22434

شبيه سازي CFD فرايند تبديل متانول به الفين (MTO) در راكتور بستر سيال

كارشناسي ارشد

طراحي فرايند

1396

1399/3/12

دكتر سلمان موحدي راد - دكتر محمد امين ثباتي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

فرايند تبديل متانول به الفين‌ها به‌دليل بازار مصرف اتيلن و پروپيلن و استفاده از مواد اوليه غير نفتي مورد توجه قرار گرفته است. بر اين اساس درك كامل مكانيسم واكنش و پديده‌هاي انتقال در اين فرايند به‌منظور اجراي صنعتي آن ضروري به¬نظر مي¬رسد. در پژوهش حاضر فرايند تبديل متانول به الفين در راكتور بستر سيال مقياس پايلوت موسسه داليان چين به‌صورت عددي با استفاده از رويكرد اولرين-اولرين به همراه نظريه جنبشي ذرات دانه‌اي شبيه سازي شده است. شبيه سازي اين سيستم چند فازي در دو بخش هيدروديناميك و واكنش تبديل متانول به الفين به صورت هم دما انجام شده است. صحت مدل عددي توسعه داده شده براي بخش‌هاي هيدروديناميك و واكنش با مقايسه نتايج حاصل از آن با پژوهش‌هاي آزمايشگاهي ديگر محققان در اين حوزه مورد تاييد قرار گرفته است. به دليل اهميت توزيع مناسب جريان گاز در اين واكنش كاتاليستي، در بخش شبيه سازي هيدروديناميك اثر دو نوع توزيع كننده بر توزيع‌هاي هيدروديناميكي گاز و جامد در ناحيه متراكم بستر كه منطقه اصلي واكنش است مورد بررسي قرار گرفته و پس از شبيه‌سازي هيدروديناميكي، الگوي جريان گاز درون راكتور با تزريق و رديابي ردياب گازي بررسي و ميزان تبديل متانول در راكتور با استفاده از اطلاعات توزيع زمان اقامت گاز تخمين زده شده است. بر اساس نتايج حاصل توزيع‌كننده متخلخل در مقايسه با توزيع‌كننده صفحه سور‌اخ‌دار موجب توزيع يكنواخت‌تر گاز و جامد و توليد حباب‌هاي كوچكتر در بستر مي‌گردد. با توجه به نتايج توزيع زمان اقامت گاز در بستر، الگوي جريان گاز در راكتور بستر سيال حاضر از الگوهاي جريان ايده‌آل انحراف زيادي دارد و هردو الگوي جريان قالبي و مخلوط مي‌تواند در راكتور مشاهده شود. زمان اقامت متوسط گاز با استفاده از داده‌هاي توزيع زمان اقامت گاز درون ناحيه متراكم راكتور 2.95 ثانيه محاسبه شده است كه با مقدار تئوري 1.315 براي جريان ايده‌آل گاز در راكتور جريان همزده اختلاف زيادي دارد. دليل اين اختلاف مي تواند ناشي از در نظر نگرفتن اثر فاز جامد بر فاز گاز، به عنوان مثال مقاومتي كه فاز جامد در برابر حركت گاز ايجاد مي‌كند يا اختلاط معكوس گاز، در محاسبه زمان اقامت متوسط گاز با استفاده از رابطه تئوري باشد. درصد تبديل محاسبه شده با استفاده از داده‌هاي توزيع زمان اقامت گاز 100% مي‌باشد كه بيشتر بودن مقدار آن نسبت به مقداري كه لو و همكاران به عنوان نتيجه ي حاصل از شبيه سازي با فرض اختلاط كامل جريان گاز گزارش كرده‌اند يعني 98.3126%، مي‌تواند به دليل انحراف جريان گاز درون راكتور حاضر از جريان كاملا مخلوط باشد.

1399/06/18

CFD simulation of methanol to olefin (MTO) process in fluidizedbed reactor

6/2/2021 12:00:00 AM

The Methanol to olefin (MTO) process has been considered due to the consumer market of ethylene and propylene and the use of non-petroleum raw materials. Accordingly, a full understanding of the reaction mechanism and transfer phenomena in this process is necessary for its industrial implementation. In the present study, MTO process in the pilot scale Dalian Institute of China reactor, has been numerically simulated using the Eulerian- Eulerian approach along with the particle kinetic theory. The simulation of this multiphase system has been performed in two parts of hydrodynamics and MTO reaction, isothermally. The accuracy of the numerical model developed for the hydrodynamics and reaction has been confirmed by comparing the results with laboratory studies of other researchers in this field. Due to the importance of proper gas flow distribution in this catalytic reaction, in the hydrodynamic simulation section, the effect of two types of distributors on the hydrodynamic distributions of gas and solids in the dense bed region, which is the main reaction zone, are investigated. After hydrodynamic simulation, the gas flow pattern inside the reactor is investigated by injecting and tracking a gas tracer and the methanol conversion in the reactor is estimated using the gas residence time distribution information. Based on the results, the porous distributor, compared to the perforated plate distributor, causes a more uniform distribution of gas and solids and produces smaller bubbles in the bed. According to the results of the gas residence time distribution in the bed, the gas flow pattern in the current fluidized bed reactor greatly deviates from the ideal flow patterns, and both plug and mixed flow patterns can be observed in the reactor. The mean gas residence time was calculated using the gas residence time distribution data within the dense region of reactor is 2.95 s, which is very different from the theoretical value of 1.315 for the ideal gas flow in the mixed flow reactor. The reason for this discrepancy can be due to not considering the effect of solid phase on gas phase, for example, the resistance that solid phase creates against gas motion or back mixing of gas, in calculating the average residence time of gas using the theoretical relation. The conversion calculated using the gas residence time distribution data is 100%, which is higher than the value reported by Lu et al. (98.3126%), that could be due to the deviation of the gas flow inside the reactor from the completely mixed flow.