کلمات کلیدی: رآکتور بستر چکه ای، هیدروژناسیون بوتادین، مدلسازی ریاضی، مدل سینتیکی فهرست مطالب1-1معرفی مجتمع پتروشیمی جم21-1-1واحد كراكينگ61-1-2قسمت گـــــرم81-1-3كمپرسور91-1-4متان زدايي121-1-5اتان زدايي131-1-6جدا سازي برش سه كربني131-1-7جدا سازي برش چهار كربني141-2مقدمه ای بر رآکتورهای بستر چکهای181-2-1مقایسه با سایر رآکتورهای سه فازی222-1مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینهی مدلسازی رآکتور بستر چکهای312-2مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینهی سینتیک هیدروژناسیون بوتادین333-1شرح مدل ریاضی373-1-1مراحل انتقال جرم و فرضیات حاکم373-1-2معادلات جرم و انرژی393-2خواص فیزیکی403-3معادلات سینتیکی433-3-1کاتالیست453-4حل عددی و روش بهینه سازی464-1ارزیابی مدل494-2نتایج514-2-1پروفیل دما در طول رآکتور554-2-2توزیع شدت جریان مولی اجزای موجود در فاز مایع564-2-3توزیع شدت جریان مولی هیدروژن فاز گازی در طول رآکتور624-2-4توزیع مشخصههای فیزیکی در طول رآکتور634-2-5بررسی تأثیرات تغییر دمای ورودی654-2-6تغییرات درصد تبدیل و بازده تحت تأثیر دما و شدت جریان ورودی685نتیجه گیری و پیشنهادات70 فهرست جداول شماره صفحهعنوان19جدول 1- شرایط عملیاتی و ترکیب نسبی اجزاء در ورودی رآکتور36جدول2- خلاصهای از مقالات منتشر شده با موضوع مدلسازی سینتیکی هیدروژناسیون 1و3-بوتادین42جدول3- روابط فیزیکی مورد استفاده در مدلسازی رآکتور47جدول4- مشخصات کاتالیست پوسته-تخم مرغی مورد استفاده51جدول 5- مقادیر متوسط Keq و ΔG°در طول رآکتور برای واکنشهای پیشنهادی51جدول 6- مقایسه بین نتایج مدلسازی و نتایج رآکتور صنعتی54جدول 7- ثوابت سرعت و عبارات دقیق سینتیکی به کار گرفته شده فهرست شکلها و نمودارها شماره صفحهعنوان6تصویر1- نمودار کندهای واحد الفین دهم16تصویر 2- شمایی از نمودار جریان فرآیند واحد بوتان زدایی18تصویر 3- نمودار جریان فرآیند واحد هیدروژناسیون22تصویر 4- شمایی از یک رآکتور بستر چکهای24تصویر 5- شمایی از یک رآکتور دوغابی ]17[27تصویر 6- شمایی از یک رآکتور ستون حبابی بستر آکنده ]17[39تصویر7- مراحل انتقال جرم برای المانی از رآکتور به طول ΔZ44تصویر8- شبکهی واکنشهای هیدروژناسیون 1و3-بوتادین47تصویر9- شمایی از کاتالیست پوسته-تخم مرغی53تصویر10- میانگین سرعت واکنشها56تصویر 11- پروفایل دما در طول رآکتور57تصویر12- تغییرات شدت جریان مولی بوتادین نسبت به طول بدون بعد رآکتور58تصویر13- تغییرات شدت جریان مولی 1BE نسبت به طول بدون بعد رآکتور59تصویر 14- تغییرات سرعت واکنشهای r9 و r7 و r1در طول رآکتور60تصویر15- تغییرات شدت جریان مولی نرمال بوتان نسبت به طول بدون بعد رآکتور61تصویر 16- تغییرات سرعت واکنشهای r11 و r10 و r9 و r8 در طول رآکتور62تصویر17- تغییرات شدت جریان مولی IB نسبت به طول بدون بعد رآکتور63تصویر18- تغییرات شدت جریان مولی IBA نسبت به طول بدون بعد رآکتور64تصویر19- تغییرات شدت جریان مولی هیدروژن گازی نسبت به طول بدون بعد رآکتور65تصویر20- تغییرات نفوذپذیری هیدروژن در طول رآکتور65تصویر21- تغییرات ویسکوزیته فاز مایع در طول رآکتور66تصویر 22- تأثیر دمای ورودی بر دمای سیستم در طول بدون بعد رآکتور67تصویر 23- تأثیر دمای ورودی بر شدت جریان مولی BD در طول بدون بعد رآکتور68تصویر 24- تأثیر دمای ورودی بر شدت جریان مولی نرمال بوتان در طول بدون بعد رآکتور70تصویر25- شمای سه بعدی از درصد تبدیل BD به عنوان تابعی از دما و شدت جریان مولی ورودی71تصویر26- شمای سه بعدی از بازده BA به عنوان تابعی از دما و شدت جریان مولی ورودی فهرست نشانههای اختصاری نشانهتعریفواحدسطح مقطع رآکتورm2غلظت مولیmol.m-3ظرفیت گرمایی استاندارد جزئ iام در دمای استانداردj.mol-1.k-1قطر ذرهی کاتالیستیmقطر رآکتورmنفوذپذیری هیدروژن در فاز مایعm2.s-1انرژی فعالسازیj.mol-1شدت جریان مولیmol.s-1انرژی آزاد گیبس جزئ i ام در فشار استانداردj.mol-1انرژی استاندارد آزاد گیبس جزئ i ام در دمای استانداردj.mol-1ثابت هنریpa.m3.mol-1آنتالپی استاندارد تولید جزء i ام در دمای استانداردj.mol-1ضریب نوسانمراجعه به جدول 8ضریب حجمی انتقال جرم گاز-مایعs-1ضریب حجمی انتقال جرم مایع-جامدs-1ثابت تعادلی-ضریب نوسان در دمای مرجعمراجعه به جدول 8وزن مولکولیgr.mol-1فشار کاهش یافته-ثابت جهانی گازهاJ.mol-1.K-1عدد رینولدز-سرعت واکنشmol.s-1.kgcat-1عدد اشمیت-ضریب شکل-دماKدمای کاهش یافته-دمای مرجعKدمای استانداردK15/298سرعت ظاهریm.s-1حجم مولی گاز هیدروژن در شرایط استانداردm3.mol-1طول دیفرانسیلی رآکتورm نشانههای اختصاری یونانی نشانهتعریفواحدتغییر انرژی آزاد گیبس در شرایط فشار استانداردj.mol-1گرمای واکنش j امj.mol-1گرمای تبخیرj.mol-1ماندگی مایع-عدد استوکیومتری جزء iام-دانسیتهی بستر کاتالیستیkgcat.m3ویسکوزیتهkg.m-1.s-1حلالیت هیدروژن در مخلوطی از هیدروکربنهاm3.kg-1.pa-1دانسیتهی فاز مایع در شرایط عملیاتیkg.m-3دانسیتهی فاز مایع در دمای 20 درجه سانتیگرادkg.m-3پارامتر همبستگی-حجم مولی در نقطهی جوش نرمالm3.mol-1 زیرنویسها و بالانویسها iشمارندهی اجزای شیمیاییigگاز ایدهآلjشمارندهی واکنشهاgگازlمایعSجامدTکلفصل اول صنعت پتروشيمي در ايران تحولات ودگرگوني هاي فراواني داشته است . تحولاتي كه اين صنعت عظيم را رفته رفته به صنعت اول كشور تبديل ميكند.صنعت پتروشيمي به عنوان يكي از منابع تامين نيازهاي بسياري از صنايع داخلي ، صدور وتوليد فرآوردههاي خود و منبع مهم ارزآوري و اشتغالزايي براي كشور ، از جايگاه ويژهاي برخوردار است . براين اساس در چهار چوب برنامه سوم توسعه اقتصادي كشور، طرحهاي پتروشيمي در منطقه ويژه اقتصادي انرژي پارس جنوبي پيش بيني شده است. طرح مجتمع الفين دهم (پتروشيمي جم) يكي از طرحهاي برنامه استراتژيك توسعه صنايع پتروشيمي كشور مي باشد.اين مجتمع كه در منطقه ويژه اقتصادي انرژي پارس جنوبي قرار دارد شامل واحد هاي الفين، پلي اتيلن سبك خطي، پلي اتيلن سنگين، پلي پروپيلن هر كدام به ظرفيت 300 هزار تن در سال، واحد منواتيلن گلايكول به ظرفيت 400 هزار تن در سال و دي تري اتيلن گلايكول، جمعاً به ميزان 43 هزار تن در سال مي باشد.ضمناً واحدهاي آلفا الفين به ظرفيت 200 هزار تن و واحد بوتادين به ظرفيت 130 هزار تن در سال، واحدهاي ديگر اين مجتمع مي باشد.واحد الفين مجتمع پتروشيمي جم، با ظرفيت يك ميليون و320 هزار تن در سال اتيلن، در حال حاضر بزگترين واحد الفين جهان است. اين واحد كه به واحد كراكينگ نيز معروف ميباشد از قسمتهاي مختلفي تشكيل يافته است كه عبارتند از:خوراك واحد از قسمتهاي مختلف تهيه ميشود كه از طريق چندين خط لوله به واحد ارسال ميشود كه به سه دسته تقسيم مي گردد:v خوراك مايع از پنج خط تشكيل شدهشامل:v دو خط اتان يكي اتان تازه از پتروشيمي پارس (واحد استحصال اتان) وديگري از فازهاي 4و5 كه تحت فاز گازي ميباشد .اين خوراك به كورههاي گازي ارسال ميشود . دماي مورد نظر 35 درجه سانتیگراد و فشارمينيموم حدود 17 بار میباشد.v يك جريان برشC3+از الفين نهم وارد ميگردد اين خوراك به قسمت جداسازي واقع در منطقه كمپرسور ارسال ميگردد. دماي مورد نظر 45 درجه سانتیگراد ومينيمم فشار 16 بار ميباشد.خوراکهاي مايع از آروماتيک چهار با هم مخلوط شده و به ظرف ذخيره خوراک مايع ارسال ميشود. اين مخلوط بوسيله پمپ و پس از مخلوط شدن با پروپان برگشتي وبرشهاي چهار کربنه وLPG به پيشگرمکن خوراک مايع رفته و سپس به کوره ها ارسال ميشود.پیش از توضیح واحدهای مختلف موجود در الفین دهم نمودار کندهای[3] این مجتمع به منظور درک بهتر توضیحات پیشرو ارائه میگردد (تصویر1). تصویر1- نمودار کندهای واحد الفین دهم 1-1-1 واحد كراكينگكراكينگ فرآيندي است كه جهت شكستن هيدروكربنهاي سنگين و تبديل آن به هيدروكربنهاي سبك مورد استفاده قرار ميگيرد. كراكينگ ميتواند هم در فاز بخار و هم در فاز مايع-بخار انجام بگيرد. انواع كراكينگ كه در صنايع نفت مورد استفاده قرار ميگيرند عبارتند از:
مدلسازي، شبیه سازی و بهینه سازی رآکتور بسترچکه ای پتروشیمی جم به منظور هیدروژناسیون 1و3-بوتادین word
کلمات کلیدی: رآکتور بستر چکه ای، هیدروژناسیون بوتادین، مدلسازی ریاضی، مدل سینتیکی فهرست مطالب1-1معرفی مجتمع پتروشیمی جم21-1-1واحد كراكينگ61-1-2قسمت گـــــرم81-1-3كمپرسور91-1-4متان زدايي121-1-5اتان زدايي131-1-6جدا سازي برش سه كربني131-1-7جدا سازي برش چهار كربني141-2مقدمه ای بر رآکتورهای بستر چکهای181-2-1مقایسه با سایر رآکتورهای سه فازی222-1مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینهی مدلسازی رآکتور بستر چکهای312-2مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینهی سینتیک هیدروژناسیون بوتادین333-1شرح مدل ریاضی373-1-1مراحل انتقال جرم و فرضیات حاکم373-1-2معادلات جرم و انرژی393-2خواص فیزیکی403-3معادلات سینتیکی433-3-1کاتالیست453-4حل عددی و روش بهینه سازی464-1ارزیابی مدل494-2نتایج514-2-1پروفیل دما در طول رآکتور554-2-2توزیع شدت جریان مولی اجزای موجود در فاز مایع564-2-3توزیع شدت جریان مولی هیدروژن فاز گازی در طول رآکتور624-2-4توزیع مشخصههای فیزیکی در طول رآکتور634-2-5بررسی تأثیرات تغییر دمای ورودی654-2-6تغییرات درصد تبدیل و بازده تحت تأثیر دما و شدت جریان ورودی685نتیجه گیری و پیشنهادات70 فهرست جداول شماره صفحهعنوان19جدول 1- شرایط عملیاتی و ترکیب نسبی اجزاء در ورودی رآکتور36جدول2- خلاصهای از مقالات منتشر شده با موضوع مدلسازی سینتیکی هیدروژناسیون 1و3-بوتادین42جدول3- روابط فیزیکی مورد استفاده در مدلسازی رآکتور47جدول4- مشخصات کاتالیست پوسته-تخم مرغی مورد استفاده51جدول 5- مقادیر متوسط Keq و ΔG°در طول رآکتور برای واکنشهای پیشنهادی51جدول 6- مقایسه بین نتایج مدلسازی و نتایج رآکتور صنعتی54جدول 7- ثوابت سرعت و عبارات دقیق سینتیکی به کار گرفته شده فهرست شکلها و نمودارها شماره صفحهعنوان6تصویر1- نمودار کندهای واحد الفین دهم16تصویر 2- شمایی از نمودار جریان فرآیند واحد بوتان زدایی18تصویر 3- نمودار جریان فرآیند واحد هیدروژناسیون22تصویر 4- شمایی از یک رآکتور بستر چکهای24تصویر 5- شمایی از یک رآکتور دوغابی ]17[27تصویر 6- شمایی از یک رآکتور ستون حبابی بستر آکنده ]17[39تصویر7- مراحل انتقال جرم برای المانی از رآکتور به طول ΔZ44تصویر8- شبکهی واکنشهای هیدروژناسیون 1و3-بوتادین47تصویر9- شمایی از کاتالیست پوسته-تخم مرغی53تصویر10- میانگین سرعت واکنشها56تصویر 11- پروفایل دما در طول رآکتور57تصویر12- تغییرات شدت جریان مولی بوتادین نسبت به طول بدون بعد رآکتور58تصویر13- تغییرات شدت جریان مولی 1BE نسبت به طول بدون بعد رآکتور59تصویر 14- تغییرات سرعت واکنشهای r9 و r7 و r1در طول رآکتور60تصویر15- تغییرات شدت جریان مولی نرمال بوتان نسبت به طول بدون بعد رآکتور61تصویر 16- تغییرات سرعت واکنشهای r11 و r10 و r9 و r8 در طول رآکتور62تصویر17- تغییرات شدت جریان مولی IB نسبت به طول بدون بعد رآکتور63تصویر18- تغییرات شدت جریان مولی IBA نسبت به طول بدون بعد رآکتور64تصویر19- تغییرات شدت جریان مولی هیدروژن گازی نسبت به طول بدون بعد رآکتور65تصویر20- تغییرات نفوذپذیری هیدروژن در طول رآکتور65تصویر21- تغییرات ویسکوزیته فاز مایع در طول رآکتور66تصویر 22- تأثیر دمای ورودی بر دمای سیستم در طول بدون بعد رآکتور67تصویر 23- تأثیر دمای ورودی بر شدت جریان مولی BD در طول بدون بعد رآکتور68تصویر 24- تأثیر دمای ورودی بر شدت جریان مولی نرمال بوتان در طول بدون بعد رآکتور70تصویر25- شمای سه بعدی از درصد تبدیل BD به عنوان تابعی از دما و شدت جریان مولی ورودی71تصویر26- شمای سه بعدی از بازده BA به عنوان تابعی از دما و شدت جریان مولی ورودی فهرست نشانههای اختصاری نشانهتعریفواحدسطح مقطع رآکتورm2غلظت مولیmol.m-3ظرفیت گرمایی استاندارد جزئ iام در دمای استانداردj.mol-1.k-1قطر ذرهی کاتالیستیmقطر رآکتورmنفوذپذیری هیدروژن در فاز مایعm2.s-1انرژی فعالسازیj.mol-1شدت جریان مولیmol.s-1انرژی آزاد گیبس جزئ i ام در فشار استانداردj.mol-1انرژی استاندارد آزاد گیبس جزئ i ام در دمای استانداردj.mol-1ثابت هنریpa.m3.mol-1آنتالپی استاندارد تولید جزء i ام در دمای استانداردj.mol-1ضریب نوسانمراجعه به جدول 8ضریب حجمی انتقال جرم گاز-مایعs-1ضریب حجمی انتقال جرم مایع-جامدs-1ثابت تعادلی-ضریب نوسان در دمای مرجعمراجعه به جدول 8وزن مولکولیgr.mol-1فشار کاهش یافته-ثابت جهانی گازهاJ.mol-1.K-1عدد رینولدز-سرعت واکنشmol.s-1.kgcat-1عدد اشمیت-ضریب شکل-دماKدمای کاهش یافته-دمای مرجعKدمای استانداردK15/298سرعت ظاهریm.s-1حجم مولی گاز هیدروژن در شرایط استانداردm3.mol-1طول دیفرانسیلی رآکتورm نشانههای اختصاری یونانی نشانهتعریفواحدتغییر انرژی آزاد گیبس در شرایط فشار استانداردj.mol-1گرمای واکنش j امj.mol-1گرمای تبخیرj.mol-1ماندگی مایع-عدد استوکیومتری جزء iام-دانسیتهی بستر کاتالیستیkgcat.m3ویسکوزیتهkg.m-1.s-1حلالیت هیدروژن در مخلوطی از هیدروکربنهاm3.kg-1.pa-1دانسیتهی فاز مایع در شرایط عملیاتیkg.m-3دانسیتهی فاز مایع در دمای 20 درجه سانتیگرادkg.m-3پارامتر همبستگی-حجم مولی در نقطهی جوش نرمالm3.mol-1 زیرنویسها و بالانویسها iشمارندهی اجزای شیمیاییigگاز ایدهآلjشمارندهی واکنشهاgگازlمایعSجامدTکلفصل اول صنعت پتروشيمي در ايران تحولات ودگرگوني هاي فراواني داشته است . تحولاتي كه اين صنعت عظيم را رفته رفته به صنعت اول كشور تبديل ميكند.صنعت پتروشيمي به عنوان يكي از منابع تامين نيازهاي بسياري از صنايع داخلي ، صدور وتوليد فرآوردههاي خود و منبع مهم ارزآوري و اشتغالزايي براي كشور ، از جايگاه ويژهاي برخوردار است . براين اساس در چهار چوب برنامه سوم توسعه اقتصادي كشور، طرحهاي پتروشيمي در منطقه ويژه اقتصادي انرژي پارس جنوبي پيش بيني شده است. طرح مجتمع الفين دهم (پتروشيمي جم) يكي از طرحهاي برنامه استراتژيك توسعه صنايع پتروشيمي كشور مي باشد.اين مجتمع كه در منطقه ويژه اقتصادي انرژي پارس جنوبي قرار دارد شامل واحد هاي الفين، پلي اتيلن سبك خطي، پلي اتيلن سنگين، پلي پروپيلن هر كدام به ظرفيت 300 هزار تن در سال، واحد منواتيلن گلايكول به ظرفيت 400 هزار تن در سال و دي تري اتيلن گلايكول، جمعاً به ميزان 43 هزار تن در سال مي باشد.ضمناً واحدهاي آلفا الفين به ظرفيت 200 هزار تن و واحد بوتادين به ظرفيت 130 هزار تن در سال، واحدهاي ديگر اين مجتمع مي باشد.واحد الفين مجتمع پتروشيمي جم، با ظرفيت يك ميليون و320 هزار تن در سال اتيلن، در حال حاضر بزگترين واحد الفين جهان است. اين واحد كه به واحد كراكينگ نيز معروف ميباشد از قسمتهاي مختلفي تشكيل يافته است كه عبارتند از:خوراك واحد از قسمتهاي مختلف تهيه ميشود كه از طريق چندين خط لوله به واحد ارسال ميشود كه به سه دسته تقسيم مي گردد:v خوراك مايع از پنج خط تشكيل شدهشامل:v دو خط اتان يكي اتان تازه از پتروشيمي پارس (واحد استحصال اتان) وديگري از فازهاي 4و5 كه تحت فاز گازي ميباشد .اين خوراك به كورههاي گازي ارسال ميشود . دماي مورد نظر 35 درجه سانتیگراد و فشارمينيموم حدود 17 بار میباشد.v يك جريان برشC3+از الفين نهم وارد ميگردد اين خوراك به قسمت جداسازي واقع در منطقه كمپرسور ارسال ميگردد. دماي مورد نظر 45 درجه سانتیگراد ومينيمم فشار 16 بار ميباشد.خوراکهاي مايع از آروماتيک چهار با هم مخلوط شده و به ظرف ذخيره خوراک مايع ارسال ميشود. اين مخلوط بوسيله پمپ و پس از مخلوط شدن با پروپان برگشتي وبرشهاي چهار کربنه وLPG به پيشگرمکن خوراک مايع رفته و سپس به کوره ها ارسال ميشود.پیش از توضیح واحدهای مختلف موجود در الفین دهم نمودار کندهای[3] این مجتمع به منظور درک بهتر توضیحات پیشرو ارائه میگردد (تصویر1). تصویر1- نمودار کندهای واحد الفین دهم 1-1-1 واحد كراكينگكراكينگ فرآيندي است كه جهت شكستن هيدروكربنهاي سنگين و تبديل آن به هيدروكربنهاي سبك مورد استفاده قرار ميگيرد. كراكينگ ميتواند هم در فاز بخار و هم در فاز مايع-بخار انجام بگيرد. انواع كراكينگ كه در صنايع نفت مورد استفاده قرار ميگيرند عبارتند از: