مدل سازی راکتورهای شعاعی جهت تولید استایرین – شیمی

مشخصات فایل

مقطع:کارشناسی ارشد
رشته تحصیلی:مهندسی شیمی
نوع ارائه:پایان نامه
تعداد صفحات:194
قالب بندی:word قابل ویرایش

نحوه خرید

مدل سازی راکتورهای شعاعی جهت تولید استایرین – 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
عنوان صفحه چکیده مقدمه ۱ فصل اول
شناخت و معرفی استایرن

۳ ۱-۱- خصوصیات فیزیکی ۳
۱-۲- خواص شیمیایی ۶
۱-۳- کاربرد استایرن ۷
فصل دوم
تولید استایرن ۹
۲-۱- هیدروژن گیری از اتیل بنزن ۹
۲-۱-۱- مکانیسم واکنش ۹
۲-۱-۲- هیدروژن گیری آدیاباتیک ۱۱
۲-۱-۳- هیدروژن گیری تکدما ۱۳
۲-۱-۴- تهیه استایرن به روش شرکت DOW 14
۲-۱-۵- هیدروژن زدایی در حضور اکسیژن ۱۵
۲-۲- فرایند استایرن و اکسید پروپیلن ۱۶
۲-۳- تولید استایرن با استفاده از بوتادی ان ۱۷
۲-۴- تولید استایرن با استفاده از تولوئن ۱۸
۲-۵- روشهای دیگر ۱۹
۲-۶- تقطیر استایرن ۲۰
۲-۷- پلیمریزاسیون استایرن ۲۳
فصل سوم
کلیات راکتور ۲۵
۳-۱- راکتور هیدروژن گیری از اتیل بنزن ۲۵
۳-۱-۱- شکل ظاهری ۲۵
۳-۱-۲- کاتالیست ۲۶
۳-۱-۳- ماده گرم کننده ۲۸
۳-۱-۴- خوراک ورودی به راکتور ۲۹
۳-۱-۵- افت فشار ۳۰
۳-۲- فرضیات بکار برده شده ۳۱
فصل چهارم
مدلسازی و یافتن معادلات حاکم

۳۳ ۴-۱- واکنشها و سینتیک آنها ۳۳
۴-۲- یافتن معادلات حاکم بر قرص کاتالیست ۳۵
۴-۳- یافتن معادلات حاکم بر راکتور ۳۸
فصل پنجم
حل معادلات دیفرانسیلی ۴۹
۵-۱- حل معادلات حاکم بر بستر کاتالیست ۴۹
۵-۲- حل معادلات حاکم بر قرص های کاتالیست ۵۱
۵-۳- پارامترهای هندسی راکتور ۵۵
۵-۴- دبی مولی خوراک ورودی به راکتور
۵-۴-۱- دبی مولی خوراک ورودی به راکتور در دمای ۸۰۰ درجه کلوین ۵۷
۵-۴-۲- دبی مولی خوراک ورودی به راکتور در دمای ۸۱۰ درجه کلوین ۵۸
۵-۴-۳- دبی مولی خوراک ورودی به راکتور در دمای ۸۲۰ درجه کلوین ۶۰
فصل ششم
نتایج حاصل از حل معادلات ۶۳
مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج موجود در مراجع ۱۲۹
فصل هفتم
نتیجه گیری و جمع بندی نهایی ۱۳۳
۷-۱- نتایج حاصل از تغییرات شعاع قرص های کاتالیست ۱۳۳
۷-۲- نتایج حاصل از تغییرات دمای ورودی واکنشگرها ۱۳۴
۷-۳- نحوه تغییرات عامل تاثیر در جهت شعاع راکتور ۱۳۵
۷-۴- نتایج تغییرات فشار ۱۳۷
۷-۵- جمع بندی نهایی ۱۳۸
۱۳۹ نظرات و پیشنهادات
۱۴۰ فهرست علائم
منابع و مراجع ۱۴۲
ضمیمه ( برنامه نوشته شده با استفاده از نرم افزار Matlabص۱۴۵

چکیده
این پروژه به طراحی و شبیه سازی راکتور هیدروژن گیری از اتیل بنزن که منجر به تولید استایرن میگردد ، می پردازد. در آغاز به روشهای تولید استایرن پرداخته شده که یکی از مهمترین آنها هیدروژن گیری از اتیل بنزن می باشد که به صورتهای ، آدیاباتیک و غیر آدیاباتیک انجام می گیرد. راکتور غیر آدیاباتیک جریان شعاعی برای هیدروژن گیری اتیل بنزن و تبدیل به استایرن پیشنهاد می شود. جریان شعاعی و ادامه گرمایش واکنشـگرها ( با استفاده از بخار سـوپر هیت در گرمکن حرارتی ) از خصوصیات جـدید در این طـراحی می باشند. بخار سـوپر هیت در لوله های گرمکن حرارتی جریان دارد که لوله های گرمکن حرارتی هم از میان بستر کاتالیستی و در جهت شعاع راکتور عبور می کنند. مدل بدست آمده از راکتور جریان شعاعی غیر آدیاباتیک در طراحی جدید ، برای بخار سوپر هیت یکسان مصرفی در مقایسه با دو راکتور آدیاباتیک جریان شعاعی با گرمایش بین مراحل ، انتخاب پذیری بیشتری دارد.
بیشتر روابط سینتیکی در دسترس برای مدلسازی راکتورهای صنعتی شبه هموژن استفاده می شوند. در این پروژه مدل هموژن با در نظر گرفتن نفوذ واکنشگرها به داخل قرص های کاتالیست و بدست آوردن پروفایل غلظت داخل دانه به مدل هتروژن توسعه داده می شود.
سپس هیدروژن گیری غیر آدیاباتیک انتخاب گردیده و برنامهریاضی آن نوشته شده و گرافهای آن در سه دمای ۸۰۰ ، ۸۱۰ و ۸۲۰ درجه کلوین ترسیم و نتایج در پایان آورده شده است ، این واکنش بر روی بستر کاتالیستی که بخش عمده آن را اکسید آهن تشکیل می دهد ، صورت می پذیرد. واکنشهای انجام شده بر روی بستر شش واکنش فرض شده است و بر اساس آن معادلات حاکم بدست آورده شده است.
از نتایج حاصل از حل معادلات می توان نتیجه گرفت که هر چه شعاع قرص های کاتالیست را کاهش دهیم و دمای ورودی واکنشگرها را افزایش دهیم به خاطر افزایش عامل تأثیر ، مدل هموژن به مدل هتروژن نزدیکتر می شود و می توان از حل معادلات بخش هتروژن صرف نظر کرد.

مقدمه
اولین بار استایرن از تقطیر شیره درخت حنا در سال ۱۸۰۰ توسط بوناستر ( Bonaster ) بدست آمد. تولید تجاری استایرن توسط دو شرکت بادیش آنیلین سودا فابریک ( BASF ) و داوکمیکال ( Dow Chemical ) شروع و در دوران جنگ جهانی دوم به اوج خود رسید [۱۹].
استایرن به عنوان فنیل اتیلن ، وینیل بنزن ، کتیرول ویا سینامین شناخته شده است و یکی از با اهمیت ترین منومرهای صنعتی غیر اشباع آروماتیکی می باشد. استایرن به طور طبیعی به مقدار کم در بعضی از گیاهان وغذاها تولید می شود. همچنین مشخص شد که دارچیـن ، هستـه خرما و بادام زمینی و نیز در قیـر هم موجود می باشد.
گسترش و توسعه فرایندهای تجاری تولید استایرن که بر پایه هیدروژن گیری از اتیل بنزن بنا شده ، در سال
۱۹۳۰ ساخته شده است. نیاز برای لاستیکهای استایرن و بوتادی ان در طول جنگ جهانی دوم موجب یک جنبش برای تولید هر چه بیشتر شد.
پس از ۱۹۴۹ یک منومر با توانایی پلیمریزاسیون بالا ، دارای خلوص بالا ، تمیز بی رنگ و ارزان تولید شد. مصارف زمان صلح پلاستیکهای با پایه استایرن گسترش پیدا کرد و هم اکنون پلی استایرن یکی از ارزانترین ترمو پلاستیکها بر اساس هزینه و حجم می باشد.
استایرن در حالت و شرایط عادی به صورت مایع می باشد ، لذا به راحتی می توان آن را جابجا نمود.

نتیجه گیری
همانگونه که در فصل پیش مشاهده شد ، با تغییرات بر روی دما و شعاع قرص های کاتالیست درصد تبدیل اتیل بنـزن ، انتـخاب پذیری و افت فشـار تغییـر می کننـد که در این فصل به دسته بنـدی و جمع آوری نتـایج می پردازیم.
۷-۱- نتایج حاصل از تغییرات شعاع قرص های کاتالیست
در قسمت هموژن تغییرات در شعاع قرص های کاتالیست بر روی افت فشار تاثیر دارد بطوریکه با افزایش شعاع قرص های کاتالیست افت فشار کاهش می یابد و در نتیجه درصد تبدیل اتیـل بنزن افزایش می یابد و بلعکس با کاهش شعاع قرص های کاتالیست افت فشار افزایش می یابد و در نتیجه درصد تبدیل اتیل بنزن کاهش می یابد.
در قسمت هتروژن هر چه شعاع قرص های کاتالیست را کمتر کنیم مقاومت در برابر نفوذ به داخل قرص کاتالیست کمتر شده و در نتیجه عامل تاثیر بیشتر می شود و درصد تبدیل اتیل بنزن هم افزایش می یابد ولی افت فشار هم افزایش می یابد. بلعکس اگر شعاع قرص های کاتالیست را زیاد کنیم مقاومت در برابر نفوذ به داخل قرص کاتالیست افزایش می یابد و در نتیجه عامل تاثیر کم شده و درصد تبدیل اتیل بنزن کاهش می یابد ولی افت فشار هم کاهش می یابد.
۷-۲- نتایج حاصل از تغییرات دمای ورودی واکنشگرها
همانگونه که مشاهده شد تغییرات دما تغییرات چشمگیری هم در انتخاب پذیری و هم در تولید محصول خواهد داشت. با افزایش دما انتخاب پذیری کاهش می یابد چونکه هرچه دما را افزایش دهیم مقدار اتیل بنزن برگشتی به راکتور بیشتر می شود و درنتیجه مقدار اتیل بنزن ورودی به راکتور افزایش می یابد پس نسبت استایرن تولیدی به اتیل بنزن مصرفی کاهش می یابد. با افزایش دما هزینه عملیاتی افزایش می یابد و همچنین هزینه جداسازی هم به خاطر کاهش انتخاب پذیری افزایش می یابد ، چرا که با کاهش انتخاب پذیری محصولات جانبی بیشتری در محصول خام پدیدار می گردد. از طرفی دیگر هرچه دما را افزایش دهیم میزان درصد تبدیل اتیل بنزن هم بیشتر می شود پس در نتیجه میزان جریان برگشتی کاهش می یابد.
با افزایش دما تبدیل تعادلی و سرعت واکنش در مورد واکنشهای گرماگیر تعادلی زیاد می شود و چون واکنش اصلی ، واکنش اول است و این واکنش گرماگیر است ( ۰〈H∆) با افزایش دما میزان درصد تبدیل افزایش می یابد.
در قسمت هتروژن با افزایش دما مقدار عامل تأثیر هم افزایش می یابد ، چونکه عامل تأثیر با میزان نفوذ واکنش گرها به قرص های کاتالیست ارتباط مستقیم دارد و میزان نفوذ واکنش گرها به قرص های کاتالیست هم با افزایش دما افزایش می یابد پس مقدار عامل تأثیر با افزایش دما افزایش می یابد.
۷-۳- نحوه تغییرات عامل تاثیر در جهت شعاع راکتور
۷-۳-۱- تغییرات عامل تأثیر واکنشهای اول ، دوم و سوم
میزان تغییرات عامل تأثیر واکنش های اول ، دوم و سوم در طول شعاع راکتور مشابه است چونکه تفاوت روابط سرعت واکنش های اول ، دوم و سوم در ثابتهای سرعتشان است و در محاسبه میزان عامل تأثیر این ثابتها در صـورت و مخرج عامل تأثیـر با هم ساده می شـوند ( ترم p2 p7 Keq در رابطه سرعت واکنش اول هم به خاطر بالا بودن Keq ناچیز می شود و باعث شباهت عامل تأثیر واکنش اول با عامل تأثیر واکنش های دوم و سوم می شود ).
در ورودی راکتور میزان عامل تأثیر واکنش های اول ، دوم و سوم به علت محدودیت در انتقال جرم پایین است و هرچه در جهت شعاع راکتور پیش برویم انتقال جرم بهتر انجام می شود و محدودیت انتقال جرم کاهش می یابد و در نتیجه عامل تأثیر افزایش می یابد. از طرفی دیگر به علت غیر همسو بودن جریان واکنش گرها با جریان بخار سوپر هیت گرمکن حرارتی ، دمای واکنش گرها هرچه به سمت خروجی راکتور پیش برویم افزایش می یابد پس میزان عامل تأثیر هم به خاطر افزایش ضرایب نفوذ واکنش گرها افزایش می یابد ( ضرایب نفوذ با دما رابطه مستقیم دارند ).
۷-۳-۲- تغییرات عامل تأثیر واکنش چهارم
مقدار عامل تأثیر واکنش چهارم در ورودی راکتور بالاست ، چونکه سرعت واکنش چهارم تابعی از فشار جزئی اتیلن است و در ورودی راکتور میزان اتیلن ورودی صفر است پس سرعت واکنش چهارم در ورودی راکتور صفر است و چون سرعت واکنش در سطح کاتالیست در مخرج عامل تأثیر قرار دارد ، عامل تأثیر واکنـش چهارم در ورودی راکتور زیاد می شود. هرچه در جهت شعاع راکتور پیش برویم این مقدار کاهش می یابد ، در ورودی راکتور سرعت واکنش دوم ( اتیلن در محصولات این واکنش قرار دارد ) بیشتر از واکنش چهارم است ( اتیلن در مواد اولیه این واکنش قرار دارد ) ، پس میزان اتیلن تولیدی نسبت به اتیلن مصرفی بیشتر است و اتیلن در جهت تولید پیش می رود.
سرعت واکنش دوم ارتباط معکوس با فشار جزئی استایرن و ارتباط مستقیم با دما دارد و هرچه در جهت شعاع راکتور پیش برویم فشار جزئی استایرن افزایش می یابد پس سرعت واکنش دوم کاهش می یابد ولی از طرفی دما افزایش می یابد و به افزایش سرعت واکنش دما کمک می کند ، علت تغییرات پروفایل دبی مولی اتیلن هم به خاطر افزایش فشار جزئی استایرن و دما است. در نقاطی که پروفایل دبی مولی شیب مثبت دارد و اتیلن تولید می شود تأثیر افزایش دما بیشتر از تأثیر افزایش فشار جزئی استایرن در سرعت واکنش دوم است پس سرعت واکنش دوم بیشتر از سرعت واکنش چهارم می شود و در نقاطی که این پروفایل شیب منفی دارد و اتیلن مصرف می شود سرعت واکنش چهارم بیشتر از سرعت واکنش دوم است.
تغییرات شیب عامل تأثیر واکنش چهارم هم به خاطر تغییرات پروفایل اتیلن تولیدی می باشد.
۷-۳-۳- تغییرات عامل تأثیر واکنش پنجم
مقدار عامل تأثیر واکن ش پنجم در ورودی راکتور بالاست ، چونکه سرعت واکنش پنجم تابعی از فشار جزئی متان است و در ورودی راکتور میزان متان ورودی صفر است پس سرعت واکنش پنجم در ورودی راکتور صفر است و چون سرعت واکنش در سطح کاتالیست در مخرج عامل تأثیر قرار دارد ، عامل تأثیر واکنـش پنجـم در ورودی راکتور زیاد می شود. هرچه در جهت شعاع راکتور پیش برویم به علت افزایش فشار جزئی متان مقدار عامل تأثیر واکنش پنجم هم کاهـش می یابد.
۷-۳-۴- تغییرات عامل تأثیر واک نش ششم
مقدار عامل تأثیر واکنش ششم در ورودی راکتور بالاست ، چونکه سرعت واکنش ششم تابعی از فشار جزئی مونو اکسید کربن و دی اکسید کربن است و در ورودی راکتور میزان مونو اکسید کربن و دی اکسید کربن ورودی صفر است پس سرعت واکنش ششم در ورودی راکتور صفر است و چون سرعت واکنش در سطح کاتالیست در مخرج عامل تأثیر قرار دارد ، عامل تأثیر واکنـش ششم در ورودی راکتور زیاد می شود. هرچه در جهت شعاع راکتور پیش برویم به علت افزایش فشار جزئی مونو اکسید کربن و دی اکسید کربن مقدار عامل تأثیر واکنش ششم هم کاهـش می یابد.
۷-۴- نتایج تغییرات فشار
فشار خروجی در این راکتور باید kPa 3/101 باشد. افت فشار با تغییرات شعاع قرص های کاتالیست ارتباط عکس دارد ، هرچه شعاع قرص های کاتالیست کمتـر شود افت فشار بیشتر است پس باید فشـار ورودی به راکتور را افزایش داد تا افت فشـار جبران شـود و این افزایش فشار در ورودی راکتور باعث کاهش محصول می شود ، چونکه هر ۱ مول ماده اولیه در واکنش اول ۲ مول محصول تولید می کند پس کاهش فشار واکنش را در جهت رفت یعنی تولید محصول بیشتر هدایت می کند. بلعکس هرچه شعاع قرص های کاتالیست بیشتر شود افت فشار کمتر می شود پس باید فشار ورودی به راکتور را کاهش داد و این کاهش فشار در ورودی راکتور باعث افزایش محصول می شود.
۷-۵- جمع بندی نهایی
همانطور که از نتایج مشاهده می شود دبی مولی استایرن تولیدی در هر سه دما تقریباً برابر است ، با کاهش دما هزینه عملیاتی و جداسازی کاهش می یابد ولی به خاطر کاهش درصد تبدیل اتیل بنزن میزان جریان برگشتی افزایش می یابد. با افزایش دما هزینه عملیاتی و جداسازی افزایش می یابد ولی به خاطر افزایش درصد تبدیل اتیل بنزن میزان جریان برگشتی کاهش می یابد.
در راکتورهای جریان شعاعی توزیع مواد به خوبی انجام می شود و افت فشار نیز پایین است ، فشار پایین برای تولید استایرن مناسبتر است. علاوه بر این ، این طراحی مانند راکتورهای آدیاباتیک نیازی به مبدل حرارتی بین مراحل برای گرم کردن واکنش گرها ندارد که این مساله خود باعث کاهش در افت فشار می شود چون در مبدل حرارتی افت فشار داریم [۳].
بخار مصرفی در راکتورهای غیر آدیاباتیک از بخار مصرفی راکتورهای آدیاباتیک بیشتر نمی باشد و برای یک مقدار مشخص از خوراک تازه ورودی مقدار انتخاب پذیری راکتورهای غیر آدیاباتیک بیشتر از راکتورهای آدیاباتیک می باشد. افزایش انتخاب پذیری در فرایند تولید استایرن از نظر اقتصادی اهمیت زیادی دارد ، با افزایش سود حاصله از طراحی جدید می توان سرمایه گذاری زیاد اولیه را توجیه کرد.
از معایب راکتور جریان شعاعی غیر آدیاباتیک می توان به هزینه ساخت بالا و هزینه تعمیرات و نگهداری بالا و مشکل بودن پر کردن راکتور از کاتالیست ها اشاره کرد.

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