مدلينگ و شبيهسازي سنتز حلقة آمونياك
اين مقاله طرحريزي و شبيهسازي حلقة سنتز يك آمونياك تحت عمل را توصيف ميكند. براي واحدهاي فرايندهاي مختلف مدلها اصولهاي اساسي استفاده كردن را فرمولبندي ميكند و پارامترهاي ناشناخته از طريق اتصال توليدات آنها با اطلاعات طرح تعيين ميشوند. و سپس مدلهاي مربوط بهم براي سنتز اجزاي حلقه تحت شرايط گوناگون استفاده ميشوند. اثرات نسبت در recycle، فشار حلقه، سرعت جريان گاز recycle ، و غلظت مادة بي اثر در سرعت توليد آمونياك، تغيير كم هيدرژن و سود ناخالص مطالعه ميشود. در بين آنها، نسبت براي منقطع شدن هيدرژن استفاده ميشود. و ارزش مقدار مطلوبش در حدود 2.5 قرار ميگيرد كه بعدا از طريق اجراي طرح و نتايج شبيه سازي تاييد ميشود. در اين ارزش، هر كسي ميتواند به آساني مقدار مطلوب پارامترهاي ديگر براي اطلاعات طرح جمعآوري كند.
مقــــــدمــــه
آمونياك در بين مواد شيميايي توليدي در جهان در گنجايش بالا در رابطه با مصرف وسيعش در كارخانه توليدي مهم است. يك فرايند برجستة توليد آمونياك شامل:
a : توليد از سنتز گاز
b : تراكم گاز با فشار بالا
C : سنتز حلقه كه تغييرش با آمونياك رخ ميدهد، ميباشد. اگر چه دو بخش اوليه اهميت خودشان را دارند،بخشي از سنتز حلقه است كه در راهكرد كنترلي طرح مقطوع است.
از اين رو،كار امروزي بر روي طرحريزي و شبيهسازي سنتز حلقة آمونياك در تمركز عمل قرار دارد كه ذخيرة نفت را بعنوان منبع هيدرژن استفاده ميكند. شكل 1 ، يك نمودار سادة سنتز حلقة تحت برسي را نشان ميدهد كه تحت فشار 500*10 paـ300 *10 عمل ميكند.
گاز توليدي از تغيير دهنده با 453 K از ميان ديگ بخار گرماي زياد ميگذرد جاييكه با 413 K سرد ميشود. اين جريان از ميان متراكم كننده ميگذرد و بعدا در دماي زير نقطة شبنماش سرد ميشود. پس تركيب گاز و مايع از متراكم كننده وارد دفعكننده ميشود كه در آنجا با گاز فشرده تازه تركيب ميشود و آمونياك مايع از گاز جدا ميشود. اين گاز مجددا ميچرخد و به تغييردهنده ميرسد. خوراك جديد در حدود K 308 است. و شامل هيدرژن و نيترژن با ويژگيهاي استوكيومتري براي جمع شدن با مقادير كم آرگون و متان ميباشد. آمونياك مايع جداشده در ظرف دفعكننده در يك ظرف و ستون كاهش يافته در حرارت جريان مييابد كه در آنجا فشار بطور رضايتبخش براي دفع گازهاي قابل حل كاهش مييابد. توليد ظرف كاهش يافتة از حرارت و شدت 99% آمونياك، مايع خالص است.
بخارهاي خالص گوناگون مشخص شده در شكل 1 براي نگهداري مادههاي بياثر در سيستم براي حداقل سطح، البته به قيمت آزادي بخش هيدرژن، لازم هستند.
امروزه در مطالعه مدلهاي رياضياتي واحدهاي تكي در سنتز حلقه بر اساس اصولهاي فيزيكي و شيميايي متعلق به پديدة رخ داده در هر كدام از آنها پيشرفت ميكند. پارامترهاي مدل ناشناخته از طريق اتصال توليدات مدل اطلاعات طرح ثابت جمع شده در طول زمان ايجاد ميشوند. مراقبت براي ايجاد چنين پارامترهايي كه از نظر فيزيكي در همة جنبهها ثابت هستند، اجرا ميشود. مدلهاي پيشرفتهاي براي واحدهاي مختلف در داخل بهم متصل هستند و براي تحريك كنش، تحت شرايط مختلف در داخل استفاده ميشود و با توجه به سرعت توليد آمونياك آن را به حد مطلوبي ميرساند. واضح خواهد شد كه نظرية منطبق در اين مطالعه بر اساس نوشتن برنامههاي كامپيوتري واحدهاي حلقههاي تكي كه به نسبت هر بستهبندي تعديل كننده همانطور كه توسط ( فلور واتهيد 1973 و مونارد 1975 ) مرور شد، ميباشد. آن روش براي پيوستن به جزييات خيلي بيشتر با هدف مهيا كردن ديد بهتر در فرايند ممكن ميباشد.
اطلاعات طرح
اطلاعات طرح در دو دورة مختلف طي مدت زمان معين تقريبا دو سال براي روزهاي متوالي در هر دوره و در فاصلههاي معين در سه تغيير عمل در هر روز جمع ميشوند. در سيستم فشار بالا، هيچ كدام از اندازهگيريهاي جريان در طرح مهيا نميشوند. بجز آنهايي كه سرعت توليد آمونياك را اندازهگيري ميكند.
بعلاوه اندازهگيريهاي زير قابل قبول هستند:1- دماهاي جريانهاي و دماهاي بستر تبديلكننده، 2- فشارهاي جريانهاي، نقطة شبنم 3- تجزية بخارهاي
اطلاعات 1 تا 5 بيانگر ثبت قابل قبول لا تواناييFlow sheet منظم ميشود. شكل 2 در مطالعة طرحريزي و شبيهسازي استفاده ميشود.تركيب و دماي جريان A1 از طريق محاسبة نقطة شبنم تخمين زده ميشودسپس تركيب و دماي جريانهاي خروج، نقطه شبنم و نسبتهاي بايع به بخار آنها بطور موفقيتآميز از طريق تبخير زودگذر محاسبه ميشوند. در چرخة سيستم يك ( شكل 1 ) تعادلهاي نيترژن و متان سرعت جريانهاي F,P1 را مهيا مي كنند.اين اجزاهاي ويژه حقيقتهايي را انتخاب ميكنند كه 1- تعداد كلي مولها در معرض واكنش شيميايي در تبديلكننده كاهش مييابد، 2- موازنههاي تركيبكننده براي نيترژن و هيدرژن نميتواند مستقل باشد 3- در برسيهاي طرح تنها مقدارهاي هيدرژن، متان و آمونياك را معين ميكنند. در سيتم فرعي 2 ( شكل 1 )از آنجايي كه هيچ واكنش شيميايي رخ نميدهد، بنابراين موازنة كلي و هر موازنه جزء منفرد، سرعتهاي جريانهاي F1,P را مهيا ميكند.
تبديل كننده
در تبديل كننده واكنش كاتاليستي زير رخ ميدهد:
N2+3H2=2NH3
از آنجايي كه در دماهاي ارزيابي شده ، رها كننده مقدار زياد گرما رخ ميدهد، اين گرما براي بدستآوردن يك تغيير كلي قابل قبول به خوبي براي محافظت كاتاليست برطرف ميشود. در همان زمان انرژي رها شده ميتواند براي گرم كردن خوراك ورودي گاز با دماي مناسب واكنش استفاده شود. بهمين دليل يك تبديل كننده آمونياك، خود محافظ است. همانطوريكه توسط ( وان هردن ) نشان داده شد،فرايند خودگرما داراي راهحلهاي ثابت مضاعف ميباشد، از اين رو عملكرد ثابتش كاملا قطعي است.
تغييردهندگان آمونياك در طرحهاي مختلف همانطور كه توسط ( والس ) توصيف شد، سودمند هستند. طرحريزي آنها با توجه طول 3 دهه آخر دريافت شده است. Annable 1952) از اولين كساني بود كه طرحريزي راكتور ثابت را از طريق استفاده از معادلة سرعتTemkin_Pyzhev معروف، مطالعه ميكند،تاثير زياد بر روي پارامترهاي عايق گرما قرار ميگيرد.kjaer 1958 نيز يك مدل براي نوع ( هابز ـ بوش ) از راكتور، از طريق محاسبة گوناگونيها در دماها در هر دو جهتهاي طولي و شعاعي فرمولبندي ميكند.Zayaranyi 1962 نيز يك مدل ثابت را براي نوع ( هابز ـ بوش) تبديلكننده پيشرفت ميدهند.Baddour مدل سادهاي براي راكتور TvA ، بيانگر دماهاي طرح و سرعت توليد آمونياك در حدود 15 تا 20 درصد است، گزارش ميكنند.Shah 1965 نيز طرح تغييردهنده نوع ( هابزـ بوش)را گزارش ميدهد، هدف اوليه آنها براي مشاهده كردن اثر گوناگونيهاي مختلف در ثبت عملكرد تغيير دهنده است. بعدا، Shah مطالعه شبيهسازي را بر روي تبديلكننده نوع آرامكننده با همان هدف انجام ميدهد.Almasy 1967 بر روي جنبههاي طرح تبادل گرمابخشي از NEC,TVA و تبديلكنندگان لولهاي ساده جريان متقابل تمركز دارد.Paavo urenenn 1971 طرحريزي تبديلكنندة نوع آرامكننده را گزارش ميدهد كه گوياي كنترل تصفية مطلوب حلقه است.Kuber 1974 مدلي را براي تبديلكنندة نوع آرام كننده جريان شعاعي را پيشرفت ميدهد.Gains 1977 پيشرفت اساسي در فعاليت مفيد از طريق نگهداري دماهاي مطلوب در تبديلكنندة نوع آرامكننده را نشان ميدهد.Saraf , singh 1979 به اثرات انتشاري درون منفذهاي كاتاليست براي توصيف معادلة سرعت سنتز براي كاتاليستهاي مختلف، توجه ميكنند.آنها بطور كلي موفقيت خوبي را بين اطلاعات طرح و نتايجشبيهسازي براي هر دو راكتورهاي اتوترمال و آنهايي كه داراي بسترهاي كاتاليست عايقگرما با سردكننده داخلي هستند، پيدا ميكنند.امروزه در مطالعه، نوعCasale تغيير دهنده دخالت ميكند، كه در ساختار نشان داده شده در شكل 3 خيلي پيچيده است. آن شامل دو فضاي حلقوي ( كانالهي 1و4) دربرگيرندة سبد كاتاليست ميباشد.در بستر كاتاليست ( كانال 3 )، 84 لولة سرد كننده ( كانال 2 )35 mm.d, 30 mm.i.d در بالاترين قسمت3 گوشه 85 mm مرتب ميشوند.ذرات جلورفته كاتاليست اكسيد آهن از اندازه 12 to 21 mm در كنار لولههاي سرد كننده منظم ميشوند. تعدادي لولهها محتوي گرمكنندگان الكتريكي براي استفاده در طول مبدا هستند، مابقي لولهها براي پذيرفتن جريان يكنواخت گاز در همه لولهها ميانههاي مشابه دارند. درون و بيرون قطرهاي سبد كاتاليست بطور نسبي 928 , 948 mm هستند.
1
2
3
4
5
6
در بيرون سبد، ميلههاي 8 mm قطري براي تشكيل helice ها بهم ميپيوندند كه بعنوان تحريككنندگان متلاطم در كانال 4 عمل ميكنند. helice هاي مشابه در كانال 1 موجود هستند. در كانالهاي 1و2 گاز تركيبي ( مخلوط شده ) در طول جريانش گرم ميشود. گرماي گاز مخلوط شده با Cold-shot به بستر كاتاليست وارد ميشود. بعد از واكنش توليد گاز از ميان كانال 4 ، جريان مييابد و گرما را به گاز مخلوط شدة وارد شونده انتقال ميدهد. در نوشتن معادلات مدل، درجههاي دماي شعاعي و درجههاي مربوط به غلظت در نتايج گزارش شده توسط Kjaer ناديده گرفته شدهاند. هر انتشار محوري از آنتالپي ( مقدار نيروي دروني جسم و حاصل حجم آن در فشار آن )در جنبة نتايج بدست آمده توسط Emery ناديده گرفته ميشود. از آنجايي كه مخلوط گاز در سرعت سريع و كافي جريان مييابد، زمان اقامتش چند ثانيه است، اطلاعات اضافي اهميت عملي توسط ساختن مدلي خيلي پيچيده در شكلي از معادلات متفاوت جزيي قابل قبول نخواهند بود، از اين رو زمان بعنوان يك متغير بحساب نميآيد. بنابراين مدل ثابت پيشرفته شامل معادلات متفاوت معمولي زير مي باشد كه انتقال توده گرما را درون كانالهاي تغيير دهنده توصيف مي شود.معادلات 1 تا 4 تغيير دما را در امتداد طول تغيير دهنده در كانالهاي 1 تا 4 توصيف مي كنند.معادلات 5 سرعت تغيير كم هيدروژن در بستر كاتابوليت را مشخص مي كند. معادله 6 براي آوردن ارتباط نزديك بين دماهاي مشاهده شده و حساب شده بستر معرفي ميشود. جزئيات با توجه به راه حل معادلات بالا ، پارامترهاي معروف ، و ايجاد پارامترهاي ناشناخته درجاي ديگر شخص مي شوند. بعلاوه اطالاعات مختصر در پاياه بيان مي شود. تاكيد بيشتر براي پاسخ به اندازه گيري هاي دقيق و قابل قبول از طرح پذيرفته مي شود قبل از اينكه مدل تغيير دهنده درمطالعه شبيهسازي حلقه داخل شود. شكل 4 يك ارتباط برجسته به دست آمده از دماهاي بستر كاتالسيت را نشان مي دهد.
VLE
ارتباطات موازنه بخار ـ آب براي آمونياك با وجود آلودگيها ( يعني CH3 , Ar , H2 , N2 )به طرح ريزي ديگر واحدهاي حلقه مثلاً متراكم كننده ، دفع كننده ، ستون كاهش حرارت و ظرف (درام) احتياج دارند. اطلاعات مفيد و زياد (VLE) براي نويسندگاني از فروشندگان طرح در نظم k 323-273 و Pa 105 × 490- 105 × 49 با نسب مولكولي مرحله بخار H2 : N2 : Ar: CH4 مساوي با 46/0 : 19/0 :1/3 مفيد هستند اينها از طريق ارزيابي ضريب هاي فوگاسيته مرحله بخار مصرف كنند. معادله Reding – Kwong با يكي از پارامترايش براي محاسبه موازنه در جاي ديگر مشخص مي شود. 3 غلظت برجسته مرحله بخار در موازنه با مرحله مايع در جدول Iمشخص مي شود.
متراكم كننده :
متراكم كننده آمونياك در حلقه تركيبي يك حفاظ عمودي و نوع لوله بدون هيچ آشفتگي است. تراكم درون لولههايي در فشار بالا رخ مي دهد و يك پديده پيجيده است.به خاظراينكه انتقال گرما و توده بلور همزمان به خوبي حل اجزاهاي ديگر در آمونياك متراكم صورت مي گيرد. در اصل ، براي يك طرح ريزي شديد حركتي توده هاي انتقال دهنده توده را از همه تركيبات هاي موجود را به حساب مي آورد.
از اين رو ، ناهماهنگي ميتواند از ضريبهاي انتقال توده محاسبه شده براي سيستم چند تركيبي مورد نظر ، با استفاده از ارتباطهايي مانند آنهايي كه توسط « بيرد» (1960) يا «تريال » (1968) در معرض حداقل معادلات (1+ n ) مفيد براي تعيين توده هاي n ناشي شود . در همان زمان ، ضريبهاي متفاوت Stefen – Mauwell مي توانند حل شوند. اما براي سيستم 5 جزئي راه حل آنها كاملاً مشكل است .از آنجايي كه قابليت حل كلي عدم تركم در آمونياك بيشتر از 5 درصد نيست ، نظريه ساده اي در اينجا پذيرفته مي شود، آن بر اساس غلظت موردنظر آمونياك به تنهايي گار متراكم كننده به عنوان يك سيستم دوتايي آمونياك و غير قابل تراكم توجه كنيد، معادلات مدل زير براي طول متفاوت متراكم كننده نوشته مي شوند ، كه به طولاني دماي سطح داخلي كه بر روي دماي اشباع گاز باقي ميماند ، قابل اجرا هستند .
پس دماي سطح داخلي Td از طريق معادله 9 محاسبه مي شود. تراكم به زودي دماي سطح داخلي كاهش يافته به زير دماي اشباع بخار شروع مي شود.در آن مورد معادلات زير قابل اجرا هستند.
در معادله 10 ، 5 يك عامل اصطلاح ، شناخته شده به عنوان اصلاح (Acker man) براي نگهداري اثرات گرماي حساس بين مرحله گاز توده و سطح داخلي ، است. به منظور تعيين Td كه در اين مورد زير دماي اشباع است ، يك موازنه سرعت جريان گرما به صورت زير ساخته مي شود.
Hc(Td-Tc)=ht(T0-Td) +N1M1 + Dq 13
براي بخشي كه در آن فيلم خلاصه شده قبل از ان به وجود آمده .
14
Dq= 15
از اينرو براي بخشي كه تراكم شروع مي شود Dq =0 , hc=hs
ضريب هاي انتقال دهنده گرما :
در معادله 14 ، سرد كننده ضريب انتقال دهنده گرمايي بين سرد كننده و سطح داخلي (hs) و ناپاكي و مقاومتهاي ديواره لوله است . براي يك متراكم كننده مغشوش ، يك ارتباط توسط( kem (1950) براي ارزيابي (hs) مشخص مي شود. اما براي يك متراكم كننده بدون اغتشاش ، كه يك مورد موجود است ، هيچ ارتباط مجزا سودمند نمي باشد. بنابراين ، همان نوع ارتباط مي تواند توسط معرفي عامل اصلاح « C» جهت تعيين توسط توليد يك ارتباط با اطلاعات طراحي تعيين مي شود، ارتباط به شكل زير است .
16
براي 2100( > De(Gw/
17
18
19
ارتباطات براي ضريبهاي h1 , ht از M sadams , Kern به طور نسبي قابل قبول هستند.
سرعت جريان توده :
به منظور محاسبه سرعت جريان توده «N1 »معادله زير استفاده مي شود. از اين رو در معادلات مدلينگ بالا براي متراكم كننده تنها پارامتر ناشناخته C در معادله 16 است كه از طريق اتصال مدل توليد با اطلاعات طرح تعيين مي شود. اندازهگيريهايي طرح، دماي گاز توده ، To در خروج تراكم كننده سودمند هستند.
بنابراين با پراكندگي مقدار اوليه C ، چندين آزمايش براي تصحيح ارزشش از طريق توليد يك ارتباط بين مقادير توليد To حساب و اندازه گيري شده ، ساخته مي شوند. به همين دليل معادلات مدل از بالا تا پايين متراكم كننده با استفاده از روش Euler و بر طبق فرايند مشخص در شكل 5 يكپارچه مي شوند. بهترين ارتباط به دست آمده براي اطلاعات منظم شده از 1 تا 5 مشخص شده در جدول 2 ، مقدار مناسب C در معادله 16 را ارزيابي مي كند.
خصوصيات فيزيكي
چندين خصوصيات براي حل معادلات مدل تبديل كننده به خوبي متراكم كننده نياز دارند ، ارتباطات براي گرماهاي ويژه اجزاهاي منفرد گرماي و واكنش بر اساس آمونياك توسط Shah مشخص مي شوند. گرماي ويژه مخلو گاز از طريق خلاصه كردن سمهاي Molal تركيبات ارزيابي مي شود.
حمهاي مولكولي نيتروژن ، هيدروژن و متان از Perry مفيد هستند و براي ارگن يك معادله از Reid و «شروود» مصرف مي شود. براي قابليت هدايت گرمايي آمونياك مايع ، چسبناكي ، گرماي ويژه ، چگالي، فشارهاي بخار و اطلاعات جانبي گرما از بحث هاي بحراني بين الملل با چندفرمولي هاي مناسب منطبق ميشوند. براي محاسبه چسبناكي و قابليت هدايت گرمايي تركيب شديد ، فرياند مشخص شده توسط Kjaer بكار مي رود آنها ثبات هاي اصلي از Perry هستند. ضريب انتشار آمونياك در عدم تراكم از ارتباط Gilliland بدست مي آيد.اين از طريق Pm چگالي تركيب ، همانطور كه از معادله Rk تخمين زده مي شود و براي به دست آوردن ضريب انتشار مرحله توده Bb مورد نياز در معادلات 20 و 22 دوبرابر مي شود.
دفع كننده
يك دفع كننده مرحله منفرد متصل به يك استوانه عمودي توليد متراكم كننده را با گاز تركيبي تازه تركيب مي كند. و اخيراً به عنوان مايه اوليه مصرف مي شود. قسمت مايع از توليد متراكم كننده شديد بايد موازنه هاي جريان آنتالپي و نيروي حركت آني را در نظر بگيرد . ازاين رو ، محاسبات اوليه نشان مي دهند كه كاهش فشار بر روي حلقه به اندازه كافي براي درنظرگرفتن هر موازنه توده پايين است .از اين رو اين مدل شامل معادلات زير است :
O.M.B
Fv+F1+F = Fr +Fe 23
C.M.B
Fvyvi+F1x1i+Fyfi = Fryi +FexI 24
آهنگ ( جريان ) مايع / بخار
R=Fe/Fr 25
Energy balance
26
فرايند تكراري براي حل معالات 23 تا 26 در شكل 6 نشان داده شده است. ارتباط موازنه بخار ـ مايع مشخص شده توسط Reddy و Husain بكار مي رود. ميانگين ارزشهاي تركيبات گاز چرخشي اندازه گيري شده براي مجموعه اطلاعات مختلف در جدول 3 با آنهايي كه در ارزشهاي ميانگين فشار محاسبه شده اند و دفع كننده شرايط راه دخول هستند، مقايسه مي شوند، آن موافقت رضايت بخشي را را دقت اندازه گيري نشان مي دهد.
استوانه و ستون كاهش حرارت و شدت
اين محاسبات فور عادي ، كه در ان ارتباطات VLE توسط Reddy و Husian مشخص شده اند، استفاده مي شوند.
شبيهسازي حلقه :
همه مدلها براي واحدهاي حلقه منفرد فرمول بندي مي شوند و اعتباز آنها چك مي شوند ، اكنون انها براي تحريك كنش كلي حلقه تركيبي ازتباط دالي دارند. 4 پارامتر مستقل براي كثال (1) نسبت H2/N2 در گاز چرخشي (2) فشار حلقه ، (3) سرعت جريان چرخشي و (4) غلظت راه دخول در گاز چرخشي ، براي بررسي اثر هركدام از آنها در هر زمان شناسايي مي شوند : (a ) سرعت توليد آمونياك (b ) تغيير كم H2 و(c ) نسبت به سود بخشي .
در هر مورد ، سود عمده در ابتدا ازمعادله (27) حساب مي شود. ( در روز / قيمت املاح) ـ ( در روز / قيمت مختصر ) ـ ( در هر روز / بازده قابل فروش ) = در هر روز / سود خالص ارزش اصلاح هر تن گاز از طريق نظم طراحي مهيا مي شود. ارزش مختصر از يك ارتباط اطلاعات طراحي در شرايط فشار نهايي تراكم و سرعت جريان گاز بدست مي آيد.
سپس ، پذيرفتن سود خالص هر روز از شرايط 3 مجموعه اطلاعات بعنوان يك واحد ، نسبت كلي در شكل 7 ديده مي شود و نتايج در اشكال 8-11 طرح ريزي مي شود. از شكل 8 واضح است كه نسبت H2 /N2 مساوي با 5/2 در گاز چرخشي بهترين نسبت است . و حداكثر سرعت توليد آمونياك را به خوبي سود بخشي مهيا مي كنند. نتيجه مشابهي در بررسي در شبيهسازي سازي توليدكننده قبل از ثبت بدست مي آيد و همچنين با نتايج Ganis بريا تغيير دهندگان عمل كرده در فشارهاي پايين تر مطلبقت مي كند . شرايط مطلئب عملكرد با نيتروژن زياد نسبت «استيو جيميتريك» در عملكرد طرح همانطور كه در مقاله Gremillion ديده شده ، تشخيص داده مي شود. شكل 9 اثر فشار حلقه در نسبت مطلوب H2/N2 و سرعت چرخشي و غلظت ماده هاي بي اثر ثابت در اطراف شرايط مجموعه 3 اطلاعات نشان مي دهد.
همانطور كه پذيرفتيم ، افزايش در فشار براي موازنه واكنش مطلوب است ، از اين رو تغغير كم H2 مماس ازلي مي شود در حاليكه دو منحني ديگر به وضوح يك فار مطلوب با توجه به تغيير كم H2 در ارزشهاي ثابت فشار حلقه ، نسبت H2/N2 و عوامل بي اثر ، اشاره مي كند.
از شكل 11 واضح است كه يك كاهش شديد در همه سه مقدار پارامتر بالتر از 10 درصد غلظت ماده بياثر است، در حاليكه هيچ مزيت خاصي وجود ندارد كه زير 7 درصد عوامل بياثر براي نگهداري سرعتهاي خالش افزايش بدهد. در استراتژي شبيهسازي حلقه ( شكل 7 ) روش ساده Melder-Meal براي توصيف دماهاي اوليه براي راه ورود بستر تغييردهنده و توليد گاز بكار ميرود. بهمين دليل، يك كار هدفدار شامل خلاصهاي از جذرهاي اختلاف بين دماهاي بالا در كانالهاي 1و2و3و4 تغيير دهنده، كاهش مييابد.برنامه كاهش در يك مور برجسته در شكل 12 ديده ميشود، كه ادغام در دومين تكرار و انعكاس در سومين تكرار رخ ميدهد.
نتيجهگيري
بررسي شبيهسازي گزارش شده از سنتز حلقة آمونياك بر اساس طرح ريزي جزيي و كافي هر واحد فرايند و معتبر كردن مدلها از طريق ارتباط با اطلاعت واقعي طرح ميباشد. نتيجه حاصل شده كه نسبت H2/N2 در گاز Recyle در حدود 2.5 برابر مقدار مطلوب است كه بعدا از طريق نتايج شبيهسازي تاييد ميشود.در اين مقدار نسبت H2/N2 و براي طرح ويژه، هر كسي ميتواند به آساني مقادير مطلوب را براي پارامترهاي ديگر از طريق شبيهسازي مشابه پيدا كند.
شبيهسازي راكتورهاي سنتز آمونياك
يك روش عملي براي محاسبة اثرات انتشاري درون منفذهاي قرض كاتاليست در يك واكنش پيچيده، پيشرفت كردهاند. معادلات سرعت براي بيان سرعت واكنش بر روي كاتاليستهاي سنتز آمونياك با ساخت متفاوت انتخاب شدهاند.اين، در ارتباط با روش پيشرفتهاي براي محاسبة عوامل مؤثر براي بدست آوردن مدل رياضي براي راكتورهاي سنتز آمونياك استفاده ميشود.راكتورهاي داراي بستر كاتاليست آدياباتيك با سرد كنندة داخلي به خوبي راكتورهاي گرمايي اتوترمال مورد توجه هستند. بطور كلي اطلاعات اقتصادي و نتايج شبيهسازي امروزه مورد توجه هستند.
سنتز آمونياك از هيدرژن و نيترژن يكي از سادهترين واكنشهاي سنتيكي است.سنتز ساده است و هيچ واكنش فرعي وجود ندارد و توليد ثابت است.خصوصيات فيزيكي و ترموديناميكي واكنشكنندگان و توليدات به خوبي شناخته شدهاند. از اين رو مكانيسم اين واكنش بر روي تركيبهاي كاتاليستي ( كاتاليست آهن ) به خوبي فهميده نميشوند و همين به معادلات سرعت زياد كه همگي در نظم پيچيدهاي هستند، منجر ميگردد.بخاطر پيچيدگي اين معادلات سرعت آن براي حساب كردن مقاومتهاي انتشاري براي انتقال واكنشكنندگان و توليد در منفذهاي كاتاليست مشكل است.همين ـ اشاره به مشكل ـ فوق و همچنين به علت محدود بودن معادلة سرعت، آن را براي دارا بودن يك شرح ـ مدل ـ رياضي از فرايندهايي كه درون راكتور سنتز آمونياك رخ ميدهد، مشكل ميسازد.
از هنگامي كه اولين توليد تجاري در سال 1925 شروع شد،تغيرات بزرگي در طراحي راكتورهاي سنتز آمونياك رخ داد. بيشتر اين تغييرات بر اساس اطلاعات اقتصادي به نسبت پيش، درون فرايندهاي فيزيكي و شيميايي اتفاق افتاده در راكتورها ميباشند.لذا، استفاده از كامپيوترها در طراحي،بهينهسازي و كنترل آن را براي داشتن يك توصيف رياضي طرز عمل لازم و ضروري ميسازد.براي اهداف طرح، بهينه سازي و كنترل مدلهاي شبيهسازي براي تبديل كردن سنتز آمونياك در انواع مختلف پيشرفت كردهاند.
البته با دقت جهت توصيف شرايط عمل راكتور بايد مدل شبيهسازي همة فرايندهاي فيزيكي و شيميايي اتفاق افتاده در راكتور را در نظر بگيريد. در آغاز كار فقط بر روي شبيهسازيهاي تقريبي تلاش كردهاند.
يك مدل رياضي با توجه به همة طرز عملهاي فيزيكي و شيميايي در راكتورها در اين مقاله گفته شدهاند. يك روش براي حل معادات انتقالي جهت ارزيابي عامل مؤثر با دقت بالا در محاسبات مدلي استفاده ميشود.
آناليزهاي سرعت
متون سنتيكي مهندسي شيمي دربردارندة آناليزهاي بيشمار سرعت ميباشند.كه بيشتر آنها تا اوايل سالهاي 1930 گزارش شدند. توسط فرانكلن برگ ( 1933 ) و اميت ( 1932و1940) خلاصه شدهاند. در سال 1940 (تمكين و پيتر هوز ) يك معادلة سرعت را كه يك نظريه سنتيكي رضايتبخشي را براي و سنتز و آناليز آمونياك( NH3 ) ¬با كاناليستهاي دو برابر شدة آهن، پيشرفت دادند.
سپس اين معادلة سرعت در اشكال وسيع شرح داده شد.اگر چه تعداد اشكال در مورد اصل كلي معادله افزايش يافتهاند. در اين مورد، معادله بصورت زير آمده است:
=K2 ka fN2 -
كه:
سرعت واكنش rNH3=( )
k2= ثابت سرعت واكنش معكوس( )
f N2,f H2.f NH3 فوگاسيته نيترژن، هيدرژن و آمونياك بطور نسبي هستند.Ka برابر با ثابت موازنة واكنش:
1.5 H2 +.5 N2 ------ NH3
و a هم يك ثابت است.
طبق نظر محققان اوليه a براي همه كاتاليستهاي آهن 0.5 است. ديگر مقدارهاي بدست آمده از 0.4 تا0.8 است.
¬با دارا بودن مقدارهاي مختلف a ، اكثر نويسندگان پيشنهاد ميكنند كه آن به ويژگيهاي كاتاليست بستگي دارد كه آن بطور قابل توجهي ظاهر ميشود كه كاتاليستهاي متفاوت را در اندازههاي ترقيدهندة آنها و خصوصيات فيزيكي متفاوت ميسازد.بنابراين، اختلاف همين محدوده را در مقدار a براي همان عمل كاتاليست تحت دو شرايط متفاوت گزارش شده است.حتي براي set هاي اختياري بر روي همان كاتاليست، مقدارهاي a ، تفاوتهاي مشابهاي را نشان ميدهد. بطور كلي براي ارزيابي a ، k2¬ بعنوان تابع دما در شكل معادلة آرنيوس بيان ميشود:
=
كه :
: ثابت است.
E2 : انرژي اكتيويته است.
Rg : ثابت گازهاست.
T : دماي مطلق است.
پس نتايج تجربي با k20,k2,a بعنوان پارامترها،مناسب ميشوند.(سازگار و صادق ميشوند.)
چنين روش ارزيابي ميتواند به گوناگونيهايي در مقدارهاي a با تغيير مربوط به مقدارهاي k2, k20 منجر گردد. پيشنهاد شده يك ارتباط خطي بين مقدار log k2,a وجود دارد .همين نشان ميدهد كه براي متفاوت كردن اثر خصوصيات كاتاليست يا اندازة ترقيدهندة آنها مربوط به اشتباهات اندارهگيري يا روش محاسبه، مشكل است. بر همين اساس پيشنهاد ميكنند كه مقدار ثابت a ،مستقل از كاتاليست ساخته شده، ميتواند استفاده شود.به همين خاطر ، براي يك مقدار ثابت a ، پارامترهاي ديگر k¬20 و E2 براي دو كاتاليست، بر روي مدل تست شده قابل قبول نيستند مقادير استفاده شده براي كاتاليست Montecatini Edison عبارت است از:
a=0.55 , E2=39057 kcal/ kmol) , log K =14.7102
هستند و معادلة سرعت عبارت از :
rNH3 = exp (2.303 * 14.7102- ( ) [ Ka * N2 * ( ) - ( ) ]----------3
و براي كاتاليست Halder Topsoe:
a=0.692 , E2=42893 kcal/ kmol) , log K =15.2059
معادلة سرعت، معادلة شماره 4:
rNH3 = exp (2.303 * 15.2059- ( ) [ Ka * N2 * ( ) - ( ) ]----------4عوامل مؤثر: گفتههاي بالا، سرعت حقيقي واكنش، يعني سرعت واكنش براي ذرات كوچك كه در آن هيچ مقاومتي براي انتقال جرم يا گرما به سطح فعال وجود ندارد، را نشان ميدهند. بهمين خاطر ذرات كاتاليست صنعتي خيلي بزرگ در معرض انسداد انتشاري در ساختار منفذدار آنها هستند. اين اثر ميتواند با مراقبت از طريق عامل مؤثر (( )) را بپذيرد كه بعنوان سرعت كه در آن واكنش در گلولة تقسيم شده از طريق سرعتي كه واكنش در آن اتفاق خواهد افتاد، رخ ميدهد تعريف ميشود. اگر غلظت و دماي سرتاسر گلولهها، همانطوري باشد كه در سطح بيروني است. يعني :
[ مولاريتة جريان iدر عرض سطح ]*[ ناحيه
حجم گلول
چندين محقق ( Bokhoven , van Raayen 1954;Kubota , Shino 1956; Kubota et al..1959;Nielsen 1968;Dyson , symon 1968 ) اين عامل را بر واكنش سنتز آمونياك محاسبه كردهاند. در همة اين محاسبات بجز آنهايي كه مربوط به ( دايسون و سيمون 1968 )ميشود، با نيروهاي جنبشي اولين…. استفاده ميشود يا شرايط جريان بالك در معادلات، براي انتقال درون گلوله كاتاليست از بين ميروند. (دايسون و سيمون 1968 ) اين مشكل را از طريق همة جنبههاي مربوط فرمولبندي و ضابطهمند كردهاند اما براي حل آن درون محدوديتهاي زماني محاسبه شده و عملي بودند، لذا آنها استفاده از ارتباط تجربي براي بدستآوردن عوامل مؤثر پيشنهاد دادهاند. پيشرفت معادلات انتقال براي دنبال كردن، با آنهايي كه توسط دايسون و سيمون( 1968) انجام شدهاند مشابه هستند. ذرات كاتاليست با فرض كروي بودن و ايزوترمال بودن فرض ميشود. (Nielsen 1968 و prater 1958 )نفوذ Knudsen ناديده گرفته ميشود و ضريبهاي نفوذ هر جزء جدا از موقعيت درون ذره فرض ميشوند. معادله6 واكنش مورد توجه براي پيشرفت معادله نفوذ است.
NH3----------------------------6
معادلة 7 يك موازنه ملكولي براي جزء نامشخص است.
-----------------7
اين مقاله طرحريزي و شبيهسازي حلقة سنتز يك آمونياك تحت عمل را توصيف ميكند. براي واحدهاي فرايندهاي مختلف مدلها اصولهاي اساسي استفاده كردن را فرمولبندي ميكند و پارامترهاي ناشناخته از طريق اتصال توليدات آنها با اطلاعات طرح تعيين ميشوند. و سپس مدلهاي مربوط بهم براي سنتز اجزاي حلقه تحت شرايط گوناگون استفاده ميشوند. اثرات نسبت در recycle، فشار حلقه، سرعت جريان گاز recycle ، و غلظت مادة بي اثر در سرعت توليد آمونياك، تغيير كم هيدرژن و سود ناخالص مطالعه ميشود. در بين آنها، نسبت براي منقطع شدن هيدرژن استفاده ميشود. و ارزش مقدار مطلوبش در حدود 2.5 قرار ميگيرد كه بعدا از طريق اجراي طرح و نتايج شبيه سازي تاييد ميشود. در اين ارزش، هر كسي ميتواند به آساني مقدار مطلوب پارامترهاي ديگر براي اطلاعات طرح جمعآوري كند.
مقــــــدمــــه
آمونياك در بين مواد شيميايي توليدي در جهان در گنجايش بالا در رابطه با مصرف وسيعش در كارخانه توليدي مهم است. يك فرايند برجستة توليد آمونياك شامل:
a : توليد از سنتز گاز
b : تراكم گاز با فشار بالا
C : سنتز حلقه كه تغييرش با آمونياك رخ ميدهد، ميباشد. اگر چه دو بخش اوليه اهميت خودشان را دارند،بخشي از سنتز حلقه است كه در راهكرد كنترلي طرح مقطوع است.
از اين رو،كار امروزي بر روي طرحريزي و شبيهسازي سنتز حلقة آمونياك در تمركز عمل قرار دارد كه ذخيرة نفت را بعنوان منبع هيدرژن استفاده ميكند. شكل 1 ، يك نمودار سادة سنتز حلقة تحت برسي را نشان ميدهد كه تحت فشار 500*10 paـ300 *10 عمل ميكند.
گاز توليدي از تغيير دهنده با 453 K از ميان ديگ بخار گرماي زياد ميگذرد جاييكه با 413 K سرد ميشود. اين جريان از ميان متراكم كننده ميگذرد و بعدا در دماي زير نقطة شبنماش سرد ميشود. پس تركيب گاز و مايع از متراكم كننده وارد دفعكننده ميشود كه در آنجا با گاز فشرده تازه تركيب ميشود و آمونياك مايع از گاز جدا ميشود. اين گاز مجددا ميچرخد و به تغييردهنده ميرسد. خوراك جديد در حدود K 308 است. و شامل هيدرژن و نيترژن با ويژگيهاي استوكيومتري براي جمع شدن با مقادير كم آرگون و متان ميباشد. آمونياك مايع جداشده در ظرف دفعكننده در يك ظرف و ستون كاهش يافته در حرارت جريان مييابد كه در آنجا فشار بطور رضايتبخش براي دفع گازهاي قابل حل كاهش مييابد. توليد ظرف كاهش يافتة از حرارت و شدت 99% آمونياك، مايع خالص است.
بخارهاي خالص گوناگون مشخص شده در شكل 1 براي نگهداري مادههاي بياثر در سيستم براي حداقل سطح، البته به قيمت آزادي بخش هيدرژن، لازم هستند.
امروزه در مطالعه مدلهاي رياضياتي واحدهاي تكي در سنتز حلقه بر اساس اصولهاي فيزيكي و شيميايي متعلق به پديدة رخ داده در هر كدام از آنها پيشرفت ميكند. پارامترهاي مدل ناشناخته از طريق اتصال توليدات مدل اطلاعات طرح ثابت جمع شده در طول زمان ايجاد ميشوند. مراقبت براي ايجاد چنين پارامترهايي كه از نظر فيزيكي در همة جنبهها ثابت هستند، اجرا ميشود. مدلهاي پيشرفتهاي براي واحدهاي مختلف در داخل بهم متصل هستند و براي تحريك كنش، تحت شرايط مختلف در داخل استفاده ميشود و با توجه به سرعت توليد آمونياك آن را به حد مطلوبي ميرساند. واضح خواهد شد كه نظرية منطبق در اين مطالعه بر اساس نوشتن برنامههاي كامپيوتري واحدهاي حلقههاي تكي كه به نسبت هر بستهبندي تعديل كننده همانطور كه توسط ( فلور واتهيد 1973 و مونارد 1975 ) مرور شد، ميباشد. آن روش براي پيوستن به جزييات خيلي بيشتر با هدف مهيا كردن ديد بهتر در فرايند ممكن ميباشد.
اطلاعات طرح
اطلاعات طرح در دو دورة مختلف طي مدت زمان معين تقريبا دو سال براي روزهاي متوالي در هر دوره و در فاصلههاي معين در سه تغيير عمل در هر روز جمع ميشوند. در سيستم فشار بالا، هيچ كدام از اندازهگيريهاي جريان در طرح مهيا نميشوند. بجز آنهايي كه سرعت توليد آمونياك را اندازهگيري ميكند.
بعلاوه اندازهگيريهاي زير قابل قبول هستند:1- دماهاي جريانهاي و دماهاي بستر تبديلكننده، 2- فشارهاي جريانهاي، نقطة شبنم 3- تجزية بخارهاي
اطلاعات 1 تا 5 بيانگر ثبت قابل قبول لا تواناييFlow sheet منظم ميشود. شكل 2 در مطالعة طرحريزي و شبيهسازي استفاده ميشود.تركيب و دماي جريان A1 از طريق محاسبة نقطة شبنم تخمين زده ميشودسپس تركيب و دماي جريانهاي خروج، نقطه شبنم و نسبتهاي بايع به بخار آنها بطور موفقيتآميز از طريق تبخير زودگذر محاسبه ميشوند. در چرخة سيستم يك ( شكل 1 ) تعادلهاي نيترژن و متان سرعت جريانهاي F,P1 را مهيا مي كنند.اين اجزاهاي ويژه حقيقتهايي را انتخاب ميكنند كه 1- تعداد كلي مولها در معرض واكنش شيميايي در تبديلكننده كاهش مييابد، 2- موازنههاي تركيبكننده براي نيترژن و هيدرژن نميتواند مستقل باشد 3- در برسيهاي طرح تنها مقدارهاي هيدرژن، متان و آمونياك را معين ميكنند. در سيتم فرعي 2 ( شكل 1 )از آنجايي كه هيچ واكنش شيميايي رخ نميدهد، بنابراين موازنة كلي و هر موازنه جزء منفرد، سرعتهاي جريانهاي F1,P را مهيا ميكند.
تبديل كننده
در تبديل كننده واكنش كاتاليستي زير رخ ميدهد:
N2+3H2=2NH3
از آنجايي كه در دماهاي ارزيابي شده ، رها كننده مقدار زياد گرما رخ ميدهد، اين گرما براي بدستآوردن يك تغيير كلي قابل قبول به خوبي براي محافظت كاتاليست برطرف ميشود. در همان زمان انرژي رها شده ميتواند براي گرم كردن خوراك ورودي گاز با دماي مناسب واكنش استفاده شود. بهمين دليل يك تبديل كننده آمونياك، خود محافظ است. همانطوريكه توسط ( وان هردن ) نشان داده شد،فرايند خودگرما داراي راهحلهاي ثابت مضاعف ميباشد، از اين رو عملكرد ثابتش كاملا قطعي است.
تغييردهندگان آمونياك در طرحهاي مختلف همانطور كه توسط ( والس ) توصيف شد، سودمند هستند. طرحريزي آنها با توجه طول 3 دهه آخر دريافت شده است. Annable 1952) از اولين كساني بود كه طرحريزي راكتور ثابت را از طريق استفاده از معادلة سرعتTemkin_Pyzhev معروف، مطالعه ميكند،تاثير زياد بر روي پارامترهاي عايق گرما قرار ميگيرد.kjaer 1958 نيز يك مدل براي نوع ( هابز ـ بوش ) از راكتور، از طريق محاسبة گوناگونيها در دماها در هر دو جهتهاي طولي و شعاعي فرمولبندي ميكند.Zayaranyi 1962 نيز يك مدل ثابت را براي نوع ( هابز ـ بوش) تبديلكننده پيشرفت ميدهند.Baddour مدل سادهاي براي راكتور TvA ، بيانگر دماهاي طرح و سرعت توليد آمونياك در حدود 15 تا 20 درصد است، گزارش ميكنند.Shah 1965 نيز طرح تغييردهنده نوع ( هابزـ بوش)را گزارش ميدهد، هدف اوليه آنها براي مشاهده كردن اثر گوناگونيهاي مختلف در ثبت عملكرد تغيير دهنده است. بعدا، Shah مطالعه شبيهسازي را بر روي تبديلكننده نوع آرامكننده با همان هدف انجام ميدهد.Almasy 1967 بر روي جنبههاي طرح تبادل گرمابخشي از NEC,TVA و تبديلكنندگان لولهاي ساده جريان متقابل تمركز دارد.Paavo urenenn 1971 طرحريزي تبديلكنندة نوع آرامكننده را گزارش ميدهد كه گوياي كنترل تصفية مطلوب حلقه است.Kuber 1974 مدلي را براي تبديلكنندة نوع آرام كننده جريان شعاعي را پيشرفت ميدهد.Gains 1977 پيشرفت اساسي در فعاليت مفيد از طريق نگهداري دماهاي مطلوب در تبديلكنندة نوع آرامكننده را نشان ميدهد.Saraf , singh 1979 به اثرات انتشاري درون منفذهاي كاتاليست براي توصيف معادلة سرعت سنتز براي كاتاليستهاي مختلف، توجه ميكنند.آنها بطور كلي موفقيت خوبي را بين اطلاعات طرح و نتايجشبيهسازي براي هر دو راكتورهاي اتوترمال و آنهايي كه داراي بسترهاي كاتاليست عايقگرما با سردكننده داخلي هستند، پيدا ميكنند.امروزه در مطالعه، نوعCasale تغيير دهنده دخالت ميكند، كه در ساختار نشان داده شده در شكل 3 خيلي پيچيده است. آن شامل دو فضاي حلقوي ( كانالهي 1و4) دربرگيرندة سبد كاتاليست ميباشد.در بستر كاتاليست ( كانال 3 )، 84 لولة سرد كننده ( كانال 2 )35 mm.d, 30 mm.i.d در بالاترين قسمت3 گوشه 85 mm مرتب ميشوند.ذرات جلورفته كاتاليست اكسيد آهن از اندازه 12 to 21 mm در كنار لولههاي سرد كننده منظم ميشوند. تعدادي لولهها محتوي گرمكنندگان الكتريكي براي استفاده در طول مبدا هستند، مابقي لولهها براي پذيرفتن جريان يكنواخت گاز در همه لولهها ميانههاي مشابه دارند. درون و بيرون قطرهاي سبد كاتاليست بطور نسبي 928 , 948 mm هستند.
1
2
3
4
5
6
در بيرون سبد، ميلههاي 8 mm قطري براي تشكيل helice ها بهم ميپيوندند كه بعنوان تحريككنندگان متلاطم در كانال 4 عمل ميكنند. helice هاي مشابه در كانال 1 موجود هستند. در كانالهاي 1و2 گاز تركيبي ( مخلوط شده ) در طول جريانش گرم ميشود. گرماي گاز مخلوط شده با Cold-shot به بستر كاتاليست وارد ميشود. بعد از واكنش توليد گاز از ميان كانال 4 ، جريان مييابد و گرما را به گاز مخلوط شدة وارد شونده انتقال ميدهد. در نوشتن معادلات مدل، درجههاي دماي شعاعي و درجههاي مربوط به غلظت در نتايج گزارش شده توسط Kjaer ناديده گرفته شدهاند. هر انتشار محوري از آنتالپي ( مقدار نيروي دروني جسم و حاصل حجم آن در فشار آن )در جنبة نتايج بدست آمده توسط Emery ناديده گرفته ميشود. از آنجايي كه مخلوط گاز در سرعت سريع و كافي جريان مييابد، زمان اقامتش چند ثانيه است، اطلاعات اضافي اهميت عملي توسط ساختن مدلي خيلي پيچيده در شكلي از معادلات متفاوت جزيي قابل قبول نخواهند بود، از اين رو زمان بعنوان يك متغير بحساب نميآيد. بنابراين مدل ثابت پيشرفته شامل معادلات متفاوت معمولي زير مي باشد كه انتقال توده گرما را درون كانالهاي تغيير دهنده توصيف مي شود.معادلات 1 تا 4 تغيير دما را در امتداد طول تغيير دهنده در كانالهاي 1 تا 4 توصيف مي كنند.معادلات 5 سرعت تغيير كم هيدروژن در بستر كاتابوليت را مشخص مي كند. معادله 6 براي آوردن ارتباط نزديك بين دماهاي مشاهده شده و حساب شده بستر معرفي ميشود. جزئيات با توجه به راه حل معادلات بالا ، پارامترهاي معروف ، و ايجاد پارامترهاي ناشناخته درجاي ديگر شخص مي شوند. بعلاوه اطالاعات مختصر در پاياه بيان مي شود. تاكيد بيشتر براي پاسخ به اندازه گيري هاي دقيق و قابل قبول از طرح پذيرفته مي شود قبل از اينكه مدل تغيير دهنده درمطالعه شبيهسازي حلقه داخل شود. شكل 4 يك ارتباط برجسته به دست آمده از دماهاي بستر كاتالسيت را نشان مي دهد.
VLE
ارتباطات موازنه بخار ـ آب براي آمونياك با وجود آلودگيها ( يعني CH3 , Ar , H2 , N2 )به طرح ريزي ديگر واحدهاي حلقه مثلاً متراكم كننده ، دفع كننده ، ستون كاهش حرارت و ظرف (درام) احتياج دارند. اطلاعات مفيد و زياد (VLE) براي نويسندگاني از فروشندگان طرح در نظم k 323-273 و Pa 105 × 490- 105 × 49 با نسب مولكولي مرحله بخار H2 : N2 : Ar: CH4 مساوي با 46/0 : 19/0 :1/3 مفيد هستند اينها از طريق ارزيابي ضريب هاي فوگاسيته مرحله بخار مصرف كنند. معادله Reding – Kwong با يكي از پارامترايش براي محاسبه موازنه در جاي ديگر مشخص مي شود. 3 غلظت برجسته مرحله بخار در موازنه با مرحله مايع در جدول Iمشخص مي شود.
متراكم كننده :
متراكم كننده آمونياك در حلقه تركيبي يك حفاظ عمودي و نوع لوله بدون هيچ آشفتگي است. تراكم درون لولههايي در فشار بالا رخ مي دهد و يك پديده پيجيده است.به خاظراينكه انتقال گرما و توده بلور همزمان به خوبي حل اجزاهاي ديگر در آمونياك متراكم صورت مي گيرد. در اصل ، براي يك طرح ريزي شديد حركتي توده هاي انتقال دهنده توده را از همه تركيبات هاي موجود را به حساب مي آورد.
از اين رو ، ناهماهنگي ميتواند از ضريبهاي انتقال توده محاسبه شده براي سيستم چند تركيبي مورد نظر ، با استفاده از ارتباطهايي مانند آنهايي كه توسط « بيرد» (1960) يا «تريال » (1968) در معرض حداقل معادلات (1+ n ) مفيد براي تعيين توده هاي n ناشي شود . در همان زمان ، ضريبهاي متفاوت Stefen – Mauwell مي توانند حل شوند. اما براي سيستم 5 جزئي راه حل آنها كاملاً مشكل است .از آنجايي كه قابليت حل كلي عدم تركم در آمونياك بيشتر از 5 درصد نيست ، نظريه ساده اي در اينجا پذيرفته مي شود، آن بر اساس غلظت موردنظر آمونياك به تنهايي گار متراكم كننده به عنوان يك سيستم دوتايي آمونياك و غير قابل تراكم توجه كنيد، معادلات مدل زير براي طول متفاوت متراكم كننده نوشته مي شوند ، كه به طولاني دماي سطح داخلي كه بر روي دماي اشباع گاز باقي ميماند ، قابل اجرا هستند .
پس دماي سطح داخلي Td از طريق معادله 9 محاسبه مي شود. تراكم به زودي دماي سطح داخلي كاهش يافته به زير دماي اشباع بخار شروع مي شود.در آن مورد معادلات زير قابل اجرا هستند.
در معادله 10 ، 5 يك عامل اصطلاح ، شناخته شده به عنوان اصلاح (Acker man) براي نگهداري اثرات گرماي حساس بين مرحله گاز توده و سطح داخلي ، است. به منظور تعيين Td كه در اين مورد زير دماي اشباع است ، يك موازنه سرعت جريان گرما به صورت زير ساخته مي شود.
Hc(Td-Tc)=ht(T0-Td) +N1M1 + Dq 13
براي بخشي كه در آن فيلم خلاصه شده قبل از ان به وجود آمده .
14
Dq= 15
از اينرو براي بخشي كه تراكم شروع مي شود Dq =0 , hc=hs
ضريب هاي انتقال دهنده گرما :
در معادله 14 ، سرد كننده ضريب انتقال دهنده گرمايي بين سرد كننده و سطح داخلي (hs) و ناپاكي و مقاومتهاي ديواره لوله است . براي يك متراكم كننده مغشوش ، يك ارتباط توسط( kem (1950) براي ارزيابي (hs) مشخص مي شود. اما براي يك متراكم كننده بدون اغتشاش ، كه يك مورد موجود است ، هيچ ارتباط مجزا سودمند نمي باشد. بنابراين ، همان نوع ارتباط مي تواند توسط معرفي عامل اصلاح « C» جهت تعيين توسط توليد يك ارتباط با اطلاعات طراحي تعيين مي شود، ارتباط به شكل زير است .
16
براي 2100( > De(Gw/
17
18
19
ارتباطات براي ضريبهاي h1 , ht از M sadams , Kern به طور نسبي قابل قبول هستند.
سرعت جريان توده :
به منظور محاسبه سرعت جريان توده «N1 »معادله زير استفاده مي شود. از اين رو در معادلات مدلينگ بالا براي متراكم كننده تنها پارامتر ناشناخته C در معادله 16 است كه از طريق اتصال مدل توليد با اطلاعات طرح تعيين مي شود. اندازهگيريهايي طرح، دماي گاز توده ، To در خروج تراكم كننده سودمند هستند.
بنابراين با پراكندگي مقدار اوليه C ، چندين آزمايش براي تصحيح ارزشش از طريق توليد يك ارتباط بين مقادير توليد To حساب و اندازه گيري شده ، ساخته مي شوند. به همين دليل معادلات مدل از بالا تا پايين متراكم كننده با استفاده از روش Euler و بر طبق فرايند مشخص در شكل 5 يكپارچه مي شوند. بهترين ارتباط به دست آمده براي اطلاعات منظم شده از 1 تا 5 مشخص شده در جدول 2 ، مقدار مناسب C در معادله 16 را ارزيابي مي كند.
خصوصيات فيزيكي
چندين خصوصيات براي حل معادلات مدل تبديل كننده به خوبي متراكم كننده نياز دارند ، ارتباطات براي گرماهاي ويژه اجزاهاي منفرد گرماي و واكنش بر اساس آمونياك توسط Shah مشخص مي شوند. گرماي ويژه مخلو گاز از طريق خلاصه كردن سمهاي Molal تركيبات ارزيابي مي شود.
حمهاي مولكولي نيتروژن ، هيدروژن و متان از Perry مفيد هستند و براي ارگن يك معادله از Reid و «شروود» مصرف مي شود. براي قابليت هدايت گرمايي آمونياك مايع ، چسبناكي ، گرماي ويژه ، چگالي، فشارهاي بخار و اطلاعات جانبي گرما از بحث هاي بحراني بين الملل با چندفرمولي هاي مناسب منطبق ميشوند. براي محاسبه چسبناكي و قابليت هدايت گرمايي تركيب شديد ، فرياند مشخص شده توسط Kjaer بكار مي رود آنها ثبات هاي اصلي از Perry هستند. ضريب انتشار آمونياك در عدم تراكم از ارتباط Gilliland بدست مي آيد.اين از طريق Pm چگالي تركيب ، همانطور كه از معادله Rk تخمين زده مي شود و براي به دست آوردن ضريب انتشار مرحله توده Bb مورد نياز در معادلات 20 و 22 دوبرابر مي شود.
دفع كننده
يك دفع كننده مرحله منفرد متصل به يك استوانه عمودي توليد متراكم كننده را با گاز تركيبي تازه تركيب مي كند. و اخيراً به عنوان مايه اوليه مصرف مي شود. قسمت مايع از توليد متراكم كننده شديد بايد موازنه هاي جريان آنتالپي و نيروي حركت آني را در نظر بگيرد . ازاين رو ، محاسبات اوليه نشان مي دهند كه كاهش فشار بر روي حلقه به اندازه كافي براي درنظرگرفتن هر موازنه توده پايين است .از اين رو اين مدل شامل معادلات زير است :
O.M.B
Fv+F1+F = Fr +Fe 23
C.M.B
Fvyvi+F1x1i+Fyfi = Fryi +FexI 24
آهنگ ( جريان ) مايع / بخار
R=Fe/Fr 25
Energy balance
26
فرايند تكراري براي حل معالات 23 تا 26 در شكل 6 نشان داده شده است. ارتباط موازنه بخار ـ مايع مشخص شده توسط Reddy و Husain بكار مي رود. ميانگين ارزشهاي تركيبات گاز چرخشي اندازه گيري شده براي مجموعه اطلاعات مختلف در جدول 3 با آنهايي كه در ارزشهاي ميانگين فشار محاسبه شده اند و دفع كننده شرايط راه دخول هستند، مقايسه مي شوند، آن موافقت رضايت بخشي را را دقت اندازه گيري نشان مي دهد.
استوانه و ستون كاهش حرارت و شدت
اين محاسبات فور عادي ، كه در ان ارتباطات VLE توسط Reddy و Husian مشخص شده اند، استفاده مي شوند.
شبيهسازي حلقه :
همه مدلها براي واحدهاي حلقه منفرد فرمول بندي مي شوند و اعتباز آنها چك مي شوند ، اكنون انها براي تحريك كنش كلي حلقه تركيبي ازتباط دالي دارند. 4 پارامتر مستقل براي كثال (1) نسبت H2/N2 در گاز چرخشي (2) فشار حلقه ، (3) سرعت جريان چرخشي و (4) غلظت راه دخول در گاز چرخشي ، براي بررسي اثر هركدام از آنها در هر زمان شناسايي مي شوند : (a ) سرعت توليد آمونياك (b ) تغيير كم H2 و(c ) نسبت به سود بخشي .
در هر مورد ، سود عمده در ابتدا ازمعادله (27) حساب مي شود. ( در روز / قيمت املاح) ـ ( در روز / قيمت مختصر ) ـ ( در هر روز / بازده قابل فروش ) = در هر روز / سود خالص ارزش اصلاح هر تن گاز از طريق نظم طراحي مهيا مي شود. ارزش مختصر از يك ارتباط اطلاعات طراحي در شرايط فشار نهايي تراكم و سرعت جريان گاز بدست مي آيد.
سپس ، پذيرفتن سود خالص هر روز از شرايط 3 مجموعه اطلاعات بعنوان يك واحد ، نسبت كلي در شكل 7 ديده مي شود و نتايج در اشكال 8-11 طرح ريزي مي شود. از شكل 8 واضح است كه نسبت H2 /N2 مساوي با 5/2 در گاز چرخشي بهترين نسبت است . و حداكثر سرعت توليد آمونياك را به خوبي سود بخشي مهيا مي كنند. نتيجه مشابهي در بررسي در شبيهسازي سازي توليدكننده قبل از ثبت بدست مي آيد و همچنين با نتايج Ganis بريا تغيير دهندگان عمل كرده در فشارهاي پايين تر مطلبقت مي كند . شرايط مطلئب عملكرد با نيتروژن زياد نسبت «استيو جيميتريك» در عملكرد طرح همانطور كه در مقاله Gremillion ديده شده ، تشخيص داده مي شود. شكل 9 اثر فشار حلقه در نسبت مطلوب H2/N2 و سرعت چرخشي و غلظت ماده هاي بي اثر ثابت در اطراف شرايط مجموعه 3 اطلاعات نشان مي دهد.
همانطور كه پذيرفتيم ، افزايش در فشار براي موازنه واكنش مطلوب است ، از اين رو تغغير كم H2 مماس ازلي مي شود در حاليكه دو منحني ديگر به وضوح يك فار مطلوب با توجه به تغيير كم H2 در ارزشهاي ثابت فشار حلقه ، نسبت H2/N2 و عوامل بي اثر ، اشاره مي كند.
از شكل 11 واضح است كه يك كاهش شديد در همه سه مقدار پارامتر بالتر از 10 درصد غلظت ماده بياثر است، در حاليكه هيچ مزيت خاصي وجود ندارد كه زير 7 درصد عوامل بياثر براي نگهداري سرعتهاي خالش افزايش بدهد. در استراتژي شبيهسازي حلقه ( شكل 7 ) روش ساده Melder-Meal براي توصيف دماهاي اوليه براي راه ورود بستر تغييردهنده و توليد گاز بكار ميرود. بهمين دليل، يك كار هدفدار شامل خلاصهاي از جذرهاي اختلاف بين دماهاي بالا در كانالهاي 1و2و3و4 تغيير دهنده، كاهش مييابد.برنامه كاهش در يك مور برجسته در شكل 12 ديده ميشود، كه ادغام در دومين تكرار و انعكاس در سومين تكرار رخ ميدهد.
نتيجهگيري
بررسي شبيهسازي گزارش شده از سنتز حلقة آمونياك بر اساس طرح ريزي جزيي و كافي هر واحد فرايند و معتبر كردن مدلها از طريق ارتباط با اطلاعت واقعي طرح ميباشد. نتيجه حاصل شده كه نسبت H2/N2 در گاز Recyle در حدود 2.5 برابر مقدار مطلوب است كه بعدا از طريق نتايج شبيهسازي تاييد ميشود.در اين مقدار نسبت H2/N2 و براي طرح ويژه، هر كسي ميتواند به آساني مقادير مطلوب را براي پارامترهاي ديگر از طريق شبيهسازي مشابه پيدا كند.
شبيهسازي راكتورهاي سنتز آمونياك
يك روش عملي براي محاسبة اثرات انتشاري درون منفذهاي قرض كاتاليست در يك واكنش پيچيده، پيشرفت كردهاند. معادلات سرعت براي بيان سرعت واكنش بر روي كاتاليستهاي سنتز آمونياك با ساخت متفاوت انتخاب شدهاند.اين، در ارتباط با روش پيشرفتهاي براي محاسبة عوامل مؤثر براي بدست آوردن مدل رياضي براي راكتورهاي سنتز آمونياك استفاده ميشود.راكتورهاي داراي بستر كاتاليست آدياباتيك با سرد كنندة داخلي به خوبي راكتورهاي گرمايي اتوترمال مورد توجه هستند. بطور كلي اطلاعات اقتصادي و نتايج شبيهسازي امروزه مورد توجه هستند.
سنتز آمونياك از هيدرژن و نيترژن يكي از سادهترين واكنشهاي سنتيكي است.سنتز ساده است و هيچ واكنش فرعي وجود ندارد و توليد ثابت است.خصوصيات فيزيكي و ترموديناميكي واكنشكنندگان و توليدات به خوبي شناخته شدهاند. از اين رو مكانيسم اين واكنش بر روي تركيبهاي كاتاليستي ( كاتاليست آهن ) به خوبي فهميده نميشوند و همين به معادلات سرعت زياد كه همگي در نظم پيچيدهاي هستند، منجر ميگردد.بخاطر پيچيدگي اين معادلات سرعت آن براي حساب كردن مقاومتهاي انتشاري براي انتقال واكنشكنندگان و توليد در منفذهاي كاتاليست مشكل است.همين ـ اشاره به مشكل ـ فوق و همچنين به علت محدود بودن معادلة سرعت، آن را براي دارا بودن يك شرح ـ مدل ـ رياضي از فرايندهايي كه درون راكتور سنتز آمونياك رخ ميدهد، مشكل ميسازد.
از هنگامي كه اولين توليد تجاري در سال 1925 شروع شد،تغيرات بزرگي در طراحي راكتورهاي سنتز آمونياك رخ داد. بيشتر اين تغييرات بر اساس اطلاعات اقتصادي به نسبت پيش، درون فرايندهاي فيزيكي و شيميايي اتفاق افتاده در راكتورها ميباشند.لذا، استفاده از كامپيوترها در طراحي،بهينهسازي و كنترل آن را براي داشتن يك توصيف رياضي طرز عمل لازم و ضروري ميسازد.براي اهداف طرح، بهينه سازي و كنترل مدلهاي شبيهسازي براي تبديل كردن سنتز آمونياك در انواع مختلف پيشرفت كردهاند.
البته با دقت جهت توصيف شرايط عمل راكتور بايد مدل شبيهسازي همة فرايندهاي فيزيكي و شيميايي اتفاق افتاده در راكتور را در نظر بگيريد. در آغاز كار فقط بر روي شبيهسازيهاي تقريبي تلاش كردهاند.
يك مدل رياضي با توجه به همة طرز عملهاي فيزيكي و شيميايي در راكتورها در اين مقاله گفته شدهاند. يك روش براي حل معادات انتقالي جهت ارزيابي عامل مؤثر با دقت بالا در محاسبات مدلي استفاده ميشود.
آناليزهاي سرعت
متون سنتيكي مهندسي شيمي دربردارندة آناليزهاي بيشمار سرعت ميباشند.كه بيشتر آنها تا اوايل سالهاي 1930 گزارش شدند. توسط فرانكلن برگ ( 1933 ) و اميت ( 1932و1940) خلاصه شدهاند. در سال 1940 (تمكين و پيتر هوز ) يك معادلة سرعت را كه يك نظريه سنتيكي رضايتبخشي را براي و سنتز و آناليز آمونياك( NH3 ) ¬با كاناليستهاي دو برابر شدة آهن، پيشرفت دادند.
سپس اين معادلة سرعت در اشكال وسيع شرح داده شد.اگر چه تعداد اشكال در مورد اصل كلي معادله افزايش يافتهاند. در اين مورد، معادله بصورت زير آمده است:
=K2 ka fN2 -
كه:
سرعت واكنش rNH3=( )
k2= ثابت سرعت واكنش معكوس( )
f N2,f H2.f NH3 فوگاسيته نيترژن، هيدرژن و آمونياك بطور نسبي هستند.Ka برابر با ثابت موازنة واكنش:
1.5 H2 +.5 N2 ------ NH3
و a هم يك ثابت است.
طبق نظر محققان اوليه a براي همه كاتاليستهاي آهن 0.5 است. ديگر مقدارهاي بدست آمده از 0.4 تا0.8 است.
¬با دارا بودن مقدارهاي مختلف a ، اكثر نويسندگان پيشنهاد ميكنند كه آن به ويژگيهاي كاتاليست بستگي دارد كه آن بطور قابل توجهي ظاهر ميشود كه كاتاليستهاي متفاوت را در اندازههاي ترقيدهندة آنها و خصوصيات فيزيكي متفاوت ميسازد.بنابراين، اختلاف همين محدوده را در مقدار a براي همان عمل كاتاليست تحت دو شرايط متفاوت گزارش شده است.حتي براي set هاي اختياري بر روي همان كاتاليست، مقدارهاي a ، تفاوتهاي مشابهاي را نشان ميدهد. بطور كلي براي ارزيابي a ، k2¬ بعنوان تابع دما در شكل معادلة آرنيوس بيان ميشود:
=
كه :
: ثابت است.
E2 : انرژي اكتيويته است.
Rg : ثابت گازهاست.
T : دماي مطلق است.
پس نتايج تجربي با k20,k2,a بعنوان پارامترها،مناسب ميشوند.(سازگار و صادق ميشوند.)
چنين روش ارزيابي ميتواند به گوناگونيهايي در مقدارهاي a با تغيير مربوط به مقدارهاي k2, k20 منجر گردد. پيشنهاد شده يك ارتباط خطي بين مقدار log k2,a وجود دارد .همين نشان ميدهد كه براي متفاوت كردن اثر خصوصيات كاتاليست يا اندازة ترقيدهندة آنها مربوط به اشتباهات اندارهگيري يا روش محاسبه، مشكل است. بر همين اساس پيشنهاد ميكنند كه مقدار ثابت a ،مستقل از كاتاليست ساخته شده، ميتواند استفاده شود.به همين خاطر ، براي يك مقدار ثابت a ، پارامترهاي ديگر k¬20 و E2 براي دو كاتاليست، بر روي مدل تست شده قابل قبول نيستند مقادير استفاده شده براي كاتاليست Montecatini Edison عبارت است از:
a=0.55 , E2=39057 kcal/ kmol) , log K =14.7102
هستند و معادلة سرعت عبارت از :
rNH3 = exp (2.303 * 14.7102- ( ) [ Ka * N2 * ( ) - ( ) ]----------3
و براي كاتاليست Halder Topsoe:
a=0.692 , E2=42893 kcal/ kmol) , log K =15.2059
معادلة سرعت، معادلة شماره 4:
rNH3 = exp (2.303 * 15.2059- ( ) [ Ka * N2 * ( ) - ( ) ]----------4عوامل مؤثر: گفتههاي بالا، سرعت حقيقي واكنش، يعني سرعت واكنش براي ذرات كوچك كه در آن هيچ مقاومتي براي انتقال جرم يا گرما به سطح فعال وجود ندارد، را نشان ميدهند. بهمين خاطر ذرات كاتاليست صنعتي خيلي بزرگ در معرض انسداد انتشاري در ساختار منفذدار آنها هستند. اين اثر ميتواند با مراقبت از طريق عامل مؤثر (( )) را بپذيرد كه بعنوان سرعت كه در آن واكنش در گلولة تقسيم شده از طريق سرعتي كه واكنش در آن اتفاق خواهد افتاد، رخ ميدهد تعريف ميشود. اگر غلظت و دماي سرتاسر گلولهها، همانطوري باشد كه در سطح بيروني است. يعني :
[ مولاريتة جريان iدر عرض سطح ]*[ ناحيه
حجم گلول
چندين محقق ( Bokhoven , van Raayen 1954;Kubota , Shino 1956; Kubota et al..1959;Nielsen 1968;Dyson , symon 1968 ) اين عامل را بر واكنش سنتز آمونياك محاسبه كردهاند. در همة اين محاسبات بجز آنهايي كه مربوط به ( دايسون و سيمون 1968 )ميشود، با نيروهاي جنبشي اولين…. استفاده ميشود يا شرايط جريان بالك در معادلات، براي انتقال درون گلوله كاتاليست از بين ميروند. (دايسون و سيمون 1968 ) اين مشكل را از طريق همة جنبههاي مربوط فرمولبندي و ضابطهمند كردهاند اما براي حل آن درون محدوديتهاي زماني محاسبه شده و عملي بودند، لذا آنها استفاده از ارتباط تجربي براي بدستآوردن عوامل مؤثر پيشنهاد دادهاند. پيشرفت معادلات انتقال براي دنبال كردن، با آنهايي كه توسط دايسون و سيمون( 1968) انجام شدهاند مشابه هستند. ذرات كاتاليست با فرض كروي بودن و ايزوترمال بودن فرض ميشود. (Nielsen 1968 و prater 1958 )نفوذ Knudsen ناديده گرفته ميشود و ضريبهاي نفوذ هر جزء جدا از موقعيت درون ذره فرض ميشوند. معادله6 واكنش مورد توجه براي پيشرفت معادله نفوذ است.
NH3----------------------------6
معادلة 7 يك موازنه ملكولي براي جزء نامشخص است.
-----------------7