//otif.ir/14/%d9%be%d8%a7%db%8c%d8%a7%d9%86-%d9%86%d8%a7%d9%85%d9%87-%d8%a7%d8%b1%d8%b4%d8%af-%d8%b1%d8%b4%d8%aa%d9%87-%d9%85%d9%87%d9%86%d8%af%d8%b3%db%8c-%d8%b4%db%8c%d9%85%db%8c-%d9%85%d8%af%d9%84%d8%b3%d8%a7/">
ای بر روانکاری و کاربردها
1-1- روانکاری
روانکاری علم تسهیل حرکت نسبی سطوح در تماس با یکدیگر است. این علم به عنوان یکی از رشته های بسیار مهم در علم مهندسی شناخته می شود، به طوری که موفقیت بسیاری از طرح های صنعتی در گرو آگاهی از این دانش فنی خواهد بود. امروزه توسعه صنعت روانکار یک بخش مهم از توسعه صنایع ماشینی و صنایع مربوط به آن شده است. علاوه بر این، با مطرح شدن بحث های جدیدی چون بهینه سازی مصرف و حفظ منابع تجدیدناپذیر و همچنین رعایت الزامات زیست محیطی، مطالعه بر روی روانکارها جایگاه خاصی را پیدا کرده است. برای جلوگیری از فرسایش و از کارافتادگی زودرس ماشین آلات صنعتی و همچنین دسترسی به بیشترین بازده مکانیکی در حداقل زمان برنامه روانکاری مناسب جزء مهمترین شرایط مورد نیاز خواهد بود. در قرن حاضر برنامه روانکاری مناسب، یک برنامه روانکاری پایدار است که شاید با کمی تعاریف روانکاری قدیمی متفاوت باشد.
نوع روانکار، مقدار زمان و مکان مناسب، چهار عامل مهم در عمل روانکاری هستند که امروزه برای یک روانکاری موفق علاوه بر آنها باید
هزینه های نگهداری، تعمیرات، عملیات (هزینه سوخت، استهلاک، و رعایت قوانین و الزامات زیست محیطی را نیز در نظر گرفت. آمار نشان می دهد تنها با یک افزایش 1 یا 2 درصدی در هزینه برای یک روانکاری بهتر می توان حدود 15% از هزینه های اضافی یک خودرو را کاهش داد. ضمن اینکه استفاده از یک روانکار مناسب فاصله زمانی تعویض روغن برای یک خودرو را زیاد می کند که این مسئله به حفظ محیط زیست و در نهایت حفظ منابع تجدید ناپذیر نیز کمک می کند و لذا این مسئله خود بیانگر اهمیت دانش فنی روانکارهاست.
به طور کلی به لایه های گاز، مایع و یا جامد که میان دو سطح قرار می گیرد و یکنواختی حرکات یک سطح بر روی دیگری را بهبود می بخشند و از ایجاد آسیب بر روی سطوح جلوگیری می کنند، روانکار گویند.
روانکارها کاربردهای بسیار مهمی در موتورهای احتراق داخلی، وسایل نقلیه، چرخنده های صنعتی، کمیرسورها، توربین ها سیستم های هیدرولیک و… دارند. 90% از روانکارهای مصرفی را روغن های روانکار تشکیل می دهند که در بین آنها روغن های خودرو بیشترین مصرف را دارند.
در حال حاضر بیش از 1700 تولید کننده روانکار در سراسر جهان وجود دارند که حدود 200 شرکت به صورت جانبی و در کنار تولیدات دیگر، تولید می کنند و حدود 1500 شرکت به طور اختصاصی به تولید روانکار پرداخته اند. بیش از 60% از روانکارهای مصرفی در سراسر دنیا توسط این شرکت تولید می شود. در جدول 1-1 نام 16 شرکت از بزرگترین روانکارها در دنیا و در جدول 1-2 نیز نام بزرگترین تولیدکنندگان روانکارهای صنعتی آمده است.
:
امروزه در پالایشگاه های نفت و گاز و مجتمع های پتروشیمی، مدل های کامپیوتری و تکنیک های ریاضی نقش مهمی را در طراحی تجهیزات جدید کارآمد و بهینه سازی آنها ایفا می کند. در این راستا در مهندسی واکنش ها بررسی واکنش های هتروژنی جامد – گاز و پدیده هایی مانند انتقال حرارت، نفوذ و واکنش شیمیایی در تجهیزات فرایندی و خطوط تولید از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. در چند دهه اخیر محققان تلاش های زیادی را در جهت مدل سازی این پدیده ها با بهره گرفتن از ابزارها و نرم افزارهای پر قدرت به منظور افزایش راندمان تجهیزات و واحدها و همچنین درک بهتر از مکانیزم های فیزیکی و شیمیایی فرایندها انجام داده اند و توسط آن توانسته اند تکنیک های جدیدی را در زمینه های شبیه سازی و بهینه سازی فرایندها به منظور کاهش هزینه های اقتصادی و بهره وری بیشتر ارائه نمایند.
در این میان طراحی و مدلسازی راکتورهای کاتالیستی بستر ثابت توجه بسیاری از محققان و مهندسان را در چند دهه گذشته به خود جلب کرده است. تحلیل کلی راکتورهای بستر ثابت از مقیاس میکروسینتیک (با بررسی دانه و ساختار حفره ای آن که پدیده های نفوذ و واکنش در آن رخ می دهد) آغاز می گردد. و به مقیاس ماکرو (با مطالعه و تحقیق بر شکل هندسی و مشخصات بستر راکتور جایی که پدیده های جابجایی و انتقال جرم و حرارت و پراکندگی رخ می دهد) ختم می گردد. مهم ترین و اساسی ترین بخش این مدلسازی که حکم قلب راکتور کاتالیستی بستر ثابت را دارد مدل سازی دانه کاتالیست و رفتار جریان سیال در داخل دانه می باشد. در پروژه حاضر به بررسی یک دانه کاتالیست متخلخل از نوع تیتانیت پروسکایت و مدلسازی آن توسط دینامیک سیال محاسباتی (CFD) در واکنش جفت اکسایشی متان (OCM) خواهیم پرداخت. نرم افزار مورد استفاده در این تحقیق جهت مدلسازی FLUENT & GAMBIT می باشد که یکی از ابزارهای CFD به شمار می آید. CFD یکی از شاخه های دینامیک سیالات می باشد که از روش ها و الگوریتم عددی برای حل و تجزیه مسائل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه نفوذ و واکنش شیمیایی براساس شبیه سازی کامپیوتری استفاده می نماید. هدف نهایی از این شبیه
سازی در این پروژه ارائه یک برنامه کامپیوتری است که بتواند با وارد کردن دما، فشار و جزء مولی اجزای خوراک در آن، دماهای خروجی و همچنین جزء مولی محصولات را در طول دانه کاتالیست پیش بینی نمود.
شایان ذکر است مدل سازی دانه کاتالیست و بررسی رفتار آن در واکنش های هتروژنی جامد گاز می تواند نتایج بسیار مهم و ارزشمندی برای محققان و مهندسان را به ارمغان آورد. با مطالعات بیشتر بر روی این دسته از مدلسازی ها می توان زمینه لازم را برای طراحی یک راکتور کاتالیستی و کنترل آن (با تنظیم نسبت اجزای خوراک به عنوان مثال نسبت متان به اکسیژن (CH4/O2) در واکنش OCM یا کنترل محدوده دمای عملیاتی) در شرایط عملیاتی بهینه، دور از شرایط runaway تامین نمود. همچنین مسئله افزایش مقیاس در طراحی راکتور ها امری بسیار ضروری و مهم می باشد که با بررسی مدل در رفتار هیدرودینامیکی و خواص فیزیکی سیستم، امکان استفاده از راکتورهای صنعتی با اندازه های مختلف را فراهم می آورد. با در نظر گرفتن و جمع بندی تمامی عوامل فوق امکان دستیابی آسان تر به طراحی یک راکتور واحد صنعتی در شرایط عملیاتی بهینه را خواهیم داشت.
همان گونه که اشاره شد در این پروژه به کاربرد CFD در مدل سازی دانه کاتالیست متخلخل تیتانیت پروسکایت در واکنش جفت اکسایشی متان (OCM) خواهیم پرداخت. واکنش جفت شدن اکسایشی متان که یکی از روش های تبدیل مستقیم متان به هیدروکربن های باارزش تر مانند اتان و اتیلن می باشد در چند سال گذشته تحقیقات زیادی بر روی آن شده است. مسئله اساسی در این واکنش رسیدن به گزینش پذیری بالا برای اتیلن و میزان تبدیل مناسب متان بدون واکنش احتراق کامل متان می باشد. توصیف بیشتر این فرایند در بخش های بعدی آمده است.
ساختار و فصل بندی این پروژه به این صورت است که در فصل اول به اهمیت و کاربردهای CFD در مهندسی شیمی و ی به تحقیقات پیشین در واکنش های هتروژنی جامد – گاز می پردازیم. در فصل دوم اصول و تئوری واکنش های هتروژنی و رفتار دانه کاتالیست متخلخل و برهم کنش های آن در واکنش فاز گازی را مورد مطالعه قرار می دهیم. سپس به معرفی و مکانیزم های فرایند جفت اکسایشی متان و اطلاعات سینتیکی و ترمودینامیکی مربوطه خواهیم پرداخت.
در ادامه فصل چهارم شامل بخش تجربی می باشد که جهت ارزیابی اعتبار مدل یکسری آزماشات مشابه با شرایط مدل سازی طراحی و اجرا شده است و فصل بعدی شامل مدل سازی دانه کاتالیست و نتایج بحث حاصل از آن می باشد.
تقطیر روشی است برای جداسازی اجزای یک محلول، بر اساس قابلیت توزیع مواد بین فازهای گاز و مایع، وقتی كه تمام اجزا در هر دو فاز موجود باشند. در اینجا بر خلاف عمل جذب یا دفع گازی، كه در آنها ماده جدیدی به منظور ایجاد فاز دوم به مخلوط اضافه می شود، فاز جدید به وسیله تبخیر یا میعان از محلول اولیه تشكیل می شود.
برای روشن شدن تفاوت بین تقطیر و سایر عملیات، به ذكر چند مثال می پردازم. در جداسازی آب و نمك معمولی، چون نمك در شرایط موجود كاملاً غیر فرار است باقی می ماند و آب تبخیر میشود. این عملیات تبخیر نام دارد. و اما تقطیر جداسازی محلول هایی است كه تمام
اجزا آن فراریت نسبی داشته باشند. از این دسته، جداسازی اجزای محلول مایعی از آمونیاك و آب را در نظر بگیرید. همانگونه كه می دانیم وقتی محلول آمونیاك – آب را در مجاورت هوا (كه اساساً در مایع نامحلول است) قرار دهیم، آمونیاك دفع میشود اما به دلیل مخلوط بودن با بخار آب و هوا خالص نیست. به عبارت دیگر، با حرارت دادن، میتوانیم محلول را به طور جزئی تبخیر كنیم به طوریكه فاز گازی شامل آب و آمونیاك تشكیل گردد و از آنجایی كه فاز گاز، نسبت به مایع باقی مانده ، از نظر آمونیاك غنی تر است، مقداری جداسازی صورت می گیرد. با دستكاری
مناسب فازها یا تكرار تبخیر و میعان، میتوان به طور معمول هر دو جزء مخلوط را به صورت خالص كاملاً جدا كرد.
مزایای چنین روش جداسازی ای روشن است. در عمل تقطیر، فاز جدید از جهت ارزش گرمایی با محلول اولیه تفاوت دارد؛ ولی دادن یا گرفتن حرارت به راحتی صورت میگیرد كه البته هزینه انجام این عمل باید همیشه در نظر گرفته شود. به عبارت دیگر، در عملیات جذب یا دفع ، كه با افزودن یک ماده خارجی همراه است، محلول جدیدی به دست می آید كه به نوبه خود باید بوسیله یكی از عملیات انتقال جرم جداسازی شود مگر اینكه محلول جدید مستقیماً قابل استفاده باشد.
تقطیر نیز، به عنوان یک فرایند جداسازی، به نوبه خود محدودیت های ویژه ای دارد. در جذب یا عملیات، كه در آن یک ماده خارجی برای ایجاد فاز جدید جهت توزیع اجزاء استفاده میشود، میتوان حلالی را انتخاب كرد كه بیشترین جداسازی را فراهم كند؛ مثلاً، چون آب برای جذب هیدروكربورهای گازی از یک مخلوط گازی مناسب نیست، بجای آن می توان از یک روغن هیدروكربوری كه حلالیت بهتری داشته باشد استفاده كرد. ولی در تقطیر چنین آزادی انتخابی وجود ندارد. با به كار بردن حرارت در تقطیر، به تنهایی، گاز ایجاد شده فقط شامل اجزاء موجود در مایع خواهد بود؛ بنابراین به علت شباهت زیاد گاز و مایع از نظر شیمیایی، اختلاف غلظت ناشی از توزیع اجزاء بین دو فاز معمولاً زیاد نیست. در واقع گاهی اختلاف غلظت آنقدر كم است كه فرایند، عملاً ممكن نیست و حتی ممكن است اختلاف غلظتی وجود نداشته باشد.
با این وجود ، در جداسازی مستقیم كه با تقطیر نیز انجام می شود، فرایند دیگری برای جداسازی لازم نیست و به همین خاطر این عمل یكی از مهمترین عملیات های انتقال جرم است. با توجه به تفصیل فوق به بررسی یكی از گزینه های حساس جداسازی كه مربوط به جداسازی اجزایی با نقطه جوش های نزدیک پرداختیم و سعی كردیم از نقطه نظر های گوناگونی به بررسی این واحد بپردازیم.
:
برای تبدیل موثر منابع انرژی معمولا از متان برای تولید مواد واسطه یا محصولات با ارزشی از قبیل گاز سنتز (H3+CO) و اتیلن (C2H4) متانول (CH3 OH) و فرمالدهید (CH2٢O) استفاده می گردد. برای تبدیل متان به گاز سنتز از واكنش هایی از قبیل اكسیداسیون جزئی متان، تبدیل متان با بخار و تبدیل با دی اكسید كربن استفاده می شود. این واكنش ها روش های اصلی برای تولید محصولات بعدی از قبیل: متانول، تولید آمونیاك، سنتز فیشر – تراپش می باشند. تخمین زده شده است كه تقریباً 60 – 70% هزینه های صرف شده در واكنش های تبدیل متان به تهیه گاز سنتز اختصاص داده شده است.
تحقیقات بسیاری بر روی روش های پیشرفته و جدید تولید گاز سنتز انجام شده است نتایج این تحقیقات نشان می دهد كه استفاده از راكتور پلاسما الكتریكی برای تولید گاز سنتز یک تكنولوژی پیشرفته با بازده بالا و محافظ محیط زیست می باشد.
انرژی الكتریكی عاملی بسیار مناسب و تكمیلی برای فعال كردن مواد شیمیایی و شروع واكنش ها محسوب می شود. ایجاد تخلیه الكتریكی در گاز ذرات بسیار فعالی از جمله الكترون ها، یون ها، اتم ها، رادیكال ها و مولكول ها بر انگیخته به وجود می آیند كه به عنوان كاتالیست برای تولید محصولات عمل می كنند.
تبدیل غیر كاتالیستی متان به وسیله تخلیه الكتریكی از قبیل: هاله رادیو فركانسی (RF)، فركانس های پالسی بالا، مایكروویو (MW) و DBD به مرحله اجرا در آمده است.
پلاسمای مایكروویو معمولاً درفرهای مایكروویو، رسوب الماس، تولید IC و ایجاد چگالی بالای پلاسما و انرژی متوسط الكترون می تواند به كار برده شود. استفاده این نوع پلاسما در محدوده تغییرات وسیعی از فشار و شدت جریان ورودی گاز و شرایط عملیاتی آسان و در درون راكتورهای بدون الكترود كه دیگر باعث خوردگی الكترودها و آلودگی و مسمومیت آنها می گردد، باعث شده است كه استفاده آن جذاب تر از پلاسماهای دیگر گردد.
در بخشهای آینده ابتدا كلیات موضوع و سپس به شرح مفهوم پلاسما می پردازیم و واكنش هایی را كه در پلاسمای مایكروویو انجام ش ده و تولید گاز سنتز در این پلاسما را مورد بررسی قرار می دهیم. سپس عوامل و پارامترهای موثر بر عملكرد راكتورهای پلاسمای مایكروویو در تولید گاز سنتز و در انتها راكتورهای پلاسمای دیگر در تولید این گاز و نتیجه گیری و پیشنهادات را مورد بحث و بررسی قرار می دهیم.
فصل اول: کلیات
1-1- هدف
برای تبدیل متان معمولاً از كاتالیزورهای بسیار فعال از قبیل: pt,pd,Ir,co,Ni بر روی پایه Tio2,AL2o3 و یا الماس های اكسید شده (oxidized diomand) در دمای بالا (k 1300 – 1000) و فشار بالا (15 – 30 atm) انجام می شود. بنابر این هدف ایجاد گزینه های سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه از لحاظ اقتصادی كه می تواند شرایط عملیاتی دمایی – فشار و پرهیز از مشكل رسوب كربن به عنوان سم كاتالیزوری را حل كند می باشد.
تحقیقات بسیاری بر روی روش های پیشرفته و جدید تولید گاز سنتز انجام شده است نتایج این تحقیقات نشان می دهد كه استفاده از راكتور پلاسما الكتریكی برای تولید گاز سنتز یک تكنولوژی پیشرفته با بازده بالا و محافظ محیط زیست می باشد.
بنابراین انواع مختلف راكتورهای پلاسما برای تولید گاز سنتز مورد مطالعه قرار گرفته اند، با توجه به خصوصیات انواع پلاسما به طور كلی راكتورها پلاسمای تابشی به دلیل فشار كم عملیاتی و در نتیجه محدود بودن شدت جریان خوراك ورودی به راكتور برای تبدیل به راكتور شیمیایی در مقیاس های صنعتی مناسب نیستند. در راكتورهای پلاسمای هاله بر مشكل فشار عم لیاتی پایین غلبه می كنیم (فشار عملیاتی این راكتورها اتمسفر می باشد) اما به دلیل خاصیت غیر همگن بودن تخلیه الكتریكی در این نوع راكتور حجم فعال شیمیایی بسیار كم است (فضای كوچكی در نزدیكی الكترود نقطه) بنا بر این استفاده از این نوع پلاسما نیز به عنوان راك تور شیمیایی در مقیاس بزرگ صنعتی مناسب نمی باشد. در تخلیه الكتریكی آرام بر مشكل فشار پایین و حجم كم فعال غلبه شده است در نتیجه این نوع تخلیه الكتریكی برای استفاده در مقاصد صنعتی بسیار مناسب به نظر می رسد، اما مشكل اساسی این نوع راكتورها محدودیت فضای بین ا لكترودها است برای غلبه بر این مشكل برای ساخت راكتورهای DBD در مقیاس بزرگ برای تولید گاز سنتز از راكتورهای لوله ای موازی استفاده شده است. انواع دیگر راكتورهای پلاسما شیمیایی راكتورهای ICP یا همان راكتورهای مایكروویو و رادیو فركانسی می باشند. در راكتورهای RF با توجه به محدوده پایین فشار عملیاتی برای پایداری پلاسما به ایجاد فشارهای پایین احتیاج است كه از لحاظ عملیاتی در مقیاسهای بزرگ مشكل ساز می باشد. اما راکتورهای MW از آنجاییكه این نوع پلاسما در محدوده وسیعی از فشار پایدار باقی می مانند و سادگی عملك رد آنها و قابلیت تنظیم پارامترهای عملیاتی بر حسب خوراك ورودی بهترین انتخاب برای استفاده به عنوان راكتورهای پلاسما شیمیایی گاز سنتز می باشند.
نتایج تحقیقات نشان می دهد تبدیل پلاسمایی گاز طبیعی به گاز سنتز با توجه به تئوری پیچیده پلاسما هنوز از جهات بسیاری در ابهام می باشد و تجربیات كمی تا كنون در این زمینه انجام شده است. از جمله مهمترین مشكلات انتخاب گاز اكسید كننده مناسب برای اكسیداسیون متان و تولید گاز سنتز می باشد.
تبدیل غیر كاتالیستی متان (CH4) به وسیله تخلیه های الكتریكی از قبیل فركانسهای بالای پالسی، هاله، رادیو فركانسی، مایكروویو و DBD به مرحله اجرا در آمده است. عمدتاً این نوع رآكتورهای پلاسما برای تولید محصولات هیدروكربن های C2، متانول یا سنتز فیلم كربنی شبه الماس به كار می رود (102 – 107) مثلاً راكتورهای پلاسمایی رادیو فركانسی در فشار پایین معمولاً در صنعت برای تولید نیمه هادیها و بهبود كیفیت سطح به كار برده می شوند.
