کاربرد CFD در مدل سازی دانه کاتالیست متخلخل تیتانیت پروسکایت در واکنش های جفت اکسایشی متان (OCM) – شیمی

مشخصات فایل

مقطع:کارشناسی ارشد
رشته تحصیلی:مهندسی شیمی
نوع ارائه:پایان نامه
تعداد صفحات:157
قالب بندی:word قابل ویرایش

نحوه خرید

کاربرد CFD در مدل سازی دانه کاتالیست متخلخل تیتانیت پروسکایت در واکنش های جفت اکسایشی متان (OCM) – شیمی

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

چکیده

فهرست مطالب

۱ چکیده
۲ مقدمه
۵ فصل اول

فصل اول: کلیات واکنش های هتروژنی جامد-گاز و مدل سازی دانه کاتالیست…… ۶

۱-۱) تئوری واکنش های جامد-گاز و مبانی مدل سازی راکتور های بستر ثابت ….. ۶
۶ مقدمه

۱-۱-۱) متغیر های موثر در واکنش های هتروژن ……. ۷
۱-۱-۲) مراحل انجام واکنش های کاتالیستی ……….. ۸
۱-۱-۳)تعیین سرعت ذاتی واکنش………. ۱۱
۱-۱-۴) مبانی مدل سازی راکتور های بستر ثابت کاتالیستی …………… ۱۲
۱-۱-۵) مراحل مدل سازی راکتور های بستر ثابت ………….. ۱۵
۱-۱-۶) افت فشار در راکتور های بستر ثابت ……… ۱۷
۱-۱-۷) حل مدل ها …………… ۱۸
۱-۱-۸) مدل سازی دانه کاتالیست ………. ۱۹
۱-۱-۹) مفهوم ضریب کارآیی …………. ۲۱
۱-۱-۰۱) تقسیم بندی کلی مدل راکتور های کاتالیستی بستر ثابت …….. ۲۲
۱-۱-۱۱) مدل های شبه همگن ………….. ۲۳
۱-۱-۲۱) مدل های ناهمگن …………….. ۲۴
۱-۱-۳۱) مدل های یک بعدی ………….. ۲۵
۱-۱-۴۱) مدل های دو بعدی ……………. ۲۷
۱-۲) معادلات واکنشی دانه کاتالیست و پارامتر های مربوط به مدل سازی ………. ۲۸
۱-۲-۱) معادلات دانه کاتالیست ………… ۲۸
۱-۲-۲) ضرایب نفوذ …………. ۳۱
۱-۲-۳) پارامتر های انتقال جرم و حرارت و اثر گرادیان های حرارتی…. ۳۳
۱-۲-۴) پارامتر های طراحی دانه ………… ۳۶
۱-۲-۵)کنترل و دینامیک راکتور های بستر ثابت در واکنش ………….. ۳۷
فصل دوم مروری بر دینامیک سیال محاسباتیCFD)) …..ا… ۴۰
مقدمه ………………. ۴۲

۲-۱) روش انجام کار در CFD ……ا……. ۴۲
۲-۲) معادلات انتقال حاکم بر جریان سیال ………… ۴۷
۲- ۳)روش حجم محدود برای مسائل نفوذ ………… ۴۹
۲-۴) نرم افرار فلوئنت …………. ۵۱
۲-۵)کاربرد های CFDدر واکنش های هتروژنی جامد-گاز و مروری بر تحقیقات پیشین .. ۵۲
۶۰ فصل سوم
۶۱ مقدمه

۳ -۱) مکانیزم کلی فرایند OCM: ….ا…… ۶۲
۳-۲) ویژگی های کاتالیست های فرایند کاتالیستی ………….. ۶۵
۳-۳) اکسید های فلزی مورد استفاده به عنوان کاتالیست …….. ۶۶
۳-۴) ساختمان پروسکایت ها …………… ۶۷
۳-۵-۱) جذب اکسیژن بر روی کاتالیست …………. ۶۸
۳-۵-۲) جذب واکنش گرها بر روی کاتالیست …… ۷۱
۳-۵-۳) مکانیزم اکسیداسیون- احیا ……… ۷۱
۳-۶) معادلات سرعت و پارامتر های سینتیکی …….. ۷۲
۳-۷) عوامل موثر در فرایند OCM …ا….. ۷۵
۳-۷-۱) اثر دما ……… ۵۷
۳-۷-۲) اثر فشار ………………. ۷۶
۳-۷-۳) اثر نسبت مولی خوراک ………… ۷۷
۳-۷-۴) اثرگاز رقیق کننده ……………… ۷۸
۳-۷-۵) اثراکسید کننده ………. ۸۳
۳-۷-۶) اثرGHSV ………ا……. ۸۳

فصل چهارم: روش های تجربی جهت اعتبار بخشیدن به متغیر های مدل سازی ………… ۸۴
مقدمه ……………….. ۸۱
۴-۱) مشخصات کاتالیست ……………… ۸۱
۴-۲) روش تهیه کاتالیست …….. ۸۱
۴-۳) دستگاه کاتاتست ………… ۸۳
۴-۴) راکتور ………… ۸۶
۴-۵) روش انجام کار آزمایشگاهی ……… ۸۷

فصل پنجم: نتایج و بحث مدل سازی دانه کاتالیست ………. ۹۶

۵-۱) شبیه سازی اولیه جریان در لوله حلقوی با استفاده از نرم افزار فلوئنت ……… ۹۷
حالت اول: بررسی پروفایل جریان ………. ۹۸

حالت دوم: بررسی اعداد ناسلت در حالت دمای ثابت دیواره ………… ۱۰۰

حالت سوم: بررسی عدد ناسلت در حالت شار حرارتی ثابت دیواره …… ۱۰۲

۵-۲) مراحل مدل سازی دانه کاتالیست …………… ۱۰۴
۵- ۳)حل عددی ………………. ۱۱۰
۵-۴) نتایج مدل سازی دو بعدی دانه کاتالیست ……. ۱۱۲
۵-۴-۱) پروفایل ها و کانتور های اجزای ورودی در داخل دانه ……….. ۱۱۲
۵-۴-۲) بررسی مدل سیننتیکی ۰۱ مرحله ای واکنش OCM در دانه کاتالیست …. ۱۲۳
۵-۴-۳)پروفایل سینتیک اجزای واکنشی در طول دانه کاتالیست ……… ۱۲۴
۵-۴-۴) پروفایل درصد تبدیل و گزینش پذیری در داخل دانه ………… ۱۲۶
۵-۴-۵)پروفایل دما در داخل دانه کاتالیست ………. ۱۲۸
۵-۴-۶) بررسی اثر ترکیب خوراک…….. ۱۲۹
۵-۴-۷) اثر درجه حرارت …….. ۱۳۰
۱۳۳ ………… GHSVاثر (۸-۴-۵
۵-۵) نتیجه گیری و پیشنهادات …………. ۱۳۵
۵-۶) پیشنهادات برای کار های آتی …….. ۱۳۵
منابع و ماخذ ……….. ۱۳۶

چکیده:
فرایند جفت شدن اکسایشی متان بر هم کنش پیچیده ای از پدیده های انتقال و سینتیک شیمیایی است. لذا شبیه سازی و بررسی مدل سازی با احتساب جزئیات واکنش به فهم هر چه بیشتر این بر هم کنش کمک خواهد کرد. برای مدل سازی جریان توام با واکنش از داخل دانه کاتالیست در محیط متخلخل از دینامیک سیال محاسباتی استفاده می شود. ضرورت کاربرد CFD در چنین سیستم هایی بکارگیری ابزار پر قدرت و توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال و انتقال حرارت و معادلات حاکم پیچیده می باشد. در واقع هدف از این تحقیق، بررسی رفتار دانه کاتالیست متخلخل در واکنش جفت شدن اکسایشی متان از دو دیدگاه آزمایشگاهی و مدل سازی عددی می باشد .یعنی ابتدا رفتار دانه کاتالیست تیتانیت پروسکایت را توسط حل عددی و بدست آوردن پروفایل های اجزای واکنشی مورد بررسی قرار می دهیم. سپس اعتبار داده های خروجی از مدل را در تطابق با داده های خروجی از مدل مورد ارزیابی قرار می دهیم پس از اطمینان یافتن از اعتبار مدل راهکار هایی در جهت افزایش گزینش پذیری و راندمان واکنش OCM در دانه کاتالیست که حکم قلب راکتور های کاتالیستی بستر ثابت را دارد ارائه می دهیم .. لذا برای رسیدن به این هدف اطلاع داشتن از مراحل انجام واکنش کاتالیستی و مبانی مدل سازی راکتور های کاتالیستی بستر ثابت امری ضروری و مهم می باشد. از جمله عوامل موثر در رفتار کاتالیستی درجه حرارت، نسبت متان به اکسیژن و سرعت فضایی گاز (GHSV) می باشد. تاثیر این عوامل بر میزان و گزینش پذیری محصولات ۲ نتایج مهمی می باشد که از این مدل سازی بدست خواهد آمد.

مقدمه:
امروزه در پالایشگاه های نفت و گاز و مجتمع های پتروشیمی، مدل های کامپیوتری و تکنیـک هـای ریاضـینقش مهمی را در طراحی تجهیزات جدید کارآمد و بهینه سازی آنها ایفا می کنـد. در ایـن راسـتا در مهندسـیواکنش ها بررسی واکنش های هتروژنی جامد-گاز و پدیده هایی مانند انتقال حرارت، نفوذ و واکنش شـیمیاییدر تجهیزات فرایندی و خطوط تولید از اهمیـت ویـژه ای برخـوردار مـی باشـد. در چنـد دهـه اخیـر محققـانتلاش های زیادی را در جهت مدل سازی این پدیده ها با استفاده از ابزار ها و نرم افزار های پر قدرت به منظـورافزایش راندمان تجهیزات و واحدها و همچنین درک بهتر از مکانیزم های فیزیکـی و شـیمیایی فراینـدها انجـامداده اند و توسط آن توانسته اند تکنیک های جدیدی را در زمینه های شبیه سازی و بهینه سازی فراینـدها بـهمنظور کاهش هزینه های اقتصادی و بهره وری بیشتر ارائه نمایند.
در این میان طراحی و مدل سازی راکتورهای کاتالیستی بستر ثابت توجه بسیاری از محققان و مهندسان را در چند دهه گذشته به خود جلب کرده است[۱]. تحلیل کلی راکتور های بستر ثابت از مقیاس میکرو سینتیک (با بررسی دانه و ساختار حفره ای آن که پدیده های نفوذ و واکنش در آن رخ می دهد) آغاز مـی گـردد .و بـهمقیاس ماکرو (با مطالعه و تحقیق بر شکل هندسی و مشخصات بستر راکتور جایی که پدیده هـای جابجـایی وانتقال جرم و حرارت و پراکندگی رخ می دهد) خـتم مـی گـردد[۲]. مهـم تـرین و اساسـی تـرین بخـش ایـنمدل سازی که حکم قلب راکتور کاتالیستی بستر ثابت را دارد مدل سازی دانه کاتالیست۱ و رفتار جریان سیال در داخل دانه می باشد. در پروژه حاضر به بررسـی یـک دانـه کاتالیسـت متخلخـل از نـوع تیتانیـت پروسـکایت ومدل سازی آن توسط دینامیک سیال محاسباتی۲ (CFD) در واکنش جفت اکسایشـی متـان۳ (OCM) خـواهیم پرداخت. نرم افزار مورد استفاده در این تحقیق جهت مدل سازی FLUENT & GAMBIT می باشد که یکی از ابزار های CFD به شمار می آید. CFDیکی از شاخه های دینامیک سیالات میباشد که از روش ها و الگـوریتمعددی برای حل و تجزیه مسائل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه نفـو ذ و واکـنش شـیمیایی بـراساس شبیه سازی کامپیوتری استفاده می نماید .هدف نهایی از این شبیه سازی در این پروژه ارائه یـک برنامـهکامپیوتری است که بتوان با وارد کردن دما، فشار و جـزء مـولی اجـزای خـورا ک در آن، دمـا هـای خروجـی وهمچنین جزء مولی محصولات را در طول دانه کاتالیست پیش بینی نمود.
شایان ذکر است مدل سازی دانه کاتالیست و بررسی رفتار آن در واکنش های هتروژنی جامد گاز می تواند نتانج بسیار مهم و ارزشمندی برای محققان و مهندسان به ارمغان آورد. با مطالعات بیشتر بر روی این دسته از مدل سازی ها می توان زمینه لازم را برای طراحی یک راکتور کاتالیستی و کنترل آن (با تنظیم نسبت اجزای خوراک به عنوان مثال نسبت متان به اکسیژن( ۲ ۴) در واکنش OCM یا کنترل محدوده دمای عملیاتی) در شرایط عملیاتی بهینه، دور از شرایط runaway تامین نمود. همچنین مسئله افزایش مقیاس۱ در طراحی راکتور ها امری بسیار ضروری و مهم می باشد که با بررسی مدل در رفتار هیدرودینامیکی و خواص فیزیکی سیستم ،امکان استفاده از راکتور های صنعتی با اندازه های مختلف را فراهم می آورد. با در نظر گرفتن و جمع بندی تمامی عوامل فوق امکان دستیابی آسان تر به طراحی یک راکتور واحد صنعتی در شرایط عملیاتی بهینه را خواهیم داشت.
همان گونه که اشاره شد در این پروژه به کاربرد CFD در مدل سازی دانـه کاتالیسـت متخلخـل تیتانیـتپروسکایت در واکنش جفت اکسایشی متان (OCM) خواهیم پرداخت. واکنش جفت شدن اکسایشی متان کـهیکی از روش های تبدیل مستقیم متان به هیدروکربن های با ارزش تر مانند اتان و اتیلن می باشد در چند سال گذشته تحقیقات زیادی بر روی آن شده است. مسئله اساسی در این واکنش رسیدن به گزینش پذیری بالا برای اتیلن و میزان تبدیل مناسب متان بدون واکنش احتراق کامل متان می باشد[۳]. توصیف بیشتر ایـن فراینـد دربخش های بعدی آمده است. ساختار و فصل بندی این پروژه به این صورت است که در فصـل اول بـه اهمیـت وکـاربرد هـای CFD در مهندسی شیمی و مروری به تحقیقات پیشین در واکنش های هتروژنی جامد- گاز مـی پـردازیم. در فصـل دوماصول و تئوری واکنش های هتروژنی و رفتار دانه کاتالیست متخلخل و بر هم کنش های آن در واکنش فازگازی را مورد مطالعه قرار می دهیم. سپس به معرفی و مکانیزم های فرایند جفت اکسایشی متان و اطلاعات سینتیکی و ترمودینامیکی مربوطه خواهیم پرداخت . در ادامه فصل چهارم شامل بخش تجربی می باشد که جهت ارزیابی اعتبار مدل یکسـری آزمایشـات مشـابه بـاشرایط مدل سازی طراحی و اجرا شده است و فصل بعدی شامل مدل سازی دانه کاتالیست و نتایج بحث حاصل از آن می باشد.
نتیجه گیری و پیشنهادات:
در این پروژه، مدل سازی دانه کاتالیست متخلخل از نوع تیتانیت پروسکایت در واکنش جفت اکسایش متان مورد بررسی قرار گرفت. پروفایل های غلظت اجزای واکنش در طول دانه بدست آمد و نتایج حاصل از مدل با نتایج آزمایشگاهی تطابق قابل قبولی داشتند بخش آزمایشگاهی با توجه به بررسی رفتار های انجام شده در مدل سازی دانه که شامل اثرات دما و نسبت مولی خوراک و GHSV بر روی درصد تبدیل متان و گزینش پذیری محصولات در داخل دانه متخلخل بود تنظیم گردید.
اثرات دما در شرایط عملیاتی K 1073 ،۱۰۴۸و ۱۰۲۳و اثرات نسبت های مولی خوراک در نسبت های ۱٫۵، ۲ و ۳ مورد بررسی قرار گرفت. مقدار یک گرم کاتالیست با مش ۲۰- ۱۸ در این آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت .
نتایجی که از این مدل سازی در تمامی آزمایشات می توان گرفت به صورت زیر است:
۱ – در این پروژه با توجه به این که از مدل سینتیکی Stansch (سینتیک واکنش OCM تحت کاتالیست تیتانیت پروسکایت) به عنوان ترم واکنش معادلات استفاده شد و تطابق خوبی که این مدل با داده های آزمایشگاهی داشت می توان نتیجه گرفت که این مدل سینتیکی مدل مناسب و معتبری برای مدل سازی دانه کاتالیست تیتانیت در واکنش جفت شدن اکسایشی متان می باشد.
۲ – همان گونه که گذشت بخشی از نتایج مدل سازی شامل پروفایل های اجزای واکنش در داخل دانه بود .پروفایل اجزای خوراک( ۴CH و ۲O) که به صورت نمایی تا حوالی مرکز دانه روند کاهشی دارد و سپس تا خروجی دانه روند صعودی به خود می گیرد حاکی از اجرای موفق زیر برنامه خارجی به عنوان ترم واکنشی از مدل سینتیکی انتخابی می باشد. شایان ذکر است این کد (زیر برنامه) شامل ۰۱ واکنش که ۶ واکنش آن به شدت غیر خطی و ۴ واکنش آن خطی می باشد نشان دهنده کارآمد بودن و معتبر بودن مدل سینتیکی غیر خطی برای مدل سازی دانه می باشد. ( قبلا مدل سینتیکی آرینوسی برای مدل سازی دانه در مرجع [۶] انجام شده بود)
۳ – با بررسی پروفایل های اجزای محصولات و متان واکنش نداده در داخل دانه می توان نتیجه گرفت که پیش بینی های مدل حاکی از آن است که جفت شدن متان که یک واکنش گرماگیر می باشد بعد از اکسیداسیون جزئی یا کامل متان اتفاق می افتد که با نتایج محققین قبلی مطابقت دارد.
۴ – در مدل سازی مقیاس های کوچکی مانند دانه کاتالیست با ۲۰-۱۸mesh باید اجزای ورودی به صورت بسیار رقیق گرفته شود. به دلیل این که واکنش در حجم بسیار کوچک دانه کاتالیست انجام می شود و این مقدار فضای کاتالیست توانایی تبدیل کردن مقدار کمی از واکنش دهنده ها را با توجه به سطح فعال خود دارد. بنابراین در محاسبات و مدل سازی دانه از غلظت های بالای اجزای واکنشی صرف نظر می کنیم که این دستاورد با آخرین مقاله ارایه شده دراین زمینه [۳۱] مطابقت دارد.
۵ – نتایج مدل سازی دانه کاتالیست نشان می دهد که با افزایش GHSV درصد تبدیل متان کاهش می یابد. در حالی که گزینش پذیری محصولات ۲C افزایش می یابد که مشابه نتایج اثر GHSV در مدل سازی راکتور واکنش OCM می باشد[۸۲].

نحوه خرید

دانلود رایگان فایل
شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

در صورت بروز هر گونه مشکل در روند خرید اینترنتی، بخش پشتیبانی کاربران آماده پاسخگویی به مشکلات و سوالات شما می باشد

راهنمای سایت

برخلاف سایت های دیگر که فایل ها را به صورت تکی می فروشند روال سایت ما این است که شما با عضویت در سایت ما میتوانید از تمام فایل های موجود استفاده کنید.

تمام مطالب سایت فقط برای اعضای سایت رایگان است.

نحوه عضویت در سایت

آخرین مطالب

مطالب مرتبط