عنوان پایان‌نامه
مدل سازی سنیتیکی فرایند آلکیلاسیون بنزن جهت دستیابی به آلکیل آروماتیک ها در حضور کاتالیست های غیرهمگن زیولیتی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندها
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1719.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73653
- تاریخ دفاع
- ۳۰ دی ۱۳۹۴
- دانشجو
- فاطمه نصرآزادانی
- استاد راهنما
- شهره فاطمی
- چکیده
- اتیل‌بنزن یکی از مهمترین محصولات واسطه پتروشیمی برای سنتز استایرن می‌باشد. فرآیند صنعتی تولید اتیل‌بنزن بر پایه واکنش آلکیلاسیون بنزن با اتیلن در حضور کاتالیست اسیدی است. اتیلن، خوراک واحد تولید اتیل‌بنزن از تجزیه حرارتی هیدروکربن‌هایی چون اتان، میعانات گازی و نفتا بدست می‌آید که فرآیندی انرژی‌بر است و حجم عظیمی از گازهای گلخانه‌ای را تولید می‌کند. هزینه فرآیند کراکینگ و جداسازی برای دستیابی به اتیلن خالص، حدود یک سوم کل هزینه‌های تولید اتیل‌بنزن را دربرمی‌گیرد. بدین ترتیب، استفاده از اتان به‌عنوان ماده آلکیل‌کننده به‌منظور حذف مرحله تولید اتیلن، می‌تواند از نظر اقتصادی و زیست محیطی مفید باشد. با توجه به اتان موجود در گاز طبیعی در کشور ما و منابع گاز طبیعی مایع شده، می‌توان از این منابع جهت تولید الکیل‌آروماتیک‌ها چون اتیل‌بنزن استفاده کرد. مدلسازی سینتیکی گامی اصلی برای آنالیز، طراحی و بهینه‌سازی فرآیند در راکتورها است. از آنجا که مدلسازی فرآیند آلکیلاسیون بنزن با اتان کمتر مورد توجه بوده‌است، در این پژوهش از مطالعه حول مکانیزم فرآیند، تلاش برای مدلسازی آن با ارائه معادلات سینتیکی مجزا برای دو مرحله هیدروژن‌زدایی اتان و آلکیلاسیون بنزن انجام گرفت. معادلات سینتیکی متفاوت برای این فرآیند بر کاتالیست Pt-HZSM-5 در نظر گرفته شد و پس از تعریف یک شبکه واکنش مناسب شامل واکنش‌‌های اصلی و جانبی و با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی یک میکروراکتور بستر ثابت هم‌دما عملکرد آن‌ها در یک دمای مشخص مقایسه شد. از الگوریتم ژنتیک نرم‌افزار MATLAB برای یافتن مقادیر بهینه پارامترهای سینتیکی معادلات سرعت استفاده شد. پس از بررسی تابعیت دمایی ثابت‌های سینتیکی مدل‌های مورد نظر، سینتیک با بهترین عملکرد انتخاب شد و صحت آن مورد ارزیابی قرار گرفت. در ادامه با استفاده از بهترین مدل سینتیک پیشنهادی تأثیر پارامترهای عملیاتی دما، فشار، نسبت مولی اتان به بنزن در خوراک ورودی راکتور و زمان اقامت بر عملکرد فرآیند مورد بررسی قرار گرفت و شرایط بهینه عملیاتی جهت دستیابی به بیشترین بازده اتیل‌بنزن پیشنهاد شد. شرایط بهینه عملیاتی حاکی از آنست که در دمای 476 درجه سانتی‌گراد، فشار 5 بار، نسبت مولی اتان به بنزن برابر 9:1 در خوراک ورودی به راکتور با زمان اقامت 2.1 (gr cat.h)/(mole of feed) ، اتیل‌بنزن با بازده 3/14 درصد و گزینش‌پذیری حدود 75% را می توان تهیه کرد.
- Abstract
- Ethylbenzene is a key intermediate for polystyrene production, which is currently produced via benzene alkylation with ethene over acidic catalysts. The ethene feed used in EB production, is produced from the steam cracking of hydrocarbons such as ethane, liquefied petroleum gas (LPG) and naphtha, which is a very energy intensive process, leading to large CO2 emissions. Cracking and separation technologies to obtain pure ethylene account for approximately one third of total ethylbenzene production cost. Hence, using ethane instead of ethene, as alkylating agent, would eliminate ethene production step, leading to environmental and commercial benefits. Due to available hydrocarbons such as ethane in iran’s gas fields and LNG sources, direct benzene alkylation create a potential of using these inexpensive hydrocarbons to produce valuable aromatics like ethylbenzene. Kinetic modeling is important for analysis, design and optimization of chemical reactors. Much less effort have been made to obtain a reaction kinetic model for benzene alkylation with ethane. In present work, mechanism of the reaction was studied and different kinetic models, considering two steps of dehydrogenation and alkylation along with a reaction network of main and side reactions, was proposed. The optimized kinetic parameters were obtained using software optimization procedure by genetic algorithm. The models were compared to be best fitted on experimental data of an isothermal fixed bed micro-reactor. Also, the temperature dependence of rate constants was investigated and the best model was introduced and evaluated. Using the proposed kinetic model, the effect of most important operating conditions such as temperature, pressure, inlet molar ratio of ethane to benzene and contact time on product distribution was investigated. Temperature of 476 ?, pressure of bar, 9:1 ethane to benzene inlet molar ratio and contact time of 2.1 (gr cat.h)/(feed mole) was the optimal operating conditions to achieve maximum ethylbenzene yield of 14% with 75% selectivity to aromatic products
