جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور غشایی

جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور غشایی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

 بهینه سازی جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور با پایه غشایی با استفاده از روش پاسخ سطحی

چکیده

جفت شدگی اکسایشی متان (OCM) فرایند مهمی برای تبدیل متان به اتیلن و اتان است اما در تبدیل بالای متان دچار انتخاب پذیری و بازده اتیلن نسبتا پایین می شود. در این تحقیق، برای جلوگیری از اکسایش عمقی فرآورده مطلوب اتیلن، یک رآکتور غشایی برای فرایند OCM بکار برده می شود. در ابتدا، شبیه سازی های رآکتور OCM بر اساس موازنه جرم و انرژی همراه با مدل سینتیکی مفصل OCM انجام می شود و اثرات پارامترهای عملیاتی کلیدی نظیر دما، نسبت خوراک متان- به- اکسیژن و سرعت جریان متان بر روی عملکرد رآکتور OCM بر حسب تبدیل CH₄ ، انتخاب پذیری و بازده C₂ تجزیه و تحلیل می شود. در بخش دوم، برای تعیین شرایط عملیاتی بهینه، بهینه سازی رآکتور غشایی OCM با استفاده از روش پاسخ سطحی انجام می شود. برای مطالعه برهمکنش متغیرهای فرآیند (یعنی دما، سرعت جریان خوراک و نسبت CH₄/O₂) و برای یافتن عملکرد بهینه فرایند جهت بیشینه کردن بازده فرآورده های C₂ از طرح چندسازه مرکزی (CCD) استفاده می شود.

جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور غشایی

۱- مقدمه

متان جزء اصلی گاز طبیعی (NG) و زیست گاز و فرآورده جانبی حاصل از تصفیه نفت و صنایع شیمیایی است. تبدیل متان به مواد شیمیایی مفیدتر و سوختها به عنوان مرحله بعدی برای حفظ رشد اقتصادی و نگهداری منابع سوخت شناخته می شود (بونمیستر، ۲۰۰۳). به علاوه، این کار می تواند اثر گلخانه ای شدید حاصل از متان را نیز کاهش دهد. روشهای مختلفی برای تبدیل متان به اولفینها، هیدروکربنهای بالاتر و بنزین از طریق فرآیندهای تبدیل غیر مستقیم و مستقیم ارائه شده اند. روش غیر مستقیم شامل گاز سنتز (سینگاز)، یک حد واسط از متان (آرپورن ویچانوپ و همکارانش، ۲۰۱۱) و سپس تبدیل آن به سایر مواد شیمیایی از طریق فرایند فیشر- تراپش می باشد که سبب اتلاف انرژی ذاتی می شود. در مقابل، فرآیند تبدیل مستقیم، متان را در یک مرحله به هیدروکربنهای بالاتر تبدیل می کند. از میان فرآیندهای مستقیم مختلف، جفت شدگی اکسایشی متان (OCM) فناوری مهمی برای تبدیل متان به اتیلن و اتان می باشد.

از تحقیقات اولیه کلر و بازین در سال ۱۹۸۲ تابحال مطالعات گسترده ای بر روی فرآیند OCM انجام شده است. بنابراین، چند مفهوم راکتوری مختلف برای این فرآیند ارائه شده است. رآکتور بستر ثابت (FBR) بخاطر سادگی فناوری آن بطور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. عملیات این رآکتور بخاطر مقدار زیاد گرمای آزاد شده در طی رشته واکنشها در آن، در معرض حادثه است. علاوه بر این، خارج کردن ناقص گرمای حاصل از واکنشهای بسیار گرمازا منجر به ایجاد یک لکه داغ می شود که بر عملیات رآکتور نظیر فرار دمایی، غیر فعال شدگی کاتالیزو، واکنشهای جانبی نامطلوب و تجزیه گرمایی فرآورده ها اثر می گذارد. استفاده از رآکتور بستر سیال که ظرفیت انتقال گرمای بالایی دارد، مدیریت گرمایی و کنترل دمایی بهتری از سیستم رآکتور بستر ثابت نشان می دهد. دانش پایه و همکارانش (۲۰۰۹) OCM را بر روی کاتالیزور Mn/Na₂WO₄/SiO₂ در رآکتور بستر سیال دو منطقه ای (TZFBR) مطالعه کردند و عملکرد آن را با رآکتور بستر سیال متداول مقایسه کردند. گرچه TZFBR انتخاب پذیری C₂ بزرگتری از رآکتور بستر سیال ارائه داد، بازده C₂ هنوز نسبتا پایین بود (<20%).

جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور غشایی

۲- مدل رآکتور غشایی OCM

شکل ۱ پیکربندی یک رآکتور غشایی لوله ای را برای OCM نشان می دهد. راکتور غشایی مورد نظر شامل دو لوله هم مرکز است: لوله داخلی غشای   متراکم است. متان به طرف لوله رآکتور و اکسیژن به طرف پوسته آن وارد می شود. اکسیژن در طرف پوسته از میان غشا، که به عنوان توزیع کننده اکسیژن عمل می کند، به طرف لوله نفوذ می کند و از طریق واکنش OCM در حضور کاتالیزور  که در طرف لوله فشرده شده با متان واکنش می کند.

مدل ریاضی راکتور غشایی معادله (۱)-معادله (۵) بر اساس فرضیات زیر توسعه می یابد: راکتور تحت عملیات حالت پایا عمل می کند، هیچ توزیع غلظتی شعاعی در طرف لوله یا در طرف پوسته رآکتور وجود ندارد، از پخش (پراکندگی) نفوذی محوری صرفنظر می شود و قانون گاز ایده آل در نظر گرفته می شود.

جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور غشایی

۳- سینتیک OCM

مدل سینتیکی جامع واکنش OCM بکار رفته در این تحقیق توسط استانش و همکارانش (۱۹۹۷) برای کاتالیزور La₂O₃/CaO توسعه یافته است. OCM شامل سه مرحله واکنش مقدماتی و هفت مرحله واکنش متوالی است که هیدروژن زدایی فاز گازی اتان و رفرمینگ بخار اتیلن را به صورت زیر توضیح می دهد:

سرعت های واکنش برای هر مرحله واکنش به صورت زیر داده می شوند:

که P_i فشار جزیی جزء i ام را نشان می دهد، K₀ و E_a,J پارامتر سینتیکی و انرژی فعالسازی در واکنش j را نشان می دهند. پارامتر سینتیکی استفاده شده برای طرح واکنش بالا در جدول ۱ نشان داده شده است.

جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور غشایی

۴- بهینه سازی رآکتور OCM

در این تحقیق، یک آنالیز آماری از عملکرد فرایند OCM بر حسب بازده C₂ انجام می شود. از طرح چندسازه مرکزی (CCD) برای مطالعه برهمکنش متغیرهای فرایند و برای پیش بینی شرایط بهینه فرایند که بازده C₂ را بیشینه می کند، استفاده می شود. متغیرهای مستقل یعنی نسبت خوراک CH₄/O₂ (X₁)، دمای عملیات (X₂) و سرعت جریان خوراک (X₃) با محدوده عملکردشان در جدول ۲ ارائه شده اند. از پاسخ (Y) فرایند OCM ، بازده C₂، برای توسعه معادله چند جمله ای درجه دوم استفاده می شود که پاسخ فرایند را به صورت تابعی از متغیرهای مستقل و برهمکنشهای آنها بصورت نشان داده شده در معادله (۲۳) تصحیح می کند.

که Y پاسخ پیش بینی شده (متغیرهای وابسته)، β_۰ عبارت جبرانی ( offset term)، β_i ، β_ii و β_ij ضرایبی برای اثرات خطی، مربعی و برهمکنشی هستند و X_i و X_j فاکتورها (متغیرهای مستقل) می باشند.

جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور غشایی

۵- نتایج و بحث

۵-۱ تجزیه و تحلیل پارامتری رآکتور غشایی OCM

در این بخش، تجزیه و تحلیل عملکرد رآکتور غشایی برای فرایند OCM با توجه به پارامترهای عملیاتی کلیدی ارائه می شود. جدول ۳ پیکربندی رآکتور و پارامترهای عملیاتی استفاده شده برای شبیه سازی رآکتور را نشان می دهد. شکل ۲ نیمرخهای غلظتی CH₄، C₂، O₂، CO_x، H₂ و H₂O در امتداد طرف لوله رآکتور هنگامی که متان خالص با سرعت جریان ۱٫۶×۱۰^-۳ mol/s و با نسبت متان- به- اکسیژن (CH₄/O₂) برابر با ۲ در طرف لوله خورانده می شود و دمای عملیات در ۸۰۰ ^۰C ثابت نگه داشته می شود را نشان می دهد.  این نکته معلوم شده که غلظت متان در امتداد طول رآکتور کاهش و غلظت اجزای گازی دیگر افزایش می یابد واین بخاطر افزایش سرعت واکنشها پس از نفوذ اکسیژن از طرف پوسته می باشد. در مرحله اولیه واکنشها، سرعت تشکیل فرآورده C₂ بوسیله واکنشهای OCM از سرعت اکسایش عمقی متان (واکنش جانبی) بالاتر است.

نتایج نشان می دهد که هنگامی که نسبت CH₄/O₂ از ۵/۰ به ۳ تغییر می کند، تبدیل CH₄ و بازده C₂ از بالاترین مقدار آنها در نسبت CH₄/O₂ برابر با ۵/۰، کاهش می یابد که این بخاطر پایین تر بودن غلظت اکسیژن در طرف واکنش است. با این وجود، واکنش اکسایش نامطلوب متان ، فرآورده های C₂ و سایر فرآورده های حدواسط در غلظت بالاتر اکسیژن به شدت کاهش می یابند، در نتیجه، در تبدیل CH₄ بالاتر، انتخاب پذیری C₂ نیز کاهش پیدا می کند. از آنجا که واکنش اتان به اتیلن به اکسیژن نیاز دارد تا با اتان واکنش نماید، در عملیات با نسبت پایین تر  CH₄/O₂،  نسبت C₂H₄/C₂H₆ بالاتری حاصل می شود.

۵-۲ بهینه سازی رآکتور غشایی OCM

شبیه سازیهای رآکتور غشایی OCM بر اساس طرح چندسازه مرکزی (CCD) انجام می شوند. نتایج نشان می دهد که بسته به شرایط عملیات، بازده C₂ بدست آمده از ۵۹/۱۱% تا ۱۲/۳۴% تغییر می کند. این اطلاعات شبیه سازی شده می تواند به یک مدل درجه دوم به صورت ارائه شده در زیر انطباق داده شود:

اعتبار مدل بدست آمده بوسیله خطای R² برابر با ۰٫۹۸۸۸ نشان داده می شود، ۹۸٫۸۸% از متغیرهای پاسخ می توانند بوسیله این مدل رگرسیونی توضیح داده شوند. تجزیه و تحلیل آماری بر روی ANOVA برای مدل درجه دوم نشان می دهد که مقدار F مدل ۴۹٫۰۰ است و این، اهمیت مدل را نشان می دهد و مقدار P آن کمتر از ۰٫۰۵۰۰ است که این، اهمیت عبارتهای مدل یعنی X₁، X₂، X₃، X₁X₂، X₁²، X₂²  و X₃² را نشان می دهد.

به منظور بهینه سازی بازده C₂ برای رآکتور OCM، از مدل کاهنده معادله (۲۴) به عنوان تابع هدف استفاده می شود. نتایج بهینه سازی نشان می دهد که راکتور OCM می بایست در نسبت CH₄/O₂ برابر با ۰٫۸۳، دمای ۸۴۷ ^۰C و سرعت جریان CH₄ برابر با  ۲٫۱×۱۰^-۳ mol/s عمل نماید و در اینصورت بیشینه بازده C₂ ، ۳۶٫۴۹% حاصل می شود.

جفت شدگی اکسایشی متان با رآکتور غشایی

۶- نتیجه گیری

در این تحقیق، تجزیه و تحلیل و بهینه سازی رآکتور غشای لوله ای متراکم برای جفت شدگی اکسایشی متان (OCM) انجام شده است. عملکرد رآکتور OCM بر حسب تبدیل CH₄، انتخاب پذیری C₂ و بازده C₂ در نظر گرفته می شود و نتایج نشان می دهد که دمای رآکتور، نسبت خوراک متان به اکسیژن و سرعت جریان خوراک متان پارامترهای کلیدی هستند که بر رآکتور OCM اثر می گذارند. طرح چندسازه مرکزی و روش پاسخ سطحی برای تعیین بازده C₂ بهینه بکار برده می شود. این نکته معلوم شده که شرایط بهینه برای بیشینه کردن تولید C₂ ، دمای ۸۴۷ ^۰C ، سرعت جریان CH₄ برابر با ۲٫۱۰×۱۰^-۳ mol/s و نسبت CH₄/O₂ برابر با ۰٫۸۳ می باشند. این اطلاعات برای طراحی بهینه رآکتور OCM جهت تولید C₂ مفید است.