33390

شبيه سازي CFD و بررسي آزمايشگاهي كاتاليست پروسكايتي به منظور سنتز فيشر تروپش در راكتور بستر ثابت

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي شيمي- طراحي فرايند

1395

1403/8/30

سيد حسن هاشم آبادي- يحيي زماني

/

پرديس دانشگاهي - دانشكده مهندسي شيمي

با توجه به افزايش قيمت نفت و منابع وسيع گاز طبيعي در ايران توسعه فناوري سنتز فيشر تروپش به عنوان يك مزيت در بهره‌برداري از اين ذخاير طبيعي بسيار حائز اهميت مي‌باشد. در پژوهش حاضر چهار كاتاليست تحت فرمول كلي LaFexCo(1-x)O3 با ساختار پروسكايتي تهيه شده است. در ابتدا اثر افزايش آهن بر ساختار كاتاليست بررسي شده و براي اين منظور از آناليزهاي XRD، ICP, BET, TEM و H2-TPR استفاده شد. كاتاليست‌هاي تهيه شده در راكتور بستر ثابت بارگذاري شده و در شرايط عملياتي فشار 20 بار، نسبت هيدروژن به منوكسيدكربن 1، سرعت فضايي lit/(h.g cat.) 5/1 و محدوده دمايي 300-240 درجه سانتي گراد تحت سنتز فيشر تروپش قرار گرفتند. نتايج آزمون راكتوري نشان داد ميزان تبديل منوكسيدكربن در كاتاليست پروسكايتي LaFe0.7Co0.3O3 نسبت به كاتاليست LaCoO3 بيش از 40 درصد افزايش داشته‌است. لذا اين كاتاليست براي بدست آوردن مدل سينتيكي مورد بررسي قرار گرفت. نتايج داده‌هاي آزمايشگاهي با مكانيسم‌هاي مختلف مصرف خوراك با كمك نرم افزار پلي‌مث مورد مطالعه قرار گرفته و پارامتر هاي سينتيكي بهترين مدل براي كاتاليست LaFe0.7Co0.3O3 بدست آمد. جهت پيش بيني رفتار راكتور بستر پرشده با كاتاليست پروسكايتي در صورت تغيير شرايط عملياتي و يا تغيير ابعاد راكتور با استناد به مدل منتخب سينتيكي، يك مدل CFD دو بعدي با كمك نرم افزار كامسول تهيه شد. با كمك مدل تهيه شده اثرات تغيير فشار عملياتي، شدت جريان جرمي خوراك و نسبت هيدروژن به منوكسيدكربن در خوراك ورودي و همچنين اثر تغييرات قطر و طول راكتور بر روي ميزان تبديل منوكسيدكربن مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج نشان داد كه با افزايش فشار و نسبت هيدروژن به منوكسيدكربن، درصد تبديل منوكسيدكربن افزايش مي‌يابد اما افزايش سرعت فضايي خوراك باعث كاهش ميزان تبديل منوكسيد‌كربن مي شود. همچنين اثر افزايش قطر و طول راكتور بر افزايش دماي بستر كاتاليست در محدوده تغييرات 8 تا 20 ميليمتر در قطر و 10 تا 1000 ميليمتر در طول راكتور مورد بررسي قرار گرفت و نتايج نشان داد كه در تمام مدلها بيشترين افزايش دما در قطرهاي مختلف در 20 درصد ابتدايي طول راكتور اتفاق ميافتد و افزايش طول بستر كاتاليستي تاثير قابل توجهي بر افزايش دماي بستر كاتاليستي راكتور ندارد. لذا كنترل دما در 20 درصد ابتدايي راكتور به منظور افزايش مقياس اين راكتورها بسيار قابل اهميت مي باشد.

1404/02/28

CFD Simulation and Experimental Study of perovskite Catalyst for Fischer Tropsch Synthesis in Fixed Bed Reactor

1/1/1900 12:00:00 AM

Considering the increase in the price of oil and vast resources of natural gas in Iran, the development of Fischer-Tropsch synthesis technology as an advantage in exploiting these natural reserves is very important. In the present study, four catalysts under the general formula of LaFexCo(1-x)O3 with perovskite structure have been prepared. First, the effect of increasing iron on the structure of the catalyst was investigated and for this purpose, XRD, ICP, BET, TEM and H2-TPR analyzes were used. The prepared catalysts were loaded in the fixed bed reactor for Fischer-Tropsch synthesis in pressure of 20 bar, hydrogen to carbon monoxide ratio of 1, space velocity of 1.5 lit/(h.g cat.) and temperature range of 240-300 . The results of the reactor test showed that the amount of carbon monoxide conversion in the perovskite catalyst LaFe0.7Co0.3O3 has increased by more than 40% compared to the catalyst LaCoO3. Therefore, this catalyst was studied to obtain a kinetic model. The results of laboratory data with different mechanisms were studied with polymeth software and the kinetic parameters of the best model for the LaFe0.7Co0.3O3 catalyst were obtained. In order to predict the behavior of the perovskite catalystin fixed bed reactor at diffternt operating conditions or changing the dimensions of the reactor based on the selected kinetic model, a two-dimensional CFD model was prepared with the Camsol software. The effects of changing the reaction pressure, mass flow of the feed and the ratio of hydrogen to carbon monoxide, as well as the effect of changes in the diameter and length of the reactor on the carbon monoxide conversion were studied. The results showed that with the increase in pressure and the ratio of hydrogen to carbon monoxide, the carbon monoxide conversion increases, but increasing the superfitial velocity of the feed decreases the amount of carbon monoxide conversion. Also, the effect of increasing the diameter and length of the reactor on increasing the temperature of the catalyst bed was investigated in the range of 8 to 20 mm in diameter and 10 to 1000 mm in the length of the reactor, The results showed that in all models, the the hot spot in different diameters occurs in the first 20% of the reactor length. and increasing the length of the catalytic bed does not have a significant effect on thehotspot formation in the catalytic bed of the reactor. Therefore, it is very important to control the temperature in the first 20% length of the reactor in order to increase the scale of these reactors.

فرايند فيشر تروپش , كاتاليست پروسكايتي , مدل سينتيكي , شبيه سازي CFD , افزايش مقياس

Fischer-Tropsch process , perovskite catalyst , kinetic model , CFD simulation , scale-up

Behnoosh Moshtari

Dr. Hashemabadi