شبیه‌سازی فرآیند هیدروژناسیون فورفورال به فورفوریل الکل

کد مقاله : 1105-IACC7

نویسندگان

کیمیا کریمی فر *، سیدرضا نبوی، ساجده جعفریان امیری، سمیه تقوی دانشگاه مازندران

چکیده مقاله

مقدمه در سال‌های اخیر، توجه به تولید مواد بیوشیمیایی و سوخت‌های زیستی از زیست‌توده، به ویژه زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی که یک ماده اولیه تجدیدپذیر با پتانسیل بالا است، به طور ویژه‌ای افزایش یافته است(1). در میان طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی مشتق شده از لیگنوسلولزها، فورفورال (FUL) ماده شیمیایی کلیدی است که کاربردهای گسترده‌ای در صنایع پالایش نفت، پلاستیک، داروسازی و صنایع شیمیایی کشاورزی دارد(2). با ورود سوخت‌های زیستی به عرصه انرژی، فرآیند هیدروژناسیون فورفورال به عنوان یکی از چالش‌ها و فرصت‌های تحقیقاتی جدید برای توسعه تولید مواد شیمیایی صنایع مطرح شد(۴-۳). هیدروژناسیون FUL در فاز مایع در شرایط عملیاتی ملایم‌ در یک حلال‌ آلی انجام می‌شود. بسته به نوع کاتالیزور انتخاب شده و شرایط واکنش هیدروژناسیون، طیف گسترده‌ای از محصولات مفید مانند فورفوریل الکل (FOL)، 2-متیل فوران و ... بدست می‌آید(5-4). FOL یکی از مشتقات مهم FUL است که در حال حاضر حدود 65% از کل FUL تولید شده، به عنوان ماده اولیه برای تهیه آن استفاده می‌شود(5). در این پژوهش طراحی و شبیه‌سازی فرایند هیدروژناسیون FUL به FOL با انتخاب شرایط عملیاتی و تجهیزات فرایندی مناسب انجام شده و اثر برخی متغیرهای عملیاتی بررسی گردید. بخش نظری فرآیند هیدروژناسیون انتخابی FUL به FOL با کاتالیزور CuAl2O4 در یک راکتور CSTR با استفاده از حلال 2-پروپانول و داده‌های سینتیکی گزارش شده، شبیه‌سازی شد. علاوه بر این، برخلاف فرآیندهای صنعتی فعلی که از کاتالیزورهای کرومیت مس استفاده می‌شود، کاتالیزور انتخابی دارای مزایای زیست‌محیطی از جمله عدم تشکیل محصولات جانبی، کک بوده و دارای پایداری فعالیت طولانی مدت است(6). از قانون سرعت power law با معادله r = kCFUL0.335 و مدل شبه همگن برای شبیه‌سازی راکتور CSTR استفاده شد. مقادیر انرژی فعالسازی kJ/mol 6/44 و ضریب پیشنمایی 4003 در معادله قانون سرعت لحاظ شد(7). از معادله حالت NRTL، برای بخش واکنش و جداسازی استفاده گردید. طراحی و شبیه‌سازی در نرم افزار اسپن پلاس با انتخاب تجهیزات فرایندی مناسب انجام شد. به علاوه انتخاب تجهیزات جداسازی و ایجاد جریان‌های برگشتی برای مواد واکنش نداده با توجه به شرایط عملیاتی و محصولات واکنش صورت گرفت. یافته ها شکل ۱ دیاگرام جریان فرآیند را نشان می‌دهد. با توجه به شکل خوراک تازه با دبی ( kg/hr980) با جریان برگشتی حاوی حلال و FUL واکنش نداده وارد مخلوط‌کن شده و به راکتور CSTR فرستاده می‌شود. هیدروژن تازه با دبی (kmol/hr 10) و فشار (bar 1) با هیدروژن برگشتی مخلوط شده و توسط کمپرسور با فشار bar 20 وارد راکتور می‌گردد. محصولات خروجی از راکتور ابتدا وارد یک تانک فلش شده تا جداسازی هیدروژن واکنش نداده انجام شود. ته مانده تانک فلش وارد برج تقطیر اول می‌شود. جداسازی حلال از محصولات واکنش انجام شده و حلال به راکتور برگشت داده می‌شود. محصولات پایینی برج وارد برج تقطیر دوم شده و عملیات جداسازی و برگشت FUL واکنش نداده از FOL انجام می‌شود. آنالیز حساسیت با استفاده از تغییر زمان اقامت و دمای واکنش انجام شد. شکل۱- نمودار جریان فرایند هیدروژناسیون فورفورال به فورفوریل الکل شکل ۲ (a) روند تغییرات میزان تبدیل فورفورال و با زمان اقامت را نشان می‌دهد. با افزایش زمان اقامت میزان تبدیل خوراک روند افزایشی داشته و در مقادیر بالاتر از hr 3/0 به میزان تبدیل 98% می‌رسد. با توجه به دبی ورودی، حجم راکتور CSTR در شرایط ایزوترمال (دمای C170°) با میزان تبدیل، 87%، m3 5/1 محاسبه شد. درحالیکه در زمان اقامت hr ۵/0، حجم راکتور m3 5/5 بدست آمد. روند تغییرات میزان تبدیل FUL با دما در شکل۲(b) نشان داده شده است. با افزایش دما سرعت واکنش افزایش یافته و FUL بیشتری تبدیل می‌گردد. انتخاب دمای مناسب می‌تواند با در نظر گرفتن میزان تبدیل مناسب و محدودیت‌های عملیاتی نظیر پایداری کاتالیست و تجهیزات انجام شود. به علاوه در مقادیر پایین از میزان تبدیل هزینه‌های عملیاتی واحدهای جداسازی پایین دست نیز افزایش خواهد یافت. برای یک مطالعه موردی اگر میزان تولید سالانه برای FOL ton/yr 7۰۰۰ در نظر گرفته شود با احتساب میزان تبدیل 87% برای خوراک ورودی شرایط عملیاتی و طراحی برای واحدهای مختلف مطابق جدول ۱ محاسبه گردید. جدول۱- شرایط عملیاتی استفاده شده در طراحی فرآیند هیدروژناسیون فورفورال به فورفوریل الکل Parameter Value Parameter Value حجم راکتور 5/1m3 تعداد سینی‌های برج تقطیر اول 12 دبی خوراک 980kg/hr نوع کندانسور جزئی دبی هیدروژن 10kmol/hr نسبت تقطیر به خوراک 865/0 غلظت فورفورال 2 mol/lit درص خلوص حلال جدا شده ۳/%99 دبی فورفوریل الکل 815/۴ kg/hr تعداد سینی‌های برج تقطیر دوم 16 دمای تانک فلش 25°C نوع کندانسور کلی فشار تانک فلش 20bar نسبت تقطیر به خوراک 115/0 دبی فورفورال در خوراک تازه 800 kg/hr درصد خلوص فورفوریل الکل تولیدی 98/%99 شکل۲- (a) -تغییرات میزان تبدیل خوراک با زمان اقامت (b) -تغییرات میزان تبدیل خوراک با دما نتیجه ‌گیری فرآیند هیدروژناسیون FUL و تبدیل آن به FOL بر اساس مدل Powerlaw در نرم‌افزار اسپن پلاس شبیه‌سازی شد. بر اساس آنالیز حساسیت تأثیر پارامترهای واکنش شامل زمان اقامت و دمای واکنش بر میزان تبدیل خوراک بررسی شد. در یک مطالعه موردی جهت تولید kton7 FOL در سال شرایط عملیاتی و پارمترهای طراحی تجهیزات محاسبه گردید. مطالعات انجام شده با مدل سینتیکی به کار رفته می‌تواند برای توسعه طراحی فرآیند و افزایش مقیاس فرایند هیدروژناسیون FUL و تولید FOL مفید باشد.

کلیدواژه ها

فورفورال، فورفوریل الکل، شبیه‌سازی، فرآیند هیدروژناسیون، زیست‌توده، طراحی فرآیند

وضعیت: چکیده برای ارائه به صورت پوستر پذیرفته شده است