وبلاگ

سوخت مصنوعی به هرگونه محصول سوختی مایعی اطلاق می شوند که از منشا غیر از آنچه معمول است حاصل می شوند. همانطور که می دانیم منشا تولید سوخت ها، نفت خام است اما با توجه به آنکه ذخایر نفتی روبه کاهش است و قیمت آن روندی صعودی را پیش گرفته است، بشر را به سوی منابعی غیر از نفت خام سوق داده است. منابع غیر از نفت خام شامل زغال سنگ، گاز طبیعی و یا ترکیباتی با ساختار بیولوژیکی می باشند. این سه منشأ مهمترین منابع در تولید سوخت مصنوعی به حساب می آیند. روش های کلی تولید سوخت های مصنوعی به سه دسته کلی زیر تقسیم می گردند:
– تبدیل زغال سنگ به مایعات هیدروکربنی (CTL)
– تبدیل گاز طبیعی به مایعات هیدروکربنی (GTL)
– تبدیل موادی با ساختار بیولوژیکی به مایعات هیدروکربنی (BTL)
زغال سنگ توانایی تبدیل به بنزین و سوخت دیزل را دارا می باشد. روش های مستقیم و غیر مستقیمی را برای فرایند CTL می توان برشمرد. همانطور که از نام فرایند تبدیل مستقیم بر می آید، فرایندی است که در آن زغال سنگ مستقیما به سوخت های مصنوعی تبدیل می شود، این تکنولوژی در ابتدا توسط Friedrich Bergius به صورت تجاری در آلمان مطرح شد و توسعه یافت، این اتفاق پیش از سال های جنگ جهانی دوم حادث شد و در سال های جنگ نیز روند صعودی خود را ادامه داد ولی پس از آن بنابه دلایلی نظیر هزینه های عملیاتی و استفاده مجدد از ذخایر نفتی در اوایل دهه 1950 استفاده از آن کاهش یافت. در سال های اخیر نیز تحقیقات بر توسعه این تکنولوژی در سیستم های آزمایشگاهی محدود شده است و این مسأله دلیلی به جز هزینه های بالا نداشته است. به هرحال با افزایش روزافزون قیمت نفت خام می توان دورنمایی برای این فرایند در نظر گرفت. آنچه حائز اهمیت است این که این فرایند بایستی از لحاظ اقتصاد طرح و مسائل زیست محیطی مورد تصحیح و بازبینی قرار گیرد.

دو نمونه از فرایندهای مستقیم تبدیل زغال سنگ، فرایندهای Bergius و Karrick می باشند. در فرایند Bergius شاهد ترکیب زغال 

سنگ خرد شده با هیدروژن هستیم که طی دو مرحله بنزین با عدد اکتان بالا حاصل می شود. فرایند Karrick را می توان یک کربناسیون دما پایین زغال سنگ، قیر، سنگ رست و یا هر ماده کربن دار دیگری دانست. بنزینی که از فرایند کربناسیون دما پایین زغال سنگ به دست می آید دارای کیفیتی معادل با بنزین همراه با تترا اتیل سرب است.

اما زغال سنگ به صورت غیرمستقیم هم قادر به تولید سوخت های مصنوعی می باشد. برخلاف روش مستقیم، در روش غیرمستقیم شاهد مرحله میانی در تولید سوخت مصنوعی هستیم. اولین مرحله فرایندی، تبدیل زغال سنگ به گاز سنتز می باشد. برای این کار رآکتورهای متنوعی به منظور تولید گاز سنتز موجود می باشند. گاز سنتز طی عملیات بیشتر، در ادامه سرد شده و خالص سازی می شود و پس از جدا کردن آلودگی ها تحت فرایند بیشتر قرار می گیرد و طی فرایندی کاتالیستی توانایی تبدیل شدن به طیف وسیعی از فرآورده ها را دارا می باشد. این فرآورده ها محصولاتی نظیر بنزین و سوخت دیزل می باشند. فرایندهایی نظیر سنتز فیشر تروپش و MTG به منظور تولید سوخت مصنوعی از گاز سنتز به صورت تجاری مطرح می باشند. از زمان کشف فرایند فیشر تروپش در دهه 1920 در طی سالیان متمادی این فرایند دستخوش تحولات گسترده و توقف های بسیاری بوده است. تحقیقات بر روی فرایند سنتز فیشر تروپش ادامه داشته تا آنکه در 1927 فرایند Winkler برای گازدار کردن زغال سنگ در یک بستر سیال ارائه گشت. فرایند مزبور با سپری کردن سیر تکاملی در اواخر 1930 و اوایل 1940 به صورت تجاری درآمده است. با ایجاد چنین واحد تجاری در تولید گاز سنتز مسیر برای تحقیقات بیشتر در توسعه و تجاری نمودن فرایند سنتز فیشر تروپش هموارتر شد. شرکت معتبر ساسول اولین واحد تولید سوخت مصنوعی از زغال سنگ را با بهره گرفتن از فرایند سنتز فیشر تروپش در سال 1955 و در افریقای جنوبی تجربه کرده است. شرکت ساسول فازهای بعدی این طرح را نیز در افریقای جنوبی براساس پیشرفت های صورت گرفته طراحی رآکتورهای سنتز فیشر تروپش توسعه داده است.
سوخت حاصل از فرایند BTL سوختی پاکیزه می باشد که از لحاظ معیارهای سازمان محیط زیست در حد بسیار مناسبی قرار دارد. به منظور تولید چنین سوختی روش های مختلفی وجود دارد. روش های مستقیم در تولید سوخت های با منشا بیولوژیکی شامل واکنش های جایگزینی استری شدن روغن های گیاهی و حیوانی می باشند. چنین واکنش های مستقیمی به صورت کاتالیستی و یا بدون استفاده از کاتالیست قابل انجام می باشند. در طی واکنش کاتالیسیتی جایگزینی استری شدن شرایط واکنشی و محصول نهایی تا حدی مناسب تر خواهد بود. روش مستقیم معمول در تولید سوخت های مصنوعی با منشا بیولوژیکی واکنش روغن سویا متانول در حضور کاتالیست های قلیایی می باشد. چنین روش هایی، روش های صنعتی با ظرفیت تولید بالا نیستند. به عنوان مثال تا پایان سال 2010 تنها 2 الی 5% از حجم مصرف سوخت اروپا از منابع بیولوژیکی تامین خواهد شد. این روش ها و تولید چنین سوختی، روشی نوپا بوده و توجه موسسات تحقیقاتی و محققان را به خود جلب کرده اند، از سوی دیگر این سوخت ها با منشا بیولوژیکی بسیار پاکیزه بوده و این مساله نیز دلیلی دیگر بر توجه افزون تر به سمت توسعه و تولید چنین سوخت هایی می باشد.
تولید سوخت های مصنوعی از منشا بیولوژیکی از طریق تولید گاز سنتز و روش های غیرمستقیم تبدیل نیز قابل حصول می باشد. گاز سنتز حاصل از ترکیباتی این چنین شامل متان، دی اکسید کربن، منوکسید کربن و هیدروژن می باشد، که به منظور استفاده در فرایند سنتز فیشر تروپش ترکیب مناسبی ندارد و محتوی متان این گاز سنتز بالا می باشد. از اینرو بایستی تحت ریفرمینگ قرار گرفته و ترکیب آن به صورتی مناسب و قابل استفاده در فرایند سنتز فیشر تروپش درآید.

:

آنچه از شنیدن نام دارو برای اولین بار به ذهن خطور می کند شاید چیزی فراتر از قرص، کپسول و یا آمپول نباشد! در حالی که دنیای دارو و روش های انتقال آن به بدن به همین ها خلاصه نمی گردد. معمولا داروها به دو طریق گوارشی (ورود از طریق دهان و جذب به سمت خون در طول لوله گوارشی) و غیر گوارشی (تزریق، قطره های چشمی و…) وارد بدن می شوند. ورود دارو از این روش ها مشکلات و محدودیت هایی را به دنبال دارد و به همین دلیل محققان در پی راه هایی بودند که بتواند مشکلات فوق را تا حد زیادی حل کند. به دنبال این تلاش 

ها سیستم های رهایش کنترل شده دارو مطرح شد که دارای مزایای زیادی است. مهمترین این مزایا شامل توانایی حفظ غلظت دارو در حدی نسبتا ثابت برای مدتی مشخص، قابلیت تنظیم سرعت آزاد شدن دارو وابسته به محل دارورسانی، امکان رساندن دارو به یک عضو یا بافت خاص، توانایی رساندن چندین ماده دارویی با یک فرمولاسیون، امکان دارورسانی در ابعاد نانومتری و… این سیستم ها انقلابی را در زمینه درمان بسیاری از بیماری ها ایجاد نموده و در حال پیشرفت روزافزون است. رهایش کنترل شده دارو فرایندی است که در آن یک ماده حامل پلیمری یا سرامیکی به طور حساب شده ای با دارو یا عامل فعال ترکیب شود تا عامل فعال در بدن به شکلی از پیش تعیین شده و دلخواه از این ماده رها شود.

امروزه رهایش دارو یکی از زمینه های کاری و تحقیقاتی بسیار وسیع در رشته مهندسی بیومتریال می باشد و حضور و پیشرفت دانش هایی همچون: ژنتیک، نانو تکنولوژی و… نیز در کنار مهندسی بیومتریال زمینه های تحقیقاتی را گسترش داده به طوری که شاهد پیشرفت های چشمگیری نیز بوده این.
تکنولوژی های رهایش آهسته و کنترل شده دارو با هدف کنترل نرخ رهایش دارو و هدفمند شدن رهایش دارو به سمت یک بافت یا محل خاص مطرح گردیده است. البته استفاده از این سیستم ها محدودیت هایی نیز ایجاد می کند که ممکن است شامل پیدایش مسمومیت های جدید در اثر بکار بردن مواد تازه در بدن همراه با داروها، تاخیر در پراکنده شدن دارو و نیاز به آزمایش های جدید برای بررسی حامل دارویی است.

1-1- ی بر مدلسازی شبکه ای
مدل های اولیه فرض می کردند که یک محیط متخلخل را می توان به صورت توده ای از لوله بدون اتصال میان آنها نمایش داد. معادلات کارمن – کوزنی و ارگان براساس این مدل ها بود و داده های تجربی توزیع اندازه حفره حاصل از تخلخل سنجی معمولا با این مدل آنالیز می شوند. علیرغم موفقیت نسبی این مدل ها در پیش بینی رفتار ماکروسکوپی محیط متخلخل، این مدل ها برای توصیف پدیده های انتقال که در آنها اثرات اختلاط و رفتار موضعی مهم و حساس هستند، مناسب نیستند.
یک نوع از این مدل ها با تعریف نمودن سلول های اولیه جهت نمایش ساختار موضعی بستر فشرده، جریان اطراف ذرات متخلخل را تشریح می کند. در ابتدا این مدل ها فرض کردند که هر سلول با یک ذره منفرد شکل می گیرد، در حالی که حضور و تاثیر ذرات کناری از طریق شرایط موزی خاص به حساب آورده می شود. بعدها، جریان با فرض ساختار ساده برای بستر فشرده و ذرات آن مدلسازی شد.

برای فشرده سازی های قاعده مند متشکل از کره و استوانه به دست آوردن عبارت های تحلیلی برای تشریح جریان داخل بستر فشرده 

امکان پذیر است. برای بسترهای فشرده بدون قاعده و دیگر محیط های متخلخل، از تکنیک های میانگین سازی حجم برای تشریح میدان جریان استفاده می شود.

مدل های دیگر در نظر می گیرند که پروفایل دیواره به صورت قاعده مند تغییر می کند تا حل معادلات حرکت را ساده نمایند. این مدل ها قادرند تبدیل نوع جریان را توصیف نمایند و آن را به افزایش تاثیرات انقباض و انبساط در زمان افزایش سرعت سیال مرتبط سازند. با این حال آنها اتصال میان مولفه های شبکه را در نظر نمی گیرند که محدودیت بزرگی است توصیف واقعی تر ساختار موضعی تعریف شبکه ای که مولفه های آن به هم اتصال دارند را در بر می گیرد.
در سال 1956 فات اولین کسی بود که مدل های شبکه ای با مولفه های متصل را برای مدلسازی جریان دو فازی درون یک محیط متخلخل یکپارچه معرفی نمود. ابتدا در مدل های ساده تر، فرض می شد که حجم کره، مربوط به اتصالات درونی میان مولفه های مختلف شبکه، صفر است. از آنجا که در بسیاری از محیط های متخلخل، گره ها به فضای خالی بزرگتر مربوط می شد این نظریه بعدها به کمک رویکردهای مختلف از اهمیت افتاد. یک امر ممکن، تعریف دو نوع مولفه برای مثال استوانه و کره است.
رویکرد دیگر در نظر می گیرد مجراها (کانال ها) مناطق متفاوتی برای نمایش انبساط و انقباض بستر فشرده واقعی دارند. مجراها ممکن است یک شکل مفروض داشته باشند یا براساس مشخصات هندسی موضعی بستر فشرده باشند.
یک استراتژی متفاوت شامل تعریف مولفه هایی با گرفتگی و یا فشردگی است.
پایاتکس و همکارانش براساس لوله های فشرده مفهوم سلول های واحد را معرفی نمودند. این مفهوم بعدها در مطالعه جریان تک فاز و دو فاز مورد استفاده قرار گرفت. با این شیوه اثرات غیرخطی ناشی از تغییرات مقطع جریان را می توان به حساب آورد اما پیچیدگی مدل افزایش می یابد.
شبکه لوله های مویین و شبکه های کره و لوله های مویین در شبیه سازی های تخلخل سنجی جیوه و شبیه سازی های جریان تک فاز و دو فاز در محیط های متخلخل به کار رفته اند.
در کنار نوع و مشخصه های هندسی مولفه های شبکه، زمانی که مدلی از این دست به کار می رود. آگاهی از توزیع اندازه آنها اهمیت اساسی دارد. در بسیاری از مطالعات توزیع اندازه خاص و مشخصی، عمدتا بدون در نظر گرفتن مشخصه های محیط متخلخل به کار می رود در یک بستر واقعی، توزیع اندازه حفره عمدتا به مشخصه های هندسی ذرات بستگی دارد.
نولان و کاوانا فرض نمودند که قطر حفره ها از توزیع کره ها تبعیت می کنند که می تواند بدون تغییر ساختار شبکه در داخل شبکه با یکدیگر سازگار شوند و اینکه قطر مجراها با توزیع قطر کره ها مطابقت دارد که می تواند در سرتاسر شبکه پراکنده شوند نولان و کاوانا با این فرضیات قادر بودند مشخصه تاثیر توزیع اندازه ذره بر توزیع اندازه حفره و ساختار موضعی بستر فشرده را تعیین نمایند.
اکثر مدل هایی که اشاره شدند در جریان خطی اعتبار دارند یا به کار گرفته شده اند. در فرایندهایی که بستر فشرده به کار می رود شرایط به گونه ای است که جریان متلاطم است. توصیف مناسب از هیدرودینامیک در این واحدها برای پیش بینی صحیح افت فشار و طراحی تجهیزات کمکی اهمیت فراوان دارد همچنین این دانش برای درک پدیده های دیگر از جمله انتقال جرم در یک بستر فشرده، انتقال جرم میان فازها و همچنین فرایندهایی که شامل واکنش شیمیایی هستند اهمیت اساسی دارد.

در بین كلیه واحدهای صنعتی شاید بتوان گفت كه عملیات خشك كردن بیشترین كاربرد را داشته باشد؛ زیرا كه در اكثر مراحل تولید لااقل یک مرحله خشك كردن به چشم می خورد. اگر بخواهیم تعریف جامعی از خشك كردن داشته باشیم باید گفت خشك كردن گرفتن رطوبت مواد تا رسیدن به یک محصول جامد است كه به طرق مختلفی مانند حرارت دادن و تبخیر كردن آب درون مواد، كار مكانیكی یعنی فشرده كردن مواد و خارج كردن آب درون آن، جذب آب از درون مواد از طریق مواد شیمیایی جاذب الرطوبه، انجماد آب درون مواد و تصعید آن می تواند صورت گیرد كه مهمترین آنها تبخیر رطوبت از طریق حرارت دهی می باشد كه بیشتر مد نظر است. در این تحقیق نیز 

خشك كردن از طریق تبخیر صورت می گیرد و گاز داغ مورد استفاده در خشك كن هوا می باشد.

2-1- روش های خشك كردن
تعداد بسیار متنوع موادی كه لازم است خشك شوند از نظر خواص شیمیایی و فیزیكی با هم كاملاً متفاوتند و همچنین طرق مختلف حرارت دهی برای فرایند خشك كردن وجود دارد بنابراین بسیار مشكل است كه بتوان همه روش های ممكن برای خشك كردن را دسته بندی كرد. تعدادی از روش های معمول خشك كردن كه در صنایع به كار می رود را می توان به صورت زیر دسته بندی كرد:
1-2-1- خشك كردن از طریق جابه جایی
در این روش حرارت محسوس محیط گازی از طریق انتقال حرارت جابه جایی به سطح ماده تر داده می شود. عامل خشك كننده (هوا) از روی ماده تر یا از درون آن عبور داده می شود تا رطوبت ماده را تبخیر كند (شکل 1-1-الف). برای صرفه جویی در انرژی مقداری از هوای خروجی به سیستم برگشت داده می شود (شکل 1-1-ب). معمولاً از هوای داغ به عنوان عامل خشك كردن استفاده می شود ولی از مواد دیگری مانند گازهای خروجی از دستگاه ها یا بخار داغ و… نیز می توان به عنوان خشك كننده استفاده كرد. برای خشك كردن مواد قابل انفجار یا مواد اشباع از حلالهای آلی، از گاز بی اثری مانند نیتروژن یا مخلوط نیتروژن- بخار آب به عنوان عامل خشك كردن در یک سیستم كاملاً بسته استفاده می شود. در چنین سیستمی رطوبت تبخیر شده از طریق میعان از سیستم جدا می شود.
2-2-1- خشك كردن هدایتی
در این روش، حرارت لازم به طریق هدایتی از یک سطح داغ سوزی، صفحه ای استوانه ای یا دیواره خشك كن تأمین می شود (شکل 2-1). در این روش خشك كردن مقدار انتقال حرارت به بدنه مواد، نه فقط به هدایت حرارتی سطح داغ بلكه همچنین به ضریب حرارت بین منبع گرم كننده و سطح داغ بستگی دارد.
منبع گرم كننده سطح داغ معمولاً بخار داغ، مایعات آلی، فلزات گداخته یا ذوب شده یا حاملهای دیگر انرژی اند كه ضریب انتقال حرارت بالایی دارند . از آنجایی كه همه حرارت لازم برای تبخیر رطوبت ماده از میان لایه های مواد عبور می كند، راندمان حرارتی این روش خشك كردن بیشتر از راندمان روش جابه جایی است زیرا در روش جابه جایی بیشتر حرارت عامل خشك كننده از بالای مواد به بیرون از خشك كن هدایت می شود.

در این پروژه قصد داریم واحد شکست کاتالیستی بستر سیال (Fccu) را با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک به عنوان یک روش بهینه سازی مورد بررسی قرار دهیم.
الگوریتم ژنتیک (GA) یک تکنیک برنامه نویسی است که از تکامل ژنتیکی به عنوان یک الگوی حل مسئله استفاده می کند.
شکست کاتالیستی روشی است که در تبدیل برش های سنگین نفتی به فرآورده های سبک تر و باارزش تر به کار برده می شود.
در این پروژه قصد داریم واحد شکست کاتالیستی بستر سیال (Fccu) را با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک به عنوان یک روش بهینه سازی مورد بررسی قرار دهیم.
این مسئله شامل دو تابع هدف است: اولا باید مقداری بیشینه ای برای محصول بنزین (دلیل اقتصادی) به دست آوریم و ثانیا مقدار کک را به حداقل برسانیم (به حداقل رساندن فساد کاتالیست و همچنین کاهش تولید Co) که لازمه آن به دست آوردن مقادیر مناسب برای پارامترهای تاثیرگذار در تابع هدف است.

الگوریتم ژنتیک با انجام عملیات بر روی متغیرها بهترین حالت ممکن را برای تابع هدف تعریف شده را به ما می دهد. در این تحقیق با بهره گرفتن از نرم افزار MOEA که با برنامه MATLAB اجرا می شود ماکزیمم و مینیمم تابع هدفمان را به دست می آوریم.

فصل اول: کلیات
(1-1) هدف
یافتن شرایط بهینه برای حداکثر نمودن تولید بنزین FCCU و حداقل نمودن میزان تولید کک و محصولات جانبی سنگین و حداقل رساندن فعالیت کاتالیست که سبب تولید CO خواهد شد.
از آنجا که برش بنزین سودآورترین جزء محصولات شکست کاتالیستی است و هدف تولید بنزین بیشتر می باشد، لذا تغییر در پارامترهای سینتیکی، تغییر در سیستم فرایند و شماتیک واکنش برای این منظور مورد بررسی قرار می گیرند. از نظر سیستم فرایند، مدرن ترین و بهینه ترین فرایند، فرایند شکست کاتالیستی با بسترهای سیال و راکتور بالا برنده می باشد. کلیه واحد FCC پالایشگاهی از جمله بهره وران این شرایط خواهند بود.
(2-1) پیشینه تحقیق
پس از نخستین جنگ جهانی به سبب پیشرفت صنایع ماشین سازی و زیاد شدن روزافزون وسایل نقلیه موتوری؛ مصرف بنزین موتور افزایشی بسیار یافت، چنان که با تقطیر نفت خام به تنهایی تأمین آن امکان پذیر نبود. از سویی در تقطیر نفت خام به اندازه ای که بنزین موتور مصرفی را تأمین کند، مقدار فراوانی نفت کوره سنگین بیش از مصرف تولید خواهد شد که این از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد.
بنابراین کارشناسان به ناچار در پی پژوهش و یافتن راه ها و روش های تازه ای در پالایش نفت برآمدند و توانستند با به کارگیری روش شکست مولکولی به وسیله حرارت اجزای سنگین نفت خام را بشکنند و مقداری از آنها را به هیدروکربورهای سازنده بنزین موتور تبدیل کننده و تولید بنزین را افزایش دهند، بنزینی که با این روش به دست آمد، نسبت به بنزین حاصله از تقطیر نفت خام از ویژگی های بهترین برخوردار بود و درجه آرام سوزی دلخواه تری داشت.
بهره گیری اقتصادی از دستگاه های شکست مولکولی به وسیله حرارت از سال 1920 آغاز شد و از آن پس کم کم دستگاه هایی بهتر و کامل تر از دستگاه های نخستین پدید آمد و مورد بهره گیری قرار گرفت، تا آنجا که افزایش تولید بنزین موتور با کاربرد دستگاه های شکست مولکولی به وسیله حرارت بین سال های 1920 تا 1935 به دو برابر مقدار تولید آن از تقطیر نفت خام رسید.
در سال های بعدی همراه با پیشرفت هایی که در ساختمان موتورهایی بنزینی به دست می آمد، تولید کنندگان مواد نفتی خود را ناگزیر می دیدند تا بنزینی بهتر و با درجه آرام سوزی بالاتری تولید کنند. این کار با دستگاه های شکست حرارتی به سختی انجام می شد، بنابراین پژوهندگان و کارشناسان رشته نفت در پی یافتن راه هایی برای بهسازی روش های موجود برآمدند. این کوشش ها و پژوهش ها همچنان دنبال شد تا همزمان با دومین جنگ جهانی روش های شکست کاتالیستی پدید آمد.
بنزین های به دست آمده از این روش به مراتب بهتر و مرغوب تر از بنزین های حاصله از روش های شکست حرارتی بودند و پیداست که این روش های تازه به جایگزین روش های گذشته شدند.
از سال های پس از جنگ تاکنون دانشمندان و پژوهشگران صنعت نفت همگام با پیشرفت هایی که در زمینه صنایع موتورسازی انجام شده در پی کامل تر کردن روش های شکست و پیدا کردن روش های تازه بوده اند و در این راه به پیروزی های چشمگیر دست یافته اند.