شبیهسازی فرآیند تولید بایو اتانول از لیگنوسلولز با نرم افزار Aspen Plus
مهر ۳۰, ۱۴۰۳ارائه PDP در واحدهای صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی توسط APIPCO
مهر ۳۰, ۱۴۰۳مقدمه
راکتور ها دستگاه هایی هستند که در آن واکنش های شیمیایی از قبیل تبدیل، ترکیب یا تجزیه به منظور تولید ماده ی مورد نظر صورت می گیرد. عواملی چون دما، فشار، غلظت، اختلاط و… در انجام و سرعت یک واکنش دخیل می باشند. از این رو در طراحی راکتورهای شیمیایی از اصول مکانیک سیالات، ترمودینامیک، انتقال حرارت، انتقال جرم و سینتیک واکنش های شیمیایی بهره گیری می شود. به دلیل انجام بعضی از واکنش های ناخواسته یا وجود مقداری از ماده ی اولیه با محصول راکتور، امکان عرضه مستقیم محصول به بازار مهیا نیست. برای تحقق این امر انجام بعضی عملیات فیزیکی چون جداسازی، خالص سازی … بر روی محصول ضروری است.
انواع راکتورها و کاربردهای آنها
راکتورهای همگن
-
راکتورهای همزندار (CSTR)
CSTR مخفف عبارت Continuous Stirred Tank Reactor می باشد و به راکتور هایی اتلاق می شود که بطور مداوم در حال میکس کردن مواد اولیه تزریق شده به راکتور و تولید محصول نهایی بوده بطوریکه محصول یکنواختی حاصل می گردد و این راکتور ها در صنایع گوناگون نظیر مهندسی شیمی، دارو سازی، تولید بیوگاز ها بعنوان منبع انرژی و تصفیه پساب های صنعتی به کار برده می شوند.
طراحی راکتور های CSTR از انعطاف پذیری بالایی برخوردار بوده و بسته به نوع واکنش، نوع مواد اولیه و محصول نهایی واکنش می توان این راکتور ها را طراحی نمود. بطور کلی راکتورهای CSTR از سه بخش اصلی تشکیل شده اند که عبارتند از:
1. مخزن راکتور
2. سیستم همزن
3. لوله های وروردی و خروجی
که به ترتیب برای تغذیه مواد اولیه به درون راکتور و خروج محصول نهایی از آن می باشند. لازم به ذکر است که در این نوع از راکتور ها فرآیند تولید متوقف نمی گردد و راکتور پیوسته در حال کار می باشد. در تصویر زیر شماتیکی از این راکتور ها نشان داده شده است. -
راکتور لوله ای (Tubular Plug Reactor)
در صنایع شیمیایی برای فرایندهای با مقیاس بزرگ معمولاً از راکتورهای لوله ای استفاده می شود. زیرا نگهداری سیستم راکتورهای لوله ای آسان می باشد و معمولاً بالاترین درصد تبدیل مواد اولیه در واحد حجم راکتور را در مقایسه با سایر راکتورهای سیستم جاری دارا هستند. از محدودیت های این راکتورها مشکل کنترل حرارتی برای واکنش های گرمازایی است که بسیار سریع عمل می کنند و نهایتاً منجر به نقاط داغ Hot Spot می گردند.
نقاط داغ باعث می شوند که کیفیت محصول کاهش یابد و دستگاه آسیب ببیند. اغلب واکنش های متجانس گازی در این نوع راکتورها انجام می گیرند. در این راکتورها نیز مانند راکتورهای Batch زمان اقامت برای تمام اجزاء سیال مساوی است . سیستم متشکل از تعدادی واحدهای سری از راکتورهای مخلوط شونده Mixed، عملکردی مشابه با یک راکتور لوله ای دارد. هرچقدر واحدهای پشت سر هم بیشتر باشد، خواص سیستم به حالت لوله ای نزدیکتر است.
راکتورهای ناهمگن:
-
راکتور بستر ثابت (Fixed Bed Reactor)
راکتورهای بستر ثابت در واقع همان راکتورهای لوله ای پر شده از دانه های جامد کاتالیزور هستند . واکنش های غیر متجانس از نوع گازی و کاتالیزوری دراین نوع راکتورها انجام می گیرد ، از معایب این نوع راکتورها مشکل کنترل حرارتی و مشکل جایگزینی کاتالیزور بعد از غیر فعال شدن آن می باشد.
همچنین بعضی اوقات پدیده کانالیزه شدن مواد گازی در حین عبور از درون راکتور باعث کاهش زمان اقامت لازم برای انجام واکنش می شود که این خود یکی دیگر از محدودیت های این نوع راکتور می باشد. -
راکتورهای بستر سیال
در این راکتورها، ذرات کاتالیزور جامد به صورت معلق در یک سیال (معمولاً گاز) قرار دارند. در فرآیندهایی مانند کراکینگ کاتالیستی و پلیمریزاسیون استفاده میشود. کاتالیست در فضای داخل راکتور به علت سرعت بالای سیال ورودی به صورت معلق درامده و با وکنش گرها در تماس قرار میگیرد و حرکت مداوم مواد داخل راکتور یک سیستم سوسپانسیونی و معلق داخل راکتور ایجاد میکند.
عوامل موثر بر طراحی راکتور
- سینتیک واکنش:سرعت واکنش، مرتبه واکنش و انرژی فعالسازی
- انتقال جرم و حرارت: انتقال مواد واکنشدهنده به سطح کاتالیزور و انتقال حرارت بین سیال و دیواره راکتور
- هیدرودینامیک جریان: توزیع سرعت و اختلاط در داخل راکتور
- مواد ساخت: مقاومت در برابر خوردگی، حرارت و فشار
- هزینههای سرمایهگذاری و عملیاتی
چالشهای طراحی راکتور
- انتخاب نوع راکتور مناسب: انتخاب راکتور مناسب به عوامل مختلفی مانند نوع واکنش، شرایط عملیاتی و خواص فیزیکی مواد بستگی دارد.
- کنترل شرایط عملیاتی: کنترل دما، فشار، دبی و سایر پارامترهای عملیاتی برای دستیابی به حداکثر بازده و کیفیت محصول.
- کاهش افت فشار: کاهش افت فشار در راکتور برای کاهش مصرف انرژی.
- جلوگیری از تشکیل رسوب: جلوگیری از تشکیل رسوب بر روی سطوح داخلی راکتور که میتواند باعث کاهش کارایی و افزایش افت فشار شود.
- ایمنی: طراحی راکتور به گونهای که خطر انفجار، آتشسوزی و نشت مواد خطرناک به حداقل برسد.
شبیهسازی راکتورها
نرمافزارهای شبیهسازی مانند Solid Works، Aspen Plus، COMSOL Multiphysics و ANSYS Fluent به مهندسان اجازه میدهند تا عملکرد راکتور را پیشبینی کرده و بهینهسازی کنند. با استفاده از این نرمافزارها میتوان:
- توزیع دما و غلظت را در داخل راکتور شبیهسازی کرد.
- افت فشار را در راکتور محاسبه کرد.
- اثر تغییر پارامترهای عملیاتی بر عملکرد راکتور را بررسی کرد.
- راکتورهای جدید را طراحی و بهینه کرد.
نتیجه گیریراکتورها به عنوان قلب تپنده صنایع شیمیایی، نقش بسیار مهمی در تبدیل مواد اولیه به محصولات با ارزش افزوده بالا ایفا میکنند. این تجهیزات متنوع و پیچیده، محیطی را فراهم میکنند که در آن واکنشهای شیمیایی تحت شرایط کنترل شده انجام میشوند.
جهت خرید پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر در مورد آن، از طریق لینک زیر اقدام نمایید.