد به 840 درجه سانتی گراد می رسد. فشار خروجی از 1.2 تا 2 اتمسفر و زمان ماند کمتر از یک ثانیه می باشد. معمولاً کوره شامل چند کویل به طور موازی است که با توجه به ظرفیت فرایند تعداد کویل ها و کوره متفاوت است. کوره های شکست حرارتی برای ظرفیت های بالایی از محصولات طراحی می شود به طوری که افزایش ناچیزی در محصولات مطلوب سود فراوانی را نصیب تولید کننده می کند. به همین خاطر سعی در آن است که ماکزیمم تولید اتیلن و پروپیلن در شرایط عملیاتی مطلوب حاصل شود. برای بررسی و افزایش تولید و بهینه سازی فرایند شکست حرارتی، لازم است فاکتورهای محدود کننده و کاهش راندمان فرایند، شناسایی و راه های رفع موانع مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد. یکی از پدیده های مهم در فرآیندهای شکست حرارتی هیدروکربن ها، تشکیل و نشست کک بر روی تجهیزات فرآیندی می باشد. این امر باعث کاهش زمان فعالیت واحد می شود. پدیده تشکیل کک در واکنش های شکست حرارتی در دمای بالا اتفاق می افتد و با توجه به نتایج آزمایشگاهی، طراحی این گونه واحدها براساس در نظر گرفتن حداکثر مقدار دوره عملیاتی واحد می باشد عمل کک زدایی باعث متوقف شدن تولید خواهد شد که این منجر به زیان برای تولید کننده می شود. به همین علت مطالعه کک و مکانیسم نشست و رشد آن بر روی جداره داخلی تجهیزات فرآیندی ضرورت پیدا می کند. در این تحقیق شبیه سازی راکتور شکست حرارتی پروپان و مخلوط پروپان – پروپیلن با مکانیسم واکنش مولکولی و با در نظر گرفتن تاثیر کک انجام شده است. از عوامل مهم و تاثیرگذار بر فرایند شکست حرارتی، می توان دبی خوراک و فلاکس حرارتی را نام برد. با توجه به تاثیر بالای فلاکس حرارتی بر عملکرد راکتور و توزیع محصولات، بخشی از این مجموعه به این موضوع اختصاص داده شده است.

یکی از مسائلی که در فرایند شکست حرارتی به آن برخورد می کنیم وجود محصولاتی است که در بعضی مواقع (از جمله متوقف شدن بعضی تجهیزات فرایندی) سوزانده می شود. یکی از این نوع محصولات، محصول پروپان – پروپیلن خروجی از برج جداساز است که می تواند به عنوان خوراک برای راکتور شکست حرارتی استفاده شود. برای تحلیل این مساله لازم است تاثیر اضافه کردن پروپیلن در خوراک پروپان بررسی شده و نتایج خروجی این نوع خوراک به همراه نتایج خروجی با خوراک پروپان به دست آید. در نهایت باید مدل برنامه ریزی خطی کوره شکست با انتخاب تابع سود به عنوان تابع هدف، حل شود. برای رسیدن به این اهداف مراحل زیر طی شده است.

مروری بر تحقیقات انجام شده.

تعیین مدل واکنش مولکولی برای شکست حرارتی پروپان و پروپان – پروپیلن.

تعیین مدل سینتیکی و ضخامت تشکیل کک برای خوراک پروپان و پروپان – پروپیلن.

حل دستگاه معادلات دیفرانسیل با روش رانگ – کاتا مرتبه چهار.

بررسی تاثیر اضافه کردن پروپیلن در خوراک پروپان، نسبت بخار رقیق کننده، دبی خوراک و دمای خروجی کویل بر توزیع محصولات.

تعیین ضخامت کک در طول راکتور در زمان های مختلف عملیات واحد.

تعیین فلاکس حرارتی بهینه برای راکتور شکست حرارتی پروپان با شبیه سازی و حل مساله کنترل بهینه به روش اولر و گرادیان کاهش یافته.

تعیین دبی خوراک های بهینه برای کوره شکست حرارتی پروپان و پروپان – پروپیلن با حل مدل برنامه ریزی به روش سیمپلکس (Simplex).

مجموعه حاضر، شامل 7 فصل و 3 پیوست به همراه یک بخش بحث و پیشنهادات است. که سه فصل آخر اختصاص به شبیه سازی، بهینه سازی، کنترل بهینه و نتایج دارد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.