دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی – فرآیند

عنوان:

مدلسازی و شبیه سازی شکست آسفالتین با مدل سینتیکی تکه ای

چکیده

آسفالتین ماده اولیه تشکیل دهنده کک در واکنش های شکست بوده و حضور آن در خوراک های سنگین نفتی خواص نامطلوبی را در محصولات نهایی فرآیند شکست به همراه خواهد داشت. بنابراین امروزه شکست حرارتی آسفالتین به منظور تولید فرآورده های سبکتر و باارزش تر توجه خاصی را به خود جلب کرده است. یکی از روش های پیش بینی روند شکست حرارتی آسفالتین، مدل های سینتیکی تکه ای می باشند. این مدل ها خوراک و محصولات فرآیند شکست را با توجه به خواص فیزیکی نظیر دمای جوش و جرم مولکولی به گروه های متعددی تقسیم کرده و چگونگی ارتباط این گروه ها با یکدیگر را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهند.

در این پایان نامه، شبکه سینتیکی ارائه شده به منظور بررسی روند شکست حرارتی آسفالتین در شرایط عملیاتی آرام، یک شبکه 14 تکه ای است. اجزای مدل شامل خوراک، کک و گروه های اصلی محصولات مالتن و گازی با توجه به محدوده جرم مولکولی انتخاب شده اند. با توجه به اینکه در مدلسازی تکه ای واکنش های شکست با افزایش تعداد تکه ها، مدل دقیق تر و نتایج مدل به نتایج واقعی نزدیکتر می گردد، در این کار سعی شده است که تعداد تکه ها نسبت به مطالعات سینتیکی قبلی افزایش یابد. واکنش های شکست اجزای مدل از سینتیک مرتبه یک پیروی کرده و به صورت هم دما و هم فشار در نظر گرفته شده اند. با استفاده از مدل سینتیکی ارائه شده، تأثیر شرایط عملیاتی نظیر دما و زمان واکنش بر میزان محصولات فرآیند شکست حرارتی آسفالتین بررسی شده و نتایج این تأثیرات گردآوری شده است.

پارامترهای سینتیکی مدل به کمک نرم افزار Matlab و داده های تجربی Savage و همکارانش به دست آمده اند. مقایسه مقادیر پیش بینی شده توسط مدل و مقادیر تجربی نشان می دهد که شبکه سینتیکی 14 تکه ای ارائه شده از دقت مناسبی در پیش بینی توزیع محصولات فرآیند شکست برخوردار است.

مقدمه

با توجه به افزایش مصرف سوخت و محصولات میان تقطیر سبک در سال های اخیر، فرآیندهای شکست جهت تبدیل انواع نفت و پسماندهای سنگین نفتی به فرآورده های سبکتر و باارزش تر توجه خاصی را به خود جلب کرده است. شکست حرارتی به عنوان یکی از فرآیندهای مهم شکست در ارتقا برش های سنگین نفتی محسوب می شود چرا که خوراک سنگین را با شکستن پیوند کربن – کربن در اثر حرارت به فرآورده های سبکتر و باارزش تر تبدیل می کند.

ترکیبات سنگین نفتی نظیر آسفالتین بخش قابل توجهی از انواع نفت و پسماندهای سنگین نفتی را به خود اختصاص داده و مشکلات عدیده ای نظیر تشکیل کک و مسمومیت کاتالیست در فرآیندهای شکست را به همراه خواهند داشت. بنابراین امروزه فرآیند شکست حرارتی آسفالتین به منظور بهبود کیفیت محصولات فرآیندهای شکست مورد توجه محققین و دانشمندان قرار گرفته است.

انواع شبکه های سینتیکی در مطالعات انجام شده بر روی واکنش های شکست حرارتی به کار گرفته شده است. پیش بینی روند شکست آسفالتین و پسماندهای سنگین نفتی با استفاده از مدل های سینتیکی تکه ای در سال های اخیر توجه خاصی را به خود جلب کرده است.

نمونه هایی از این مدل ها در ذیل ارائه شده است:

Singh و همکارانش مدل سینتیکی 5 تکه ای را به منظور بررسی شکست حرارتی پسماندهای سنگین نفتی در شرایط آرام ارائه کردند. تکه های شبکه سینتیکی براساس محدوده جوش انتخاب شده و شامل گاز، بنزن (IBP – 150^C) و (LGO (150 – 350^C و VGO (350 – 500^C و خوراک (500< درجه سانتیگراد) می باشد. مقادیر محاسبه شده توسط مدل ارائه شده با فرض سینتیک درجه یک از دقت مناسبی (حدود 70% نقاط پیش بینی شده در محدوده خطای 20% می باشند) در مقایسه با مقادیر تجربی برخوردار است.

Benito و همکارانش مدل سینتیکی 3 تکه ای را به منظور بررسی شکست حرارتی خوراک سنگین حاوی مقادیر قابل توجه آسفالتین در شرایط عملیاتی مشابه با کار تحقیقاتی Singh ارائه کردند. اجزای شبکه سینتیکی شامل تکه سنگین (بخشی از ترکیبات سنگین باقیمانده با دمای جوش بیش از 350 درجه سانتیگراد و محلول در تولوئن)، تکه سبک (شامل محصولات گاز و مایع) و تکه کک (ترکیب نامحلول در تولوئن) با توجه به محدوده جوش انتخاب شده اند. مدل سینتیکی ارائه شده این توانایی را دارد که به بررسی تأثیر شرایط عملیاتی نظیر دما، زمان اقامت و فشار بر فرآیند شکست حرارتی آسفالتین بپردازد.

آقایان Filho و همکارانش مدل سینتیکی 16 تکه ای را برای بررسی شکست حرارتی پسماندهای سنگین خلاء در شرایط آرام در یک راکتور جریانی در نظر گرفتند. اجزای شبکه سینتیکی براساس محدوده جوش انتخاب شده و شامل تکه خوراک (با دمای جوش بیش از 550 درجه سانتیگراد)، تکه گاز، تکه نفتا (با محدوده جوش 70 – 204 درجه سانتیگراد)، تکه گازوئیل سبک (با محدوده جوش 350 – 204 درجه سانتیگراد)، و 12 تکه گازوئیل (با محدوده جوش 550 – 350 درجه سانتیگراد) می باشد. واکنش های شکست اجزای مدل از سینتیک مرتبه یک پیروی کرده و تابع دما و فشار می باشند. مقایسه داده های تجربی یک واحد صنعتی تشکیل کک تأخیری و مقادیر محاسبه شده توسط مدل نشان می دهد که شبکه سینتیکی ارائه شده از دقت مناسبی برخوردار است. مدل سینتیکی ارائه شده در شرایط عملیاتی آرام مستقل از نوع خوراک بوده و این قابلیت را دارد که برای طراحی واحدهای صنعتی شکست سایر خوراک های سنگین نفتی در شرایط عملیاتی مشابه به کار گرفته شود.

در این پایان نامه به منظور پیش بینی دقیق تر توزیع محصولات شکست حرارتی آسفالتین جدا شده از نفت خام کالیفرنیا در یک راکتور ناپیوسته آزمایشگاهی Savage و همکارانش در محدوده دمایی 450 – 350 درجه سانتیگراد و محدوده زمان اقامت 120 دقیقه و فشار اتمسفری، مدل سینتیکی 4 تکه ای Yasar به صورت یک شبکه 14 تکه ای توسعه یافته است.

بخش های مختلفی که در این پایان نامه به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار می گیرند، عبارتند از:

در فصل اول ساختار آسفالتین به عنوان جزء سنگین نامطلوب در نفت خام و پسماندهای سنگین نفتی مورد بررسی قرار می گیرد. شکست حرارتی فرآیندی برای ارتقا خوراک های سنگین نفتی نظیر آسفالتین بوده و عواملی نظیر دما و فشار بر شکست این خوراک ها موثر می باشند. تحقیقات گسترده ای در رابطه با شکست حرارتی و کلیه عوامل موثر در شکست هیدروکربن های سنگین صورت گرفته که در این فصل گردآوری شده است. مدلسازی تکه ای و انواع آن در این فصل به تفصیل شرح داده می شوند.

در فصل دوم مطالعات آزمایشگاهی گسترده ای که در رابطه با شکست حرارتی آسفالتین و تأثیر شرایط عملیاتی دما، زمان اقامت و فشار بر توزیع محصولات این فرآیند صورت گرفته، به تفصیل شرح داده می شوند. مدلسازی سینتیکی تکه ای به  عنوان یکی از روش های آنالیز فرآیند شکست حرارتی آسفالتین در دو دهه اخیر توجه خاصی را به خود جلب کرده است. نمونه های متعددی در رابطه با مدلسازی تکه ای شکست حرارتی آسفالتین براساس فرضیات گوناگون در این فصل گردآوری شده است.

در فصل سوم مدلسازی سینتیکی و شبیه سازی راکتور شکست حرارتی نمونه آسفالتین جدا شده از نفت خام کالیفرنیا شرح داده می شوند. شرح اجزای مدل، فرضیات مدل، توزیع محصولات شکست حرارتی آسفالتین در شرایط عملیاتی مورد مطالعه، معادلات سینتیکی مدل و روش حل معادلات با استفاده از نرم افزار Matlab از عناوین مهمی است که در این فصل گردآوری شده است.

در فصل چهارم نتایج شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Matlab، پارامترهای سینتیکی مدل، ثوابت سرعت و انرژی های فعالسازی واکنش های شکست حرارتی ارائه شده است. تأثیر شرایط عملیاتی دما و زمان اقامت بر توزیع محصولات فرآیند شکست حرارتی آسفالتین نیز به تفصیل در این فصل شرح داده می شوند. ارزیابی کلی مدلسازی سینتیکی فرآیند شکست حرارتی آسفالتین و پیشنهادهای کارآمد مرتبط با آن از مباحث مهمی است که در فصل پنجم مورد بررسی قرار می گیرد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.