تحقیق درباره راکتورهای غشایی کاتالیستی

اختصاصی از کوشا فایل تحقیق درباره راکتورهای غشایی کاتالیستی دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 34

راکتورهای غشایی کاتالیستی

چکیده

امروزه استفاده از راکتورهای غشایی در فرآیندهای شامل واکنش کاتالیستی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در چنین سیستم های ترکیبی، فرآیند جداسازی غشایی با یک واکنش کاتالیستی همراه گشته و استفاده از غشاء موجب افزایش انتخابگری و بازده واکنش در فرآیند ترکیبی می گردد. در تحقیق حاضر، در ابتدا به انواع راکتورهای غشایی بر اساس نوع هندسه، ساختار مواد سازنده ی غشا، ساختار و نوع عملکرد راکتور بر اساس جایگاه و نوع کاتالیست اشاره می گردد. سپس سامانه های شامل واکنش همراه شده با فرایند جداسازی غشایی به مانند راکتورهای غشایی کاتالیستی، راکتورهای غشایی تراوش تبخیری و بیوراکتورهای غشایی مورد بررسی قرار می گیرد. علاوه بر این به انواع راکتورهای غشایی کاتالیستی و واکنش های انجام شده در اینگونه سامانه ها به تفصیل پرداخته می شود.

کلمات کلیدی : راکتورهای غشایی، واکنش کاتالیستی، فرآیند ترکیبی، جداسازی

1- مقدمه

مهم ترین و پر هزینه ترین مرحله در فرآیندهای شیمیایی، واکنش شیمیایی و جدا سازی جریان محصولات می باشد. ترکیب این دو فرآیند در یک فرآیند واحد باعث تحقق اهدافی به مانند ملاحظات اقتصادی فرایند، افزایش سرعت واکنش، صرفه جویی در مصرف انرژی و مصرف واکنش دهنده ها و کاهش تولید محصولات جانبی میشود. تا قبل از این، استفاده از غشاها در فرایندهای با دمای پائین و محیط های شیمیایی ملایم محدود شده بود. اما پیشرفت های اخیر در علم مواد، استفاده از غشاها را در دماهای بالا و شرایط شیمیایی سخت، گسترده کرده است. این امر باعث استفاده بیشتر غشاها در راکتورهای شیمیایی شده است.

ایده راکتورهای غشایی که از بهم پیوستن دو فرآیند متفاوت واکنش و جداسازی بوجود آمده به اولین سالهای استفاده از سیستم های غشایی برمیگردد.

اولین تحقیقات انجام شده در رابطه با راکتورهای غشایی در سال 1960 میلادی صورت گرفت [1]. با این وجود سیر رشد در زمینه تحقیقات علمی در 20 سال اخیر بعلت پیدایش غشاهای غیر آلی بسیار درخشان بوده است [3 ،2].

اولین بار، چنین فرآیندی جهت افزایش بازده و بر هم زدن تعادل در واکنش های دی هیدروژناسیون و استری شدن بکار گرفته شد [34-‍4]. یک نمای شماتیک از راکتورهای غشایی کاتالیستی شامل واکنش برگشت پذیر A↔B+C در شکل (1) نمایش داده شده است.

شکل (1) شماتیکی ازیک راکتور غشائی[4]

در این فرآیند غشاء نسبت به جزء B انتخابگر بوده و با خارج کردن این جزء از مخلوط واکنش موجب برهم زدن تعادل و دسترسی به مقادیر درصد تبدیل فراتر از مقادیر تعادلی می گردد. از دیگر واکنش های کاتالیستی انجام شده در راکتورهای غشایی می توان به واکنش های هیدروژناسیون، اکسیداسیون جزئی و کلی اشاره نمود ‍‍‍[42-34].

در چنین فرآیندهایی استفاده از غشاء موجب افزایش بازده و انتخابگری واکنش گشته که میزان این افزایش علاوه بر پارامترهای فرآیند به خواص غشاء نیز وابستگی شدید دارد.

بطور کلی سامانه های شامل واکنش همراه شده با فرایند جداسازی غشایی به سه دسته راکتورهای غشایی کاتالیستی، راکتورهای غشایی تراوش تبخیری و بیوراکتورهای غشایی تقسیم بندی می شوند [43].

در این مقاله در ابتدا به انواع راکتورهای غشایی بر اساس نوع هندسه، ساختار مواد سازنده ی غشا، ساختار و نوع عملکرد راکتور بر اساس جایگاه و نوع کاتالیست کاربردی اشاره می گردد. در ادامه مطالبی راجع به راکتورهای غشایی تراوش تبخیری و بیوراکتورهای غشایی ارائه شده و سپس به توصیف فرایند های جداسازی غشائی کاتالیستی که مبحث اصلی این تحقیق است، پرداخته می شوند. در پایان مهمترین واکنش هایی که در راکتورهای غشایی صورت میگیرند، مورد بررسی قرار می گیرند.

2- راکتورهای غشایی

راکتورهای غشایی را می توان بر اساس هندسه، ساختار مواد سازنده غشا و ساختار راکتور تقسیم بندی نمود [44].

2-1- دسته بندی راکتورهای غشایی بر اساس هندسه ی غشا

در دسته بندی اولیه راکتورهای غشایی بر اساس هندسه ی غشاء مجزا می شوند. متداول ترین اشکال غشاء هندسه های تخت و لوله ای هستند. به علت سهولت ساخت غشاهای تخت، از این غشاها در تحقیقات در مقیاس آزمایشگاهی، مکرراً استفاده شده، اما در عملیات در مقیاس تجاری به علت نیاز به نسبت های بالا ی سطح به حجم غشاء از ساختار لوله ای استفاده میشود. در حال حاضر راکتورهای غشایی کاتالیستی با ساختار چند لوله ای بسیار مورد توجه قرار گرفته و در این زمینه، کارهای تحقیقاتی زیادی بر روی ساختار لوله و پوسته منفرد انجام شده است [44]. با اینحال در سامانه های بیو راکتورهای غشایی کاربرد غشاهای الیاف میان تهی متداول تر است.

2-2- دسته بندی راکتورهای غشایی بر اساس ساختار مواد سازنده

غشاها از نظر ساختار مواد سازنده به دو دسته متراکم و متخلخل تقسیم بندی می شوند. غشاهای متراکم از جنس پلیمر، فلزات و آلیاژهای آنها و اکسیدهای فلزی میباشند و در این میان غشاهای پلیمری گرانقیمت بوده و بجز موارد معدودی از مقاومت گرمایی پایینی برخوردار هستند‌‍‌. غشاهای متراکم فلزی نیز اغلب از جنس فلزاتی به مانند پالادیم، پلاتین، روتنیم، ردنیم، ایریدیم و نقره و آلیاژهای آنها می باشند [45].

غشاهای متخلخل نیز از جنس پلیمر، شیشه و مواد سرامیکی بوده، که در فرآیندهای ترکیبی واکنش – جداسازی بکار می روند. در این میان غشاهای متخلخل آلی در بیوراکتورهای غشایی و یا در فرآیندهای دما پایین مورد استفاده قرار می گیرند [4]. مواد با قطر روزنه های بزرگ، مانند غشاهای آلفا آلومینا، مستقیما در فرآیند جدا سازی شرکت نکرده، بلکه به عنوان تکیه گاه غشاهای انتخابگر با روزنه های کوچکتر در ساخت غشاهای مرکب مورد استفاده قرار می گیرند. در حقیقت این نوع غشاها انتخابگر نبوده و بر اساس قابلیت تراوایی بالا به عنوان تکیه گاه لایه های انتخابگر بکار میروند [5].

مواد با اندازه حفرات متوسط برای ساخت غشاهایی که عموماً روزنه هایی در محدوده4 تا 5 نا نو متر نیاز باشد به کار می روند، بنابراین نفوذ اجزاء در طول غشاء های حفره متوسط از مکانیسم نفوذ نودسن پیروی می کند. مقدار فاکتور جداسازی برای بیشتر سیستم هایی که در آنها از غشاهای حفره متوسط استفاده شده پایین بوده و در محدوده 5/1 تا 10 گزارش میشود. موادی مانند شیشه ویکور، و غشاهای مرکب گاما آلومینا که برروی پایه ای از جنس آلفا آلومینا قرار گرفته اند جزء این طبقه بندی به شمار می روند.

غشاهای حفره کوچک که اخیراً موضوع بسیاری از تحقیقات بوده اند به عنوان غربال کننده های ملکولی در فرآیند جداسازی بکاررفته و فاکتورهای جداسازی با مقادیر بالایی را نتیجه میدهند. کربن با خاصیت غربال کنندگی، شیشه هایی با اندازه حفرات کوچک و زئولیت ها از جمله موادی هستند که در ساخت این نوع غشاء ها کاربرد دارند. در این میان، زئولیت ها به علت پایداری بالا در شرایط فرایندی بیشترین توجه را به خود جلب کرده اند. بعضی از مواد مانند آلومیناهای آندیک نیز به علت کمبود اطلاعات راجع به مکانیسم جذب و انتقال اجزاء از داخل روزنه ها کمتر مورد بررسی قرار گرفته اند. اخیراً فعال ترین سطوح توسعه یافته برای ساخت غشاء، فیلم های متراکم نازکی هستند که برای حفظ پایداری بر روی لایه های محافظ قرار می گیرند. شایان ذکر است که مواد بکاررفته در لایه های محافظ نباید مقاومت اضافی در برابر تراوش داشته باشند. غشاهای مرکبی که بدین صورت ساخته میشوند قابلیت انتخابگری کامل برای یک جزء را داشته، ولی دارای سرعت تراوش پایینی می باشند [5].

2-3- دسته بندی راکتورهای غشایی کاتالیستی بر اساس ساختار راکتور

در تقسیم بندی دیگر، راکتورهای غشایی بر اساس ساختار راکتور از لحاظ موقعیت کاتالیست متمایز میشوند. این دسته بندی در جدول (1) ارائه شده است [5].

غشاهای بکاررفته در راکتورهای غشایی می توانند ذاتا خاصیت کاتالیستی داشته باشند، بدین صورت که ذرات کاتالیست در روزنه های غشاء نشانده شوند. در این صورت این راکتور، راکتور غشایی کاتالیستی نامیده میشود. در نوعی دیگر از راکتورهای غشایی با ساختار لوله ای، غشاء از خود خاصیت کاتالیستی نشان نداده و ذرات کاتالیست به صورت فشرده در محفظه ی داخلی غشا (لوله) و یا خارج از غشا در قسمت پوسته قرار داده میشوند. این نوع ساختار

دانلود پروژه درباره مدل‌سازی واکنش کاتالیستی اکسایش متانول به فرمالدیید در یک راکتور بستر سیال 13 ص

اختصاصی از کوشا فایل دانلود پروژه درباره مدل‌سازی واکنش کاتالیستی اکسایش متانول به فرمالدیید در یک راکتور بستر سیال 13 ص دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 13

مدل‌سازی واکنش کاتالیستی اکسایش متانول به فرمالدیید در یک راکتور بستر سیال

چکیده

تولید فرمالدیید که یکی از ترکیب‌های پرارزش و پرمصرف است به طور معمول از اکسایش کاتالیستی متانول در راکتورهای بستر ثابت به دست می‌آید. در این تحقیق فرایند ذکر شده در راکتور بستر سیال مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور یک راکتور بستر سیال به قطر 22 میلیمتر و طول 50 سانتیمتر از جنس فولاد زنگ‌نزن که قابلیت کنترل دما و شدت جریان مواد را داراست ساخته شده است. اثر پارامترهای متفاوت عملیاتی بر عملکرد راکتور بالا مطالعه شده است. نتیجه‌ها با سه مدل سه فازی تطبیق داده شده و میزان دقت مدل‌ها در پیش‌بینی رفتار راکتور مشخص شده است. نتیجه‌ها نشان می‌دهد که تحت شرایط مناسب میزان تبدیل متانول به فرمالدیید تا 89 درصد افزایش می‌یابد و با بالا رفتن سرعت گاز در بستر سیال این میزان کاهش می‌یابد که دلیل آن کاهش زمان اقامت و در نتیجه کاهش تماس متانول با فرمالدیید است. بررسی مدل‌ها نشان می‌دهد که بیشترین انحراف مربوط به مدل Shiau _ Lin با 23 درصد خطا و بیشترین تطابق مربوط به مدل El_Rafai و El_Halwagi با 10 درصد خطا می‌باشد. بنابراین در این واکنش جریان‌های برگشتی به دلیل کوچک بودن قطر راکتور در مقایسه با طول آن از اهمیت کمتری برخوردار است.

مقدمه

بسترهای سیال از جمله دستگاه‌های مهم عملیاتی در فرایندهای شیمیایی هستند که درآنها محدودیت‌هایی از قبیل انتقال حرارت یا نفوذ وجود دارد. از جمله مزایای راکتورهای بستر سیال نسبت به راکتورهای بستر ثابت کنترل دمای بهتر، عدم وجود نقطه‌های داغ در بستر، توزیع یکنواخت کاتالیست در بستر و عمر طولانی کاتالیست است. بنابراین انجام فرایندها در بستر سیال می‌تواند حایز اهمیت باشد. یکی از موارد مهم در بسترهای سیال مدل‌سازی آنهاست. مدل‌سازی راکتورهای بستر سیال ابتدا با نظریه محیط دوفازی آغاز شد. در بین مدل‌های اولیه دوفازی می‌توان از مدل Davidsoin_Harrison نام برد.

در این مدل فاز چگال (امولسیون) و فاز حباب‌های گاز دو فاز مدل را تشکیل می‌دهند و افزون بر این فرض شده است که فاز امولسیون در حداقل سرعت سیالیت باقی می‌ماند و نیز قطر حباب در طول بستر ثابت بوده و واکنش در فاز امولسیون اتفاق می‌افتد و انتقال جرم بین دو فاز صورت می‌گیرد. این مدل بر مبنای اصول هیدرودینامیک بنا شده است ولی جریانهای برگشتی در فاز امولسیون را درنظر نمی‌گیرد. Fryer مدل جریان برگشتی غیر همسو را که بر مبنای مدل بستر حبابی بود ارایه کرد و سرعت جریان برگشتی جامد را برابر با حداقل سرعت سیالیت در نظر گرفت.

مدل سه فازی Kunii و Levenspiel بر اساس اصول هیدرودینامیک بنا شده و بستر از سه ناحیه حباب، ابر و امولسیون تشکیل شده به طوری که دنباله به عنوان بخشی از فاز ابر در نظر گرفته می‌شود. حباب صعود کننده از مدل Davidsoin پیروی می‌کند و فاز امولسیون در شرایط حداقل سیالیت باقی می‌ماند که در آن پارامتر اصلی قطر حباب است که در بستر توزیع می‌شود و یک قطر موثر در طول بستر در نظر گرفته می‌شود. واکنش درجه اول و جریان در فاز حباب، پلاگ در نظر گرفته می‌شود. تبادل جرم بین فازهای حباب _ ابر و ابر_ امولسیون صورت می‌گیرد.

بخش تجربی

مواد شیمیایی

متانول، هپتامولیبیدات آمونیوم، آهن نیترات، بیسموت نیترات از شرکت MERCK و از نوع آزمایشگاهی تهیه و در تمام فرایند از آب مقطر استفاده شد.

تجهیزات و دستگاه‌ها

برای ساخت کاتالیست از هم‌زن آزمایشگاهی با دور قابل تنظیم 50 تا rmp1500 ساخت شرکت طب‌آزما و برای تنظیم شرایط واکنش ساخت کاتالیست از حمام با دمای ثابت مجهز به ترموستات و Ph متر دیجیتال استفاده شد. راکتور مورد استفاده به قطر داخلی 22 میلیمتر و ارتفاع 50 سانتیمتر دارای 5 قسمت مجزا و مجهز به ترموکوپل نوع K برای اندازه‌گیری پروفایل دمایی در طول بستر است. جنس راکتور و تجهیزات آن از جنس فولاد زنگ‌نزن L 316 AISI است. برای گرم کردن هوا از دو کوره سری با توان W 1500 برای هر کدام و برای تبخیر متانول از یک کوره به توان KW 1 به صورت مجزا استفاده شد. سیستم کنترل از نوع PID و حس‌گر دما از نوع K می‌باشد. شماتیک سیستم مورد استفاده در شکل 1 آمده است. نتیجه‌ها با استفاده از SHIMATZU GC 17A تجزیه شد.

شکل ص 61

شکل 1 _ نمای کلی راکتور بستر سیال مورد استفاده

روش آزمایش

برای انجام آزمایش 2 تا 3 گرم کاتالیست را در راکتور قرار داده و سیستم با گاز نیتروژن به مدت 2 ساعت تمیز شد تا شرایط دمایی در سیستم برقرار شود. سپس به آهستگی جریان هوا روی سیستم باز شده و جریان نیتروژن قطع شد سپس به آهستگی جریان متانول ورودی به کوره تبخیر برقرار شد تا میزان متانول به حد مطلوب و مشخص برسد. پس از گذشت 10 دقیقه نمونه‌گیری و تجزیه خروجی از کندانسور انجام و این عمل در فاصله‌های زمانی معین تکرار شد تا خروجی راکتور به شرایط پایدار برسد.

شرایط عملیاتی جریان سیال حبابی

در راکتورهای بستر سیال حرکت رو به بالای حباب‌های گاز سبب اختلاط در فاز امولسیون و ایجاد شرایط همگن در راکتور می‌شود. بنابراین برای برقراری این نظام جریان در راکتور بایستی پارامترهای عملیاتی سیستم تنظیم شود.

از جمله این پارامترها می‌توان به سرعت گاز ورودی اشاره کرد. این سرعت تابعی از اندازه و چگالی ذره‌ها و نیز چگالی گاز سیال‌کننده و برخی پارامترهای فیزیکی دیگر می‌باشد. در تحقیقات حاضر اندازه ذره‌های کاتالیست بین 147 تا 417 میکرومتر و حداقل سرعت سیال‌سازی بین 98 تا 333 سانتیمتر بر ثانیه است. لذا با توجه به شرایط عملیاتی ذکر شده همواره نظام جریان سیال حبابی برقرار بوده است.

نتیجه‌گیری نهایی

اکسایش جزیی کاتالیستی متانول به فرمالدیید به طور عمومی در راکتورهای بستر ثابت انجام می‌شود اما عدم کنترل موثر دما در راکتور و نیز محدودیت اندازه ذره‌ها، مشکل‌های افت فشار یا مقاومت‌های نفوذی را در پی دارد. همچنین نتیجه‌های به دست آمده در مطالعه حاضر نشان می‌دهد که واکنش‌هایی مانند تبدیل متانول به فرمالدیید به سادگی و با بازده بالا در راکتورهای بستر سیال قابل اجراست. نتیجه‌های بررسی حاضر حاکی از آن است که راکتورهای بستر سیال محتوی ذره‌های ریز کاتالیست اکسید آهن _ اکسید مولیبیدن، به علت ایجاد تبدیل بالای متانول، سطح تماس مطلوب، گزینش‌پذیری مناسب و ساییدگی اندک ذره‌ها، بهترین شرایط عملیاتی را برای اکسایش متانول به فرمالدیید فراهم می‌آورد. بسترهای سیال دارای بازده پایین‌تری نسبت به بسترهای ثابت هستند اما مزایای فراوان این بسترها آنها را عنوان انتخابی برجسته و ممتاز نسبت به بسترهای ثابت درآورده است. مناسب‌ترین مدل برای تطبیق داده‌های تجربی در این مطالعه EL_Rafai و El_ Halwagi است. نتیجه‌های به دست آمده از این سیستم نشان می‌دهد که تحت شرایط مناسب میزان تبدیل متانول به فرمالدیید در محدوده مورد بحث تا 89 درصد افزایش می‌یابد. نتیجه‌ها نشان می‌دهد که بالا رفتن سرعت گاز در بستر سیال باعث کاهش میزان تبدیل می‌شود و این مساله به دلیل کاهش زمان اقامت و در نتیجه کاهش تماس متانول با فرمالدیید است. نتیجه‌های بررسی مدل‌ها نشان می‌دهد که بیشترین انحراف مربوط به مدل Shiau و El_Halwagi، بیشترین تطابق با داده‌ها را با 10 درصد خطا دارد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که در واکنش تبدیل متانول به فرمالدیید جریان‌های برگشتی اهمیت کمتری دارند و این موضوع منطقی است زیرا قطر راکتور در مقایسه با طول آن کوچک است و این مساله بیانگر عدم وجود جریان‌های برگشتی است.

بهینه‌سازی پویای راکتور شکست حرارتی اتیلن دی کلرید

چکیده

در تحقیق حاضر بررسی مختصری روی روش‌های متفاوت بهینه‌سازی دینامیکی صورت گرفته است. در ادامه بهینه‌سازی دینامیکی راکتور شکست حرارتی اتیلن دی کلرید برای تولید وینیل کلرید (مونو پلیمر PVC ) مورد بررسی قرار گرفته است. راکتور حاضر یک راکتور جریان قالبی است. در این مساله به جای استفاده از توابع هدف وابسته به زمان از تابع وابسته به طول راکتور استفاده شده است. تابع هدف در اینجا در بیشینه‌سازی میزان تولید VCM در انتهای راکتور است. قیدهای موجود نیز معادله‌های دیفرانسیل حالت سیستم است. در نهایت با بررسی های صورت گرفته از روش پونتریاگین برای حل مساله بهره گرفته شده است. برای این کار در