دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

سمینار برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی – فرایند

عنوان:

مدل rate-based در ستون های تقطیر واکنشی

چکیده:

مسائل طراحی و عملیاتی ستون های تقطیر واکنشی بسیار دشوارتر و پیچیده تر از سیستم های مرسوم راکتور – جداکننده می باشند. بدیهی است وقوع تقطیر در لایه واکنش تداخل های پیچیده ای بین تعادل بخار – مایع، انتقال جرم بخار – مایع، نفوذ کاتالیستی (در صورت هتروژن بودن کاتالیست) و کینتیک های شیمیایی به وجود خواهد آورد. چنین تداخل هایی به پدیده چندگانگی حالت های یکنواخت و دینامیک پیچیده منجر خواهد شد که باید در واحدهای آزمایشگاهی و نیمه صنعتی اصلاح شوند.

مقدمه:

در حدود شش دهه از ایده اتمر و تنی چند از محققان دیگر مبنی بر انجام همزمان واکنش و تفکیک در یک واحد عملیاتی می گذرد. شاید بتوان ایده آنها را یک پرسپکتیو تاریخی جالب توجه در زمینه تقطیر واکنشی دانست. چیزی که در سال های اخیر جالب به نظر می رسد، رشد اهمیت تجاری تقطیر واکنشی است. از سال 1992 تاکنون بیش از 300 مقاله و کتاب در این زمینه به چاپ رسیده است. اولین پتنت ها به دهه 1920 برمی گردد. اتمر و برمن از معدود کسانی هستند که اولین مقالات ژورنالی را در این زمینه به چاپ رسانده اند. اولین تحقیقات در این زمینه بیشتر در مورد واکنش های کاتالیستی هموژن نظیر استریفیکاسیون و هیدرولیز هستند و استفاده از کاتالیست های هتروژن در ستون های تقطیر واکنشی، پدیده جدیدتری محسوب می شود که ایده آن اولین بار در سال 1966 مطرح شد.

در این گزارش سعی بر آن شده تا برج های تقطیر واکنشی هرچه بهتر معرفی شده و نقاط ضعف و قوت آن شناخته گردد ضمنا انواع مدل های موجود برای مدل کردن این ستون ها معرفی و تشریح شده و خلاصه ای از کارهای انجام گرفته در زمینه مدلسازی و شبیه سازی فرایندهای مختلف به روش تقطیر واکنشی ارائه خواهد شد.

فصل اول: تقطیر واکنشی

1-1) تقطیر واکنشی چیست؟

یک واکنش برگشت پذیر نظیر A+B->C+D را در نظر بگیرید در حالی که نقاط جوش ترکیب شونده ها به ترتیب از کمترین تا بیشترین به صورت B , D , C , A می باشد. فلو – شیت معمول این فرایند شامل یک راکتور است که به دنبال آن مجموعه ای از ستون های تقطیر قرار دارند: شکل 1-1-الف را ببینید. مخلوط B,A به راکتور وارد می شود؛ در آنجا واکنش در حضور یک کاتالیست انجام می شود و به تعادل می رسد. تعدادی ستون تقطیر برای تولید محصولات D,C خالص مورد نیاز است. اجزاء واکنش نیافته B,A به داخل راکتور باز گردانده می شوند. اگر یک یا چند آزئوتروپ در مخلوط تشکیل شوند فرایند تقطیر می تواند بسیار پیچیده تر از تصویر نشان داده شده در شکل 1-1-الف باشد. مجموعه این فرایند می تواند توسط یک ستون تقطیر واکنشی (Reactive Distillation) جایگزین شود. ستون تقطیر واکنشی که از این به بعد جهت اختصار آن را تحت عنوان RD به کار می بریم، شامل یک بخش واکنشی در وسط و بخش های غیر واکنشی جذب و دفع در بالا و پایین می باشد. وظیفه بخش جذب بازیافت واکنش دهنده B از محصول C می باشد. در بخش دفع نیز واکنش دهنده A از محصول D دفع می شود. در قسمت واکنشی محصولات در محل جدا می شوند و تعادل را به سمت راست هدایت می کنند در نتیجه از وقوع واکنش های جانبی نامطلوب بین واکنش دهنده های A (یا B) با محصول C (یا D) جلوگیری به عمل می آید. برای یک ستون RD که به طور مناسب طراحی شده تقریبا می توان به تبدیل 100% رسید. هزینه های سرمایه گذاری و عملیاتی نیز به طور قابل توجهی کاهش می یابند.

برای واکنش کاتالیستی اسیدی بین ایزوبوتن و متانول برای تشکیل متیل ترت – بوتیل اتر (MTBE<- iso – butane + MeoH) مجموعه راکتور و جداساز، پیچیده تر از حالات دیگر است. راه اندازی RD تنها به یک ستون نیاز دارد به طوری که خوراک بوتن (شامل یک مخلوط N – بوتن که غیر واکنش دهنده است و ایزوبوتن که واکنش دهنده است) و متانول نزدیک به انتهای بخش واکنش دهنده وارد می شوند. ستون RD برای این واکنش در شکل 1-2-الف نشان داده شده است که قادر به ایجاد تبدیل نزدیک به 100% از مواد اولیه می باشد ضمن اینکه از تشکیل دی متیل اتر ناخواسته جلوگیری می کند. همچنین بعضی از آزئوتروپ ها در مخلوط نیز حذف می شوند.

برای هیدراسیون اتیلن اکساید به مونو – اتیلن گلایکول (EO+H2O->EG) طرح RD نشان داده شده در شکل 1-2-ب به دو دلیل سودمند است. نخست آنکه از واکنش جانبی EO+EG->DEG به علت اینکه غلظت EO در فاز مایع به دلیل فراریت بالای آن پایین نگه داشته می شود، ممانعت می شود. دیگر اینکه، گرمای بالای واکنش برای تبخیر مخلوط فاز مایع روی سینی مورد استفاده واقع می شود. برای ایجاد همان میزان انتخاب پذیری برای تولید EG در یک راکتور پلاگ فاز مایع معمول نیاز به استفاده از 60% آب اضافی می باشد. مزایای مشابه این برای هیدراسیون ایزوبوتن به ترت – بوتانول و هیدراسیون 2- متیل -2- بوتن به ترت – آمیل الکل وجود دارد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.