گاز سنتز، متانول و شبیه سازی فرایند های تولید

گاز سنتز، متانول و شبیه سازی فرایند های تولید

چکیده

در این مقاله ابتدا به بررسی گاز سنتز، کاربردها و روش های تولید آن پرداخته شده و سپس با استفاده از روش ریفرمینگ هیدروکربن ها به بررسی فرایند تولید گاز سنتز می پردازیم.در نهایت با اعمال فرایند های دیگر بر روی گاز سنتز، فرایند تولید متانول را در یک راکتور تعادلی بررسی می نماییم.کلیه ی شبیه سازی ها در حالت استاتیک انجام می گیرد.

کلمات کلیدی: گاز سنتز، ریفورمینگ، متانول، راکتور تعادلی

مقدمه

زمانی نفت استخراج شده از دل زمین، تامین کننده ی اصلی انرژی مورد استفاده ی انسان ها به شمار می رفت.روز به روز تکنولوژی و فرایند های جدیدی برای استخراج، پالایش و تبدیل این ماده ی با اهمیت ابداع می شد به طوری که در برخی کشورها این ماده و تجارت آن به عنوان عامل مهم اقتصادی آن کشور مطرح گردید و جنگ ها و خون ریزی های زیادی بر سر ای ماده ی سیاه رنگ بوجود آمد.در حال حاضر نیز از این ماده و مشتقات آن به عنوان سوخت استفاده می شود اما با استفاده و استخراج زیاد، منابع آن رو به کاهش است.کاهش نفت به عنوان یک کالای مهم و افزایش آلاینده های محیط از سوی دیگر، نگاه ها را متوجه ی گاز طبیعی کرده است.گاز طبیعی از سایر حامل های انرژی پیشی گرفته و با رشد صنعت تقاضا برای آن رو به افزایش است.مزایایی که گاز طبیعی نسبت به سایر سوخت های فسیلی داراست توجه مصرف کنندگان انرژی را به خود جلب کرده و موجب افزایش روز افزون سهم آن در منابع انرژی شده است.با توجه به حجم منابع گاز طبیعی در دنیا و وجود زیرساخت های توزیع آن، این ماده به عنوان مهم ترین منبع سوخت اولیه برای کاربرد های نیروگاهی و حمل و نقل مطرح شده است.

گاز سنتز

گاز طبیعی از سوخت های فسیلی مهم محسوب می شود که با توجه به استفاده ی روز افزون از آن، حجم منابع آن به مرور زمان رو به کاهش است.از این رو صرفه جویی در مصرف آن و تبدیل آن به مواد با ارزش دیگر اهمیت بالایی دارد.استفاده ی بهینه از گاز طبیعی در کشورها عاملی برای پیشرفت تکنولوژی صنعت آن کشور به شمار می رود.استفاده از گاز طبیعی در جوامع به دو صورت می باشد:

۱- استفاده ی مستقیم از آن به عنوان سوخت و تجارت بین کشورها

۲- تبدیل آن به مواد با ارزش تر

قطعا روش دوم دارای بازدهی و ارزش بیشتری خواهد بود.روش های مختلفی برای تبدیل گاز طبیعی به مواد دیگر موجود است که تقریبا برای همه ی این روش ها یک مرحله ی واسطه وجود دارد و آن تولید گاز سنتز است.گاز سنتز به مخلوط های گازی با نسبت های مختلف بین کربن مونوکسید (CO) و هیدروژن (H2) اطلاق می شود.از آن جایی که تولید مواد مختلف از گاز سنتز به نسبت های مختلفی از CO و H2 نیاز دارد، باید با استفاده از روش های مختلف در تولید گاز سنتز، این نسبت های مختلف را ایجاد نمود.

این دو ماده ی تشکیل دهنده ی گاز سنتز هر کدام به تنهایی ویژگی ها و کاربرد های خاص خود را دارند که در کنار یکدیگر و در یک ترکیب گازی عامل تولید مواد با ارزشی می شوند.

کربن مونو اکسید گازی است بی رنگ و بی بو که در اثر ناقص سوختن کربن به دلیل کمبود اکسیژن در محیط و یا بالا بودن نسبت کربن به هیدروژن در سوخت بوجود می آید.قاتل خاموش یا قاتل نامرئی اصطلاحی است که با توجه به سمی بودن و ضعف در تشخیص وجود آن در محیط به این ماده نسبت داده اند.هنگامی که این ماده از راه تنفس وارد بدن می شود با هموگلوبین خون واکنش می دهد.در مقایسه با اکسیژن میل ترکیبی CO حدود ۳۰۰ برابر میل ترکیب اکسیژن با خون است و از این رو جایگزین اکسیژن در خون شده و مانع رسیدن اکسیژن به سلول ها و باعث مرگ آن ها می شود.در کنار مضرات و خطرات این ماده، با رعایت موارد ایمنی می توان از آن برای تولید رنگ، پلاستیک ها، فوم ها، حشره کش ها، علف کش ها و اسید ها استفاده کرد.

هیدروژن با نماد H سبک ترین عنصر در جهان است که به فراوانی در طبیعت یافت می شود.مولکول های هیدروژن (H2) در صنعت نفت و گاز به طور فراوان کاربرد دارند و بیشترین کاربرد آن در تولید آمونیاک است.از کاربرد های دیگر آن می توان به هیدروژنه کردن روغن ها، تولید متانول، عامل خنک کننده در نیروگاه ها، عامل کاهنده در احیای سنگ معدن و … را نام برد.



کاربرد های گاز سنتز

همان طور که گفته شد از گاز سنتز برای تبدیل گاز طبیعی و تولید مواد جدید استفاده می شود.عمده ی موارد مصرف گاز سنتز عبارتند از:

۱- تهیه ی متانول (که در این مقاله بررسی خواهد شد)

۲- تهیه ی اتیلن گلایکول که در اثر تراکم گاز سنتز در فشار بالا و حضور کاتالیست تولید می شود.اتیلن گلایکول به عنوان ضد یخ در موتور خودروها استفاده می شود.

۳- واکنش های هیدروفرمیل دار کردن که در آن ها آلدئید از اولفین با استفاده از گاز سنتز تولید می شود.

۴- سنتز فیشر – تروپش: تبدیل گاز به محصولات مایع هیدروکربنی از طریق سنتز فیشر – تروپش یکی از فناوری های رو به رشد در صنایع نفت و گاز است.فرایند سنتز فیشر – تروپش یکی از فرایند های مهم تبدیل گاز سنتز حاصل از گاز طبیعی یا زغال سنگ به فراورده های مایع با ارزش است.در این فرایند که در فاز گاز و با کاتالیست جامد انجام می شود، گاز سنتز به مجموعه ای از هیدروکربن ها از جمله مولکول های بنزینی تبدیل می شود.از کاتالیست های مورد استفاده در این سنتز می توان به آهن، کبالت و آلومینیوم اکسید اشاره کرد.

۵- احیای سنگ آهن: در این فرایند آهن و یا پودر آن به وسیله ی احیای مستقیم کانی های آهن و با استفاده از گاز سنتز به دست می آید.

از دیگر مصارف گاز سنتز می توان تهیه ی الکل های سنگین، دی متیل اتر، استرها، کتون ها، هیدروکربورها و … را نام برد.

تولید گاز سنتز

فرایند های تولید گاز سنتز شامل دو گروه کاتالیستی و غیر کاتالیستی می باشند.گازی شکل کردن زغال سنگ یکی از روش های غیر کاتالیستی است که از زمان های دور برای تولید گاز سنتز مورد استفاده بوده است.در این روش گاز سنتز از طریق زغال سنگ در دمای پایین بوسیله ی هوا و بخار آب بوجود می آید.در فشار ۲۰ تا ۳۰ اتمسفر زغال سنگ را با جریانی از بخار آب و اکسیژن مجاور می کنند و در این حالت قسمتی از زغال سنگ به هیدروژن و منوکسید کربن تبدیل می شود.از آن جایی که زغال سنگ دارای مواد مختلفی در ساختار خود است، گاز تولید شده خالص نیست و برای رسیدن به خلوص مورد نظر باید از فرایند های مختلفی روی آن استفاده نمود.

در اکسیداسیون جزیی هیدروکربن ها که راه دیگری برای تولید گاز سنتز و مانند روش قبل غیر کاتالیستی می باشد، هیدروکربن در حضور اکسیژن و بخار آب سوخته می شود.هیدروکربن به همراه اکسیژن در یک مشعل سوخته و از بخار برای کنترل دما استفاده می شود.در مشعل بخشی از هیدروکربن ها سوخته شده و بخشی دیگر به هیدروکربن هایی با زنجیره ی کوتاه تر تبدیل می شوند.از هیدروکربن های مختلفی برای خوراک واحد اکسیداسیون می توان استفاده کرد که با توجه به درصد و ساختار این ورودی ها می توان گاز سنتز با درصد های مختلفی از CO و H2 تولید نمود.

تولید هیدروژن از گاز طبیعی یکی از سیاست گذاری های موجود برای معرفی هیدروژن به بخش های انتقال و نیروگاه ها می باشد که این کار توسط کاهش هزینه ی فرایند تولید هیدروژن بر اساس تولید هیدروژن از سوخت فسیلی قابل انجام است.فرایند رفورمینگ متان با بخار آب (SMR) یکی از روش های رایج در صنعت برای تولید گاز سنتز محسوب می شود.این فرایند به طور معمول در رفرمرها صورت می گیرد.رفورمینگ هیدروکربن ها جز فرایند های کاتالیستی است.شکل این کاتالیست ها استوانه ای دو سر گنبد و دارای سوراخ های طولی می باشند.پایه ی این کاتالیست ها از مواد Al2O3CaO,Al2O3MgO و Al2O3 و فلز فعال آن نیکل با درصد های مختلف می باشد.

با صرفه ترین و رایج ترین روشی که در حال حاضر برای تولید گاز سنتز در حال اجرا است، رفورمینگ هیدروکربن می باشد.در سال های اخیر به دلیل افزایش قیمت کک و زغال سنگ، فرایند رفرمینگ هیدروکربن ها مطرح شد.همچنین این فرایند نسبت به سایر روش ها، ناخالصی کمتری در گاز تولیدی دارد.هیدروکربنی که به طور معمول به عنوان خوراک این فرایند استفاده می شود، گاز طبیعی (متان و اتان) است که جزو گازهای سبک به شمار می رود.

یکی از مشکلاتی که در این فرایند وجود دارد تولید کربن روی سطح کاتالیست است که باعث کاهش بازده و عملکرد کاتالیست و ایجاد نقاط داغ در راکتور می شود.در این فرایند، تولید کربن به نوع کاتالیست مورد استفاده و خوراک ورودی وابسته است.مهمترین کاتالیست مصرفی در رفرمینگ، نیکل است.ترتیب سرعت نسبی تشکیل کربن روی این کاتالیست بر حسب نوع خوراک ورودی را در زیر می توانید مشاهده نمایید:

Ethylene>Benzene,Toluene>n-Heptane>n-Hexane>Cyclohexane>trimethyle butane,nbnutane>methane

بنابراین استفاده از هیدروکربن های سبک مقرون به صرفه است.


شبیه سازی فرایند تولید گاز سنتز

حال که با مفهوم گاز سنتز، کاربرد ها و روش های تولید آن آشنا شدیم می خواهیم فرایند تولید آن را بر اساس رفرمینگ شبیه سازی نماییم.شبیه سازی را با استفاده از نرم افزار هایسیس و انجام واکنش های زیر در یک راکتور تعادلی انجام می دهیم.



محیط شبیه سازی و ترکیب درصد مواد به شکل زیر خواهد بود:





همانطور که مشاهده می شود در جریان خروجی کربن منوکسید و هیدروژن که تولید آن ها هدف شبیه سازی ما بود وجود دارند.همچنین چون در جریان ورودی مقدار زیادی آب داشتیم در جریان های خروجی نیز آب وجود دارد.

شبیه سازی فرایند تولید متانول

واکنش هایی که منجر به تولید متانول می شوند به صورت زیر می باشند:



بنا بر اصل لوشاتلیه در واکنش های گازی، با افزایش فشار، تعادل به سمت مول های گازی کمتر پیش خواهد رفت.پس در اینجا برای تولید بیشتر محصول (متانول) باید فشار گاز سنتز را افزایش داد.از طرفی در مخلوط گاز سنتز که ساخته ایم مواد بی اثر و مزاحم (آب و متان) وجود دارند که با حذف آن ها بازده ی تولید افزایش پیدا خواهد کرد.با توجه به کم بودن مقدار متان و پایین بودن نقطه جوش آن فقط با کاهش دما تا ۴۰ درجه ی سانتیگراد مقدار آب را در سیستم کاهش خواهیم داد و سپس با استفاده از کمپرسور فشار را به ۸۰۰۰ کیلوپاسکال می رسانیم.البته باید توجه داشته باشیم که با توجه به دو فازی بودن سیال پس از سرد سازی باید از یک جدا کننده ی دو فازی قبل از ورودی کمپرسور استفاده کرد.جریان خروجی از کمپرسور با فشار بالا را وارد یک راکتور تعادلی تولید متانول می کنیم.دو واکنش تولید متانول را در یک گروه واکنشی جدید تعریف کرده و این گروه را به راکتور معرفی می کنیم.دمای گاز سنتز را برای حذف آب کاهش دادیم.حال برای انجام واکنش دمای خروجی راکتور را ۲۵۰ درجه ی سانتیگراد وارد می کنیم.



نتایج شبیه سازی در زیر مشاهده می شود.





منبع:انجمن مهندسی شیمی