فایل ورد کامل مقاله کاتالیزور در سیستم گردش سیکلونی در یک بستر سیال ۱۲۴ صفحه در word

قسمتی از متن :

چکیده :
استفاده از راکتور سیکلونی برای اولین بار توسطtamir و همکارانش در سال ۱۹۸۴ گزارش شده است در این پروژه به بررسی راکتورهای سیکلونی پرداخته شده بطوریکه تعریف راکتورهای، سیکلونهای راکتور و اجزای آن مورد بررسی قرار گرفته و به مدل سازی و کاربرد راکتورهای سیکلونی با دو جریان برخوردی در سیستم های جامد مایع و همچنین شبیه سازی راکتورهای سیکلونی با دو جریان برخورد کننده با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته شده و همچنین عملکرد وابسته به زمان کاتالیزور در سیستم گردشی سیکلون در یک بستر سیار پرداخته شده که به دلیل نوع عملکرد راکتور سیکلونی حائز اهمیت است و همچنین به بررسی راکتورهای احتراق سیکلونی پرداخته ایم که در فصلهای این مقاله به طور کامل توضیح داده می شود.
کلمات کلیدی: راکتور سیکلونی، جریان های برخوردی، توزیع زمان اقامت، مدل زنجیره ای مارکوف
مقدمه:
برای عملیات سیستم بستر سیال متشکل از یک بستر سیال و بازیابی جامدات با جریان مجدد جامدات حبس شده، توزیع اندازه ذره (PSD) ماده بستر یکی از پارامترهای ویژه ضروری به علاوه شرایط عملیاتی همچون سرعت گاز، فشار، دما و هندسه می باشد. بر اساس بررسی های انجام گرفته، کارایی عملیاتی راکتورهای بستر سیال شدیداً از PSD تاثیر می پذیرد. به عنوان مثال، دوریس و سایرین(devries) گزارش کردند که افزایش در تبدیل کلرید هیدرون گازی در فرآیند کلر پوسته از ۹۱% تا ۷/۹۵% از طریق افزایش مقدار ذرات ریز در ماده بستر از ۷ تا۲۰% بدست آمده همین تاثیر توسط پل و جردن با توجه به تبدیل پروپیلن در طول سنتز آکریلونیتریل مشاهده گردیده آنها افزایش تبدیل را از ۶/۹۴% تا ۲/۹۹% گزارش کردند، در حالیکه مقدار ذرات ریز از ۲۳% به ۴۴% تغییر یافت. متاسفانه تجربیات مربوط به کاربرد بسترهای سیال در صنعت شیمی به ندرت منتشر شده است. گرچه، این دو نمونه، اهمیت PSD در این فرآیندها را نشان می دهد.
در این تحقیق، تاثیر خواص ذرات از جمله اندازه آنها بر اثرات کاربردهای بستر سیال مورد بررسی قرار می گیرد. چنگ و سایرین به بررسی توان ربایش سولفور مواد جذب کننده تحت شرایط بستر سیال پرداختند و دریافتند که با افزایش مساحت سطح جرم مخصوص، توان ربایش نیز افزایش می یابد.
به اعتقاد هیلیگاردت و وردر (Hilligardt, werther) با افزایش اندازه ذره، اندازه حبابها کاهش می یابد. بنابراین، انتقال جرم از فاز حباب به تعلیق احاطه کننده و همچنین تعداد حباب ها افزایش می یابد. در نتیجه، تبدیل واکنش فاز گازی کاتالیز شده به صورت ناهمگن نیز افزایش می یابد.
این تاثیر توسط وردر وهارتگ در محاسبات مدل نشان داده شد، که تاثیر عملکرد سیکلون بر واکنشگر FCC نیز مورد بررسی قرار گرفت.
اتلاف ذرات ریز تولید شده از طریق ساییدگی کاتالیزور FCC به هزینه های عملیاتی منجر می گردد. بنابراین بسیاری از تحقیقاتی که در گذشته صورت گرفت، بر تولید ذرات کاتالیزوری با شکنندگی کمتر و ارائه تکنیکهایی جهت طبقه بندی آنها متمرکز گشت (به عنوان مثال Hertwig , Forsythe) اخیراً Xi و Reppenhagen روشهای آزمایشی را جهت اندازه گیری سرعت های ساییدگی کاتالیزور FCC به طور مستقل برای منابع مختلف ساییدگی در بستر سیال ارائه نموده اند. Xi به بررسی ساییدگی ناشی از شیرهای گاز در توزیع کننده گازی و حرکت القایی حباب در بستر سیال پرداخت. یافته های Xi توسط Reppenhagin گسترش یافت که وی نیز ساییدگی در سیکلون ها را مورد بررسی قرار داد.
کلیه این تحقیقات فقط زمانی مورد ارزیابی قرار گرفته اند که سرعت ساییدگی به مقدار ثابتی رسیده بود و از سرعت بسیار بالاتر ساییدگی برای ذرات تازه صرف نظر شد. با وجود این، ساییدگی کاتالیزور در واقع یک فرآیند وابسته به زمان است. به عنوان مثال، Gwyn آزمایشاتش را در دستگاه آزمایشی با مقیاس کوچک از طریق معادله زیر شرح می دهد:
(۱)
که در این معادله جرم کاتالیزور خاک شویی شده را در زمان t نشان می دهد و جرم بستر در t=0 است. پارامتر برای نمونه های مختلف همان کاتالیزور ثابت بود. در حالیکه ثابت ساییدگی ka با اندازه ذره متوسط کاهش می یابد. دیگر همبستگی های تجربی نوع مشابه توسط پیس (pis) و سایرین و Dessalces و سایرین ارائه گردید. عیب چنین همبستگیهایی این است که آنها به تجهیزات ویژه و شرایط عملیاتی خاص که از آن مشتق گشته، محدود می شوند. به دلیل چنین محدودیت هایی، انتقال مستقیم به دیگر تجهیزات و مقیاس بندی به آسانی امکان پذیر نیست.
بنابراین، در این مقاله سعی شده که به شرح و بررسی جداگانه وابستگی زمانی ساییدگی برای مکانیسمهای مختلف ساییدگی رخ داده در سیستم پرداخته شود. بر اساس نتایج آزمایشی، پارامتر سابقه تنش ارائه می گردد که امکان شرح کامل سرنوشت ذره کاتالیزوری در سیستم را فراهم می آورد. شبیه سازی از طریق اندازه گیری های تنظیم و برپایی مدل سرد با ذرات کاتالیزوری FCC تایید می شود.
تعریف راکتور سیکلونی:
راکتورهای سیکلونی راکتورهایی هستند که به وسیله نوسان ذرات فاز ناپیوسته داخل فاز پیوسته سبب افزایش نسبی زمان ماند ذرات ناپیوسته داخل فاز پیوسته می گردند.
کاربرد راکتور سیکلونی در صنعت:
راکتورهای سیکلونی با دو جریان برخورد کننده یکی از رایج ترین انواع راکتورهای برخورد کننده می باشند و در سیستم های جامد-گاز و جامد-مایع کاربرد دارند. از راکتورهای سیکلونی با دو جریان برخوردکننده در موارد زیر استفاده شده است: ۱- خشک کردن ذرات جامد۲- اختلاط گاز-گاز و جامد-جامد۳- انحلال ذرات۵- احتراق گازها
یک راکتور احتراق سیکلونی، از یک محفظه فعل و انفعال محدود به یک دیواره جانبی تشکیل شده که به منظور القاء واکنش احتراق انتشار خودکار برای ایجاد محصولات فلزی با خلوص بالا نظیر تیتانیوم، زیرکونیم، هافنیم یا سلیکون و مواد نیمه رسانا، تغذیه می شوند. این راکتور، به شکل یک راکتور دائمی برای تولید مواد فلزی یا نیمه رسانا با کیفیت بالا، عمل می کند.
نظریه
سیستم بستر سیال می تواند از ترکیب بسترهای سیال، سیکلونها و خطوط برگشت تشکیل شود. یک ترکیب ساده در شکل ۱ ارائه شده است. زمانیکه برای توضیح اثرات مربوط به PSD جامدات در سیستم به یک مدل انعطاف پذیر نیاز است، تقسیم بندی فرعی مدل به مدولها مناسب به نظر می رسد. هر مدول یک دستگاه واحد از سیستم را شرح می دهد و سطح مشترکی را برای انتقال جریانها بین مدولها فراهم می آورد. مدولهای تعریف شده در اینجا، بستر سیال، سیکلون و خط برگشت
می باشند. اثرات مربوط به اندازه ذرات در مدولها ساییدگی و طبقه بندی است.
خط برگشت به صورت یک لوله شاغولی مدلسازی می شود، جایی که جامدات را می توان در آن جمع کرد. تصور می رود که رژیم جریان هدایت کننده یک جریان دوشاخه است. تراکم و تجمع بر اثرات وابسته به زمان تاثیر دارد. علاوه بر مدول خط برگشت، فقط مدول بستر سیال قادر به تجمع جامدات می باشد.
محاسبه دینامیک سیستم به گونه ای صورت می گیرد که مدولها با شرایط تعریف شده از قبیل جرم موجودی، توزیع اندازه ذره، توزیع سابقه تنش، نوع جامدات و پارامترهای ویژه مدل آغاز می شوند. پس مدولها به صورت متوالی با مراحل زمانی از پیش تعیین شده طول محاسبه می شوند، تا زمانیکه یا به حالت پایا برسند و یا زمان عملیاتی کل منتقضی شود.
منابع
۱. احمدی مروست، مهدی؛ «مدلسازی و کاربرد راکتورهای با جریان برخورد کننده در واکنش های زیستی»؛ پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، ۱۳۷۷.
۲. علیزاده، رضا؛ «مدلسازی واکنش های گاز-جامد کاتالیستی در رآکتورهای با جریان برخوردی» پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، ۱۳۸۱.

۳.De Vries RJ, van Swaaij WPM, Mantovani C, Heijkoop A. Design criteria and performance of the commercial reactor for the shell cho¬rine process. Proc of the 5th Europ Symp on Chern React Eng. Am¬sterdam: Elsevier; 1972:39-59.
۴. Pell M, Jordan SP. Effects of fines and velocity on fluidized bed re¬actor performance. AIChE Symp Ser. 1988;84(262):68-73.
۵.Cheng L. Chen B, Liu N, Luo Z, Cen K. Effect of characteristic of sorbents on their sulfur capture capability at a fluidized bed condi¬tion. Fuel. 2004;83:925-932.
۶. Hilligardt K. Werther J. Influence of temperature and properties of solids on the size and growth of bubbles in gas fluidized beds. Chem Eng Technol. 1987;10:272-280.
۷. Sit SP, Grace JR. Effect of bubble interaction an interphase mass transfer in fluidized beds. Chem Eng Sci. 1981;36:327-335.
۸. Werther J, Hartge E-U. Modeling of industrial fluidized-bed reactors.
Ind Eng Chern Res. 2004;43:5593-5604.
۹. Forsythe WL, Hertwig WR. Attrition characteristics of fluid cracking catalysts.Ind Eng Chem. 1949;41:1200-1206.
۱۰. Xi W. Katalysatorabrieb in Wirbelschichtreaktoren. Hamburg, Tech¬nical University Hamburg-Harburg; 1993. PhD thesis.
۱۱. Reppenhagen J. Catalyst attrition in fluidized bed systems. Aachen:
۱۲.Werther J, Reppenhagen J. Attrition. In: Yang W-C, ed. Fluid-Parti¬cle Systems. New York: Marcel Dekker; 2003:201-237.
۱۳. Gwyn JE. On the particle size distribution function and the attrition of cracking catalysts. AIChE./. 1969;15:35-38.
۱۴.Pis Jl, Fuertes AB, Artos V, Suarez A, Rubiera F. Attrition of coal and ash particles in a fluidized bed. Powder Technol. 1991; 66:41.
۱۵.Dessalces G, Kolenda F, Reymond JP. Attrition evaluation for cata¬lysts used in fluidized or circulating fluidized bed reactors. AIChE: Preprints of the First International Particle Technology Forum, Part 11. Denver, Colorado; 1994: 190.
۱۶.Werther J, Xi W. Jet attrition of catalyst particles in gas fluidized beds. Powder Tech. 1993;70:39.
۱۷.Werther J, Reppenhagen J. Catalyst attrition in fluidized-bed sys¬tems. AlChE.l. 1999;45(9):2001.
۱۸.Reppenhagen J, Werther J. The role of catalyst attrition in the adjustment of the steady-state particle size distribution in fluidized bed systems. In: Kwauk M, Li J, Yang WC, eds. Fluidization X. New York: Engineering Foundation; 2001 :69.
۱۹.Werther J, Wein J. Expansion Behavior of Gas Fluidized Beds in the Turbulent Regime. AIChE Symp. Ser. 90. 1994;301:31-44.
۲۰.Tasirin SM, Geldart D. Entrainment of FCC from fluidized beds – a new correlation for the elutriation rate constants. Powder Technol. 1998;95:240-247.