مدلينگ و شبيه‌سازي سنتز حلقة آمونياك

hmdjml

مدیر تالار مهندسی نفت
مدلينگ و شبيه‌سازي سنتز حلقة آمونياك
اين مقاله طرح‌ريزي و شبيه‌سازي حلقة سنتز يك آمونياك تحت عمل را توصيف مي‌كند. براي واحدهاي فرايند‌هاي مختلف مدل‌ها اصولهاي اساسي استفاده كردن را فرمول‌بندي مي‌كند و پارامتر‌هاي ناشناخته از طريق اتصال توليدات آنها با اطلاعات طرح تعيين مي‌شوند. و سپس مدل‌هاي مربوط بهم براي سنتز اجزاي حلقه تحت شرايط گوناگون استفاده مي‌شوند. اثرات نسبت در recycle، فشار حلقه، سرعت جريان گاز recycle ، و غلظت مادة بي اثر در سرعت توليد آمونياك، تغيير كم هيدرژن و سود ناخالص مطالعه مي‌شود. در بين آنها، نسبت براي منقطع شدن هيدرژن استفاده مي‌‌شود. و ارزش مقدار مطلوبش در حدود 2.5 قرار مي‌گيرد كه بعدا از طريق اجراي طرح و نتايج شبيه سازي تاييد مي‌شود. در اين ارزش، هر كسي مي‌تواند به آساني مقدار مطلوب پارامتر‌هاي ديگر براي اطلاعات طرح جمع‌آوري كند.
مقــــــدمــــه
آمونياك در بين مواد شيميايي توليدي در جهان در گنجايش بالا در رابطه با مصرف وسيعش در كارخانه توليدي مهم است. يك فرايند برجستة توليد آمونياك شامل:
a : توليد از سنتز گاز
b : تراكم گاز با فشار بالا
C : سنتز حلقه كه تغييرش با آمونياك رخ مي‌دهد، مي‌باشد. اگر چه دو بخش اوليه اهميت خودشان را دارند،بخشي از سنتز حلقه است كه در راه‌كرد كنترلي طرح مقطوع است.
از اين رو،كار امروزي بر روي طرح‌ريزي و شبيه‌سازي سنتز حلقة آمونياك در تمركز عمل قرار دارد كه ذخيرة نفت را بعنوان منبع هيدرژن استفاده مي‌كند. شكل 1 ، يك نمودار سادة سنتز حلقة تحت برسي را نشان مي‌دهد كه تحت فشار 500*10 paـ300 *10 عمل مي‌كند.
گاز توليدي از تغيير دهنده با 453 K از ميان ديگ بخار گرماي زياد مي‌گذرد جاييكه با 413 K سرد مي‌شود. اين جريان از ميان متراكم كننده مي‌گذرد و بعدا در دماي زير نقطة شبنم‌اش سرد مي‌شود. پس تركيب گاز و مايع از متراكم كننده وارد دفع‌كننده مي‌شود كه در آنجا با گاز فشرده تازه تركيب مي‌شود و آمونياك مايع از گاز جدا مي‌شود. اين گاز مجددا مي‌چرخد و به تغيير‌دهنده مي‌رسد. خوراك جديد در حدود K 308 است. و شامل هيدرژن و نيترژن با ويژگيهاي استوكيومتري براي جمع شدن با مقادير كم آرگون و متان مي‌باشد. آمونياك مايع جدا‌شده در ظرف دفع‌كننده در يك ظرف و ستون كاهش يافته در حرارت جريان مي‌يابد كه در آنجا فشار بطور رضايتبخش براي دفع گازهاي قابل حل كاهش مي‌يابد. توليد ظرف كاهش يافتة از حرارت و شدت 99% آمونياك، مايع خالص است.
بخارهاي خالص گوناگون مشخص شده در شكل 1 براي نگهداري ماده‌هاي بي‌اثر در سيستم براي حداقل سطح، البته به قيمت آزادي بخش هيدرژن، لازم هستند.
امروزه در مطالعه مدل‌هاي رياضياتي واحد‌هاي تكي در سنتز حلقه بر اساس اصول‌هاي فيزيكي و شيميايي متعلق به پديدة رخ داده در هر كدام از آنها پيشرفت مي‌كند. پارامتر‌هاي مدل ناشناخته از طريق اتصال توليدات مدل اطلاعات طرح ثابت جمع شده در طول زمان ايجاد مي‌شوند. مراقبت براي ايجاد چنين پارامتر‌هايي كه از نظر فيزيكي در همة جنبه‌ها ثابت هستند، اجرا مي‌شود. مدل‌هاي پيشرفته‌اي براي واحد‌هاي مختلف در داخل بهم متصل هستند و براي تحريك كنش، تحت شرايط مختلف در داخل استفاده مي‌شود و با توجه به سرعت توليد آمونياك آن را به حد مطلوبي مي‌رساند. واضح خواهد شد كه نظرية منطبق در اين مطالعه بر اساس نوشتن برنامه‌هاي كامپيوتري واحدهاي حلقه‌هاي تكي كه به نسبت هر بسته‌بندي تعديل كننده همانطور كه توسط ( فلور واتهيد 1973 و مونارد 1975 ) مرور شد، مي‌باشد. آن روش براي پيوستن به جزييات خيلي بيشتر با هدف مهيا كردن ديد بهتر در فرايند ممكن مي‌باشد.
اطلاعات طرح
اطلاعات طرح در دو دورة مختلف طي مدت زمان معين تقريبا دو سال براي روزهاي متوالي در هر دوره و در فاصله‌هاي معين در سه تغيير عمل در هر روز جمع مي‌شوند. در سيستم فشار بالا، هيچ كدام از اندازه‌گير‌يهاي جريان در طرح مهيا نمي‌شوند. بجز آنهايي كه سرعت توليد آمونياك را اندازه‌گيري مي‌كند.
بعلاوه اندازه‌گيري‌هاي زير قابل قبول هستند:1- دماهاي جريانهاي و دماهاي بستر تبديل‌كننده، 2- فشارهاي جريانهاي، نقطة شبنم 3- تجزية بخارهاي
اطلاعات 1 تا 5 بيانگر ثبت قابل قبول لا تواناييFlow sheet منظم مي‌شود. شكل 2 در مطالعة طرح‌ريزي و شبيه‌سازي استفاده مي‌شود.تركيب و دماي جريان A1 از طريق محاسبة نقطة شبنم تخمين زده مي‌شودسپس تركيب و دماي جريانهاي خروج، نقطه شبنم و نسبت‌هاي بايع به بخار آنها بطور موفقيت‌آميز از طريق تبخير زودگذر محاسبه مي‌شوند. در چرخة سيستم يك ( شكل 1 ) تعادلهاي نيترژن و متان سرعت جريانهاي F,P1 را مهيا مي‌ كنند.اين اجزاهاي ويژه حقيقتهايي را انتخاب مي‌كنند كه 1- تعداد كلي مولها در معرض واكنش شيميايي در تبديل‌كننده كاهش مي‌يابد، 2- موازنه‌هاي تركيب‌كننده براي نيترژن و هيدرژن نمي‌تواند مستقل باشد 3- در برسي‌هاي طرح تنها مقدارهاي هيدرژن، متان و آمونياك را معين مي‌كنند. در سيتم فرعي 2 ( شكل 1 )از آنجايي كه هيچ واكنش شيميايي رخ نمي‌دهد، بنابر‌اين موازنة كلي و هر موازنه جزء منفرد، سرعت‌هاي جريانهاي F1,P را مهيا مي‌كند.
تبديل كننده
در تبديل كننده واكنش كاتاليستي زير رخ مي‌دهد:
N2+3H2=2NH3
از آنجايي كه در دماهاي ارزيابي شده ، رها كننده مقدار زياد گرما رخ مي‌دهد، اين گرما براي بدست‌‌‌‌‌‌آوردن يك تغيير كلي قابل قبول به خوبي براي محافظت كاتاليست برطرف مي‌شود. در همان زمان انرژي رها شده مي‌تواند براي گرم كردن خوراك ورودي گاز با دماي مناسب واكنش استفاده شود. بهمين دليل يك تبديل كننده آمونياك، خود محافظ است. همانطوريكه توسط ( وان هردن ) نشان داده شد،فرايند خودگرما داراي راه‌حل‌هاي ثابت مضاعف مي‌باشد، از اين رو عملكرد ثابتش كاملا قطعي است.
تغيير‌دهندگان آمونياك در طرح‌هاي مختلف همانطور كه توسط ( والس ) توصيف شد، سودمند هستند. طرح‌ريزي آنها با توجه طول 3 دهه آخر دريافت شده است. Annable 1952) از اولين كساني بود كه طرح‌ريزي راكتور ثابت را از طريق استفاده از معادلة سرعتTemkin_Pyzhev معروف، مطالعه مي‌كند،تاثير زياد بر روي پارامترهاي عايق گرما قرار مي‌گيرد.kjaer 1958 نيز يك مدل براي نوع ( هابز ـ بوش ) از راكتور، از طريق محاسبة گوناگونيها در دماها در هر دو جهت‌هاي طولي و شعاعي فرمول‌بندي مي‌كند.Zayaranyi 1962 نيز يك مدل ثابت را براي نوع ( هابز ـ بوش‌) تبديل‌كننده پيشرفت مي‌دهند.Baddour مدل ساده‌اي براي راكتور TvA ، بيانگر دماهاي طرح و سرعت توليد آمونياك در حدود 15 تا 20 درصد است، گزارش مي‌كنند.Shah 1965 نيز طرح تغيير‌دهنده نوع ( هابزـ بوش)را گزارش مي‌دهد، هدف اوليه آنها براي مشاهده كردن اثر گوناگونيهاي مختلف در ثبت عملكرد تغيير دهنده است. بعدا، Shah مطالعه شبيه‌سازي را بر روي تبديل‌كننده نوع آرام‌كننده با همان هدف انجام مي‌دهد.Almasy 1967 بر روي جنبه‌هاي طرح تبادل گرما‌بخشي از NEC,TVA و تبديل‌كنندگان لوله‌اي ساده جريان متقابل تمركز دارد.Paavo urenenn 1971 طرح‌ريزي تبديل‌كنندة نوع آرام‌كننده را گزارش مي‌دهد كه گوياي كنترل تصفية مطلوب حلقه است.Kuber 1974 مدلي را براي تبديل‌كنندة نوع آرام كننده جريان شعاعي را پيشرفت مي‌دهد.Gains 1977 پيشرفت اساسي در فعاليت مفيد از طريق نگهداري دماهاي مطلوب در تبديل‌كنندة نوع آرام‌كننده را نشان مي‌دهد.Saraf , singh 1979 به اثرات انتشاري درون منفذ‌هاي كاتاليست براي توصيف معادلة سرعت سنتز براي كاتاليست‌هاي مختلف، توجه مي‌كنند.آنها بطور كلي موفقيت خوبي را بين اطلاعات طرح و نتايج‌شبيه‌سازي براي هر دو راكتور‌هاي اتو‌‌ترمال و آنهايي كه داراي بسترهاي كاتاليست عايق‌گرما با سرد‌كننده داخلي هستند‌، پيدا مي‌كنند.امروزه در مطالعه، نوعCasale تغيير دهنده دخالت مي‌كند، كه در ساختار نشان داده شده در شكل 3 خيلي پيچيده است. آن‌ شامل دو فضاي حلقوي ( كانالهي 1و4) دربرگيرندة سبد كاتاليست مي‌باشد.در بستر كاتاليست ( كانال 3 )، 84 لولة سرد كننده ( كانال 2 )35 mm.d, 30 mm.i.d در بالاترين قسمت3 گوشه 85 mm مرتب مي‌شوند.ذرات جلورفته كاتاليست اكسيد آهن از اندازه 12 to 21 mm در كنار لوله‌هاي سرد كننده منظم مي‌شوند. تعدادي لوله‌ها محتوي گرم‌كنندگان الكتريكي براي استفاده در طول مبدا هستند، مابقي لوله‌ها براي پذيرفتن جريان يكنواخت گاز در همه لوله‌ها ميانه‌هاي مشابه دارند. درون و بيرون قطر‌هاي سبد كاتاليست بطور نسبي 928 , 948 mm هستند.
1
2
3
4
5
6
در بيرون سبد، ميله‌هاي 8 mm قطري براي تشكيل helice ها بهم مي‌پيوندند كه بعنوان تحريك‌كنندگان متلاطم در كانال 4 عمل مي‌كنند. helice هاي مشابه در كانال 1 موجود هستند. در كانالهاي 1و2 گاز تركيبي ( مخلوط شده ) در طول جريانش گرم مي‌شود. گرماي گاز مخلوط شده با Cold-shot به بستر كاتاليست وارد مي‌شود. بعد از واكنش توليد گاز از ميان كانال 4 ، جريان مي‌يابد و گرما را به گاز مخلوط شدة وارد شونده انتقال مي‌دهد. در نوشتن معادلات مدل، درجه‌هاي دماي شعاعي و درجه‌هاي مربوط به غلظت در نتايج گزارش شده توسط Kjaer ناديده گرفته شده‌اند. هر انتشار محوري از آنتالپي ( مقدار نيروي دروني جسم و حاصل حجم آن در فشار آن )در جنبة نتايج بدست آمده توسط Emery ناديده گرفته مي‌شود. از آنجايي كه مخلوط گاز در سرعت سريع و كافي جريان مي‌يابد، زمان اقامتش چند ثانيه است، اطلاعات اضافي اهميت عملي توسط ساختن مدلي خيلي پيچيده در شكلي از معادلات متفاوت جزيي قابل قبول نخواهند بود، از اين رو زمان بعنوان يك متغير بحساب نمي‌آيد. بنابراين مدل ثابت پيشرفته شامل معادلات متفاوت معمولي زير مي باشد كه انتقال توده گرما را درون كانالهاي تغيير دهنده توصيف مي شود.معادلات 1 تا 4 تغيير دما را در امتداد طول تغيير دهنده در كانالهاي 1 تا 4 توصيف مي كنند.معادلات 5 سرعت تغيير كم هيدروژن در بستر كاتابوليت را مشخص مي كند. معادله 6 براي آوردن ارتباط نزديك بين دماهاي مشاهده شده و حساب شده بستر معرفي مي‌شود. جزئيات با توجه به راه حل معادلات بالا ، پارامترهاي معروف ، و ايجاد پارامترهاي ناشناخته درجاي ديگر شخص مي شوند. بعلاوه اطالاعات مختصر در پاياه بيان مي شود. تاكيد بيشتر براي پاسخ به اندازه گيري هاي دقيق و قابل قبول از طرح پذيرفته مي شود قبل از اينكه مدل تغيير دهنده درمطالعه شبيه‌سازي حلقه داخل شود. شكل 4 يك ارتباط برجسته به دست آمده از دماهاي بستر كاتالسيت را نشان مي دهد.

VLE
ارتباطات موازنه بخار ـ آب براي آمونياك با وجود آلودگي‌ها ( يعني CH3 , Ar , H2 , N2 )به طرح ريزي ديگر واحدهاي حلقه مثلاً متراكم كننده ، دفع كننده ، ستون كاهش حرارت و ظرف (درام) احتياج دارند. اطلاعات مفيد و زياد (VLE) براي نويسندگاني از فروشندگان طرح در نظم k 323-273 و Pa 105 × 490- 105 × 49 با نسب مولكولي مرحله بخار H2 : N2 : Ar: CH4 مساوي با 46/0 : 19/0 :1/3 مفيد هستند اينها از طريق ارزيابي ضريب هاي فوگاسيته مرحله بخار مصرف كنند. معادله Reding – Kwong با يكي از پارامترايش براي محاسبه موازنه در جاي ديگر مشخص مي شود. 3 غلظت برجسته مرحله بخار در موازنه با مرحله مايع در جدول Iمشخص مي شود.
متراكم كننده :
متراكم كننده آمونياك در حلقه تركيبي يك حفاظ عمودي و نوع لوله بدون هيچ آشفتگي است. تراكم درون لوله‌هايي در فشار بالا رخ مي دهد و يك پديده پيجيده است.به خاظراينكه انتقال گرما و توده بلور همزمان به خوبي حل اجزاهاي ديگر در آمونياك متراكم صورت مي گيرد. در اصل ، براي يك طرح ريزي شديد حركتي توده هاي انتقال دهنده توده را از همه تركيبات هاي موجود را به حساب مي آورد.
از اين رو ، ناهماهنگي ميتواند از ضريبهاي انتقال توده محاسبه شده براي سيستم چند تركيبي مورد نظر ، با استفاده از ارتباطهايي مانند آنهايي كه توسط « بيرد» (1960) يا «تريال » (1968) در معرض حداقل معادلات (1+ n ) مفيد براي تعيين توده هاي n ناشي شود . در همان زمان ، ضريبهاي متفاوت Stefen – Mauwell مي توانند حل شوند. اما براي سيستم 5 جزئي راه حل آنها كاملاً مشكل است .از آنجايي كه قابليت حل كلي عدم تركم در آمونياك بيشتر از 5 درصد نيست ، نظريه ساده اي در اينجا پذيرفته مي شود، آن بر اساس غلظت موردنظر آمونياك به تنهايي گار متراكم كننده به عنوان يك سيستم دوتايي آمونياك و غير قابل تراكم توجه كنيد، معادلات مدل زير براي طول متفاوت متراكم كننده نوشته مي شوند ، كه به طولاني دماي سطح داخلي كه بر روي دماي اشباع گاز باقي مي‌ماند ، قابل اجرا هستند .


پس دماي سطح داخلي Td از طريق معادله 9 محاسبه مي شود. تراكم به زودي دماي سطح داخلي كاهش يافته به زير دماي اشباع بخار شروع مي شود.در آن مورد معادلات زير قابل اجرا هستند.



در معادله 10 ، 5 يك عامل اصطلاح ، شناخته شده به عنوان اصلاح (Acker man) براي نگهداري اثرات گرماي حساس بين مرحله گاز توده و سطح داخلي ، است. به منظور تعيين Td كه در اين مورد زير دماي اشباع است ، يك موازنه سرعت جريان گرما به صورت زير ساخته مي شود.
Hc(Td-Tc)=ht(T0-Td) +N1M1 + Dq 13
براي بخشي كه در آن فيلم خلاصه شده قبل از ان به وجود آمده .
14
Dq= 15
از اين‌رو براي بخشي كه تراكم شروع مي شود Dq =0 , hc=hs
ضريب هاي انتقال دهنده گرما :
در معادله 14 ، سرد كننده ضريب انتقال دهنده گرمايي بين سرد كننده و سطح داخلي (hs) و ناپاكي و مقاومتهاي ديواره لوله است . براي يك متراكم كننده مغشوش ، يك ارتباط توسط( kem (1950) براي ارزيابي (hs) مشخص مي شود. اما براي يك متراكم كننده بدون اغتشاش ، كه يك مورد موجود است ، هيچ ارتباط مجزا سودمند نمي باشد. بنابراين ، همان نوع ارتباط مي تواند توسط معرفي عامل اصلاح « C» جهت تعيين توسط توليد يك ارتباط با اطلاعات طراحي تعيين مي شود، ارتباط به شكل زير است .
16
براي 2100( > De(Gw/
17
18

19
ارتباطات براي ضريبهاي h1 , ht از M sadams , Kern به طور نسبي قابل قبول هستند.


سرعت جريان توده :
به منظور محاسبه سرعت جريان توده «N1 »معادله زير استفاده مي شود. از اين رو در معادلات مدلينگ بالا براي متراكم كننده تنها پارامتر ناشناخته C در معادله 16 است كه از طريق اتصال مدل توليد با اطلاعات طرح تعيين مي شود. اندازه‌گيري‌هايي طرح، دماي گاز توده ، To در خروج تراكم كننده سودمند هستند.
بنابراين با پراكندگي مقدار اوليه C ، چندين آزمايش براي تصحيح ارزشش از طريق توليد يك ارتباط بين مقادير توليد To حساب و اندازه گيري شده ، ساخته مي شوند. به همين دليل معادلات مدل از بالا تا پايين متراكم كننده با استفاده از روش Euler و بر طبق فرايند مشخص در شكل 5 يكپارچه مي شوند. بهترين ارتباط به دست آمده براي اطلاعات منظم شده از 1 تا 5 مشخص شده در جدول 2 ، مقدار مناسب C در معادله 16 را ارزيابي مي كند.
خصوصيات فيزيكي
چندين خصوصيات براي حل معادلات مدل تبديل كننده به خوبي متراكم كننده نياز دارند ، ارتباطات براي گرماهاي ويژه اجزاهاي منفرد گرماي و واكنش بر اساس آمونياك توسط Shah مشخص مي شوند. گرماي ويژه مخلو گاز از طريق خلاصه كردن سمهاي Molal تركيبات ارزيابي مي شود.
حمهاي مولكولي نيتروژن ، هيدروژن و متان از Perry مفيد هستند و براي ارگن يك معادله از Reid و «شروود» مصرف مي شود. براي قابليت هدايت گرمايي آمونياك مايع ، چسبناكي ، گرماي ويژه ، چگالي‌، فشارهاي بخار و اطلاعات جانبي گرما از بحث هاي بحراني بين الملل با چندفرمولي هاي مناسب منطبق ميشوند. براي محاسبه چسبناكي و قابليت هدايت گرمايي تركيب شديد ، فرياند مشخص شده توسط Kjaer بكار مي رود آنها ثبات هاي اصلي از Perry هستند. ضريب انتشار آمونياك در عدم تراكم از ارتباط Gilliland بدست مي آيد.اين از طريق Pm چگالي تركيب ، همانطور كه از معادله Rk تخمين زده مي شود و براي به دست آوردن ضريب انتشار مرحله توده Bb مورد نياز در معادلات 20 و 22 دوبرابر مي شود.
دفع كننده
يك دفع كننده مرحله منفرد متصل به يك استوانه عمودي توليد متراكم كننده را با گاز تركيبي تازه تركيب مي كند. و اخيراً به عنوان مايه اوليه مصرف مي شود. قسمت مايع از توليد متراكم كننده شديد بايد موازنه هاي جريان آنتالپي و نيروي حركت آني را در نظر بگيرد . ازاين رو ، محاسبات اوليه نشان مي دهند كه كاهش فشار بر روي حلقه به اندازه كافي براي درنظرگرفتن هر موازنه توده پايين است .از اين رو اين مدل شامل معادلات زير است :
O.M.B
Fv+F1+F = Fr +Fe 23

C.M.B
Fvyvi+F1x1i+Fyfi = Fryi +FexI 24
آهنگ ( جريان ) مايع / بخار
R=Fe/Fr 25


Energy balance
26
فرايند تكراري براي حل معالات 23 تا 26 در شكل 6 نشان داده شده است. ارتباط موازنه بخار ـ مايع مشخص شده توسط Reddy و Husain بكار مي رود. ميانگين ارزشهاي تركيبات گاز چرخشي اندازه گيري شده براي مجموعه اطلاعات مختلف در جدول 3 با آنهايي كه در ارزشهاي ميانگين فشار محاسبه شده اند و دفع كننده شرايط راه دخول هستند، مقايسه مي شوند، آن موافقت رضايت بخشي را را دقت اندازه گيري نشان مي دهد.
استوانه و ستون كاهش حرارت و شدت
اين محاسبات فور عادي ، كه در ان ارتباطات VLE توسط Reddy و Husian مشخص شده اند، استفاده مي شوند.
شبيه‌سازي حلقه :
همه مدل‌ها براي واحدهاي حلقه منفرد فرمول بندي مي شوند و اعتباز آنها چك مي شوند ، اكنون انها براي تحريك كنش كلي حلقه تركيبي ازتباط دالي دارند. 4 پارامتر مستقل براي كثال (1) نسبت H2/N2 در گاز چرخشي (2) فشار حلقه ، (3) سرعت جريان چرخشي و (4) غلظت راه دخول در گاز چرخشي ، براي بررسي اثر هركدام از آنها در هر زمان شناسايي مي شوند : (a ) سرعت توليد آمونياك (b ) تغيير كم H2 و(c ) نسبت به سود بخشي .
در هر مورد ، سود عمده در ابتدا ازمعادله (27) حساب مي شود. ( در روز / قيمت املاح) ـ ( در روز / قيمت مختصر ) ـ ( در هر روز / بازده قابل فروش ) = در هر روز / سود خالص ارزش اصلاح هر تن گاز از طريق نظم طراحي مهيا مي شود. ارزش مختصر از يك ارتباط اطلاعات طراحي در شرايط فشار نهايي تراكم و سرعت جريان گاز بدست مي آيد.
سپس ، پذيرفتن سود خالص هر روز از شرايط 3 مجموعه اطلاعات بعنوان يك واحد ، نسبت كلي در شكل 7 ديده مي شود و نتايج در اشكال 8-11 طرح ريزي مي شود. از شكل 8 واضح است كه نسبت H2 /N2 مساوي با 5/2 در گاز چرخشي بهترين نسبت است . و حداكثر سرعت توليد آمونياك را به خوبي سود بخشي مهيا مي كنند. نتيجه مشابهي در بررسي در شبيه‌سازي سازي توليدكننده قبل از ثبت بدست مي آيد و همچنين با نتايج Ganis بريا تغيير دهندگان عمل كرده در فشارهاي پايين تر مطلبقت مي كند . شرايط مطلئب عملكرد با نيتروژن زياد نسبت «استيو جيميتريك» در عملكرد طرح همانطور كه در مقاله Gremillion ديده شده ، تشخيص داده مي شود. شكل 9 اثر فشار حلقه در نسبت مطلوب H2/N2 و سرعت چرخشي و غلظت ماده هاي بي اثر ثابت در اطراف شرايط مجموعه 3 اطلاعات نشان مي دهد.
همانطور كه پذيرفتيم ، افزايش در فشار براي موازنه واكنش مطلوب است ، از اين رو تغغير كم H2 مماس ازلي مي شود در حاليكه دو منحني ديگر به وضوح يك فار مطلوب با توجه به تغيير كم H2 در ارزشهاي ثابت فشار حلقه ، نسبت H2/N2 و عوامل بي اثر ، اشاره مي كند.
از شكل 11 واضح است كه يك كاهش شديد در همه سه مقدار پارامتر بالتر از 10 درصد غلظت ماده بي‌اثر است، در حاليكه هيچ مزيت خاصي وجود ندارد كه زير 7 درصد عوامل بي‌اثر براي نگهداري سرعت‌هاي خالش افزايش بدهد. در استراتژي شبيه‌سازي حلقه ( شكل 7 ) روش ساده Melder-Meal براي توصيف دماهاي اوليه براي راه ورود بستر تغيير‌دهنده و توليد گاز بكار مي‌رود‌. بهمين دليل، يك كار هدفدار شامل خلاصه‌اي از جذرهاي اختلاف بين دماهاي بالا در كانالهاي 1و2و3و4 تغيير دهنده، كاهش مي‌يابد.برنامه كاهش در يك مور برجسته در شكل 12 ديده مي‌شود، كه ادغام در دومين تكرار و انعكاس در سومين تكرار رخ مي‌دهد.









نتيجه‌گيري
بررسي شبيه‌سازي گزارش شده از سنتز حلقة آمونياك بر اساس طرح ريزي جزيي و كافي هر واحد فرايند و معتبر كردن مدل‌ها از طريق ارتباط با اطلاعت واقعي طرح مي‌باشد. نتيجه حاصل شده كه نسبت H2/N2 در گاز Recyle در حدود 2.5 برابر مقدار مطلوب است كه بعدا از طريق نتايج شبيه‌سازي تاييد مي‌شود.در اين مقدار نسبت H2/N2 و براي طرح ويژه، هر كسي مي‌تواند به آساني مقادير مطلوب را براي پارامترهاي ديگر از طريق شبيه‌سازي مشابه پيدا كند.

شبيه‌سازي راكتورهاي سنتز آمونياك
يك روش عملي براي محاسبة اثرات انتشاري درون منفذ‌هاي قرض كاتاليست در يك واكنش پيچيده، پيشرفت كرده‌اند. معادلات سرعت براي بيان سرعت واكنش بر روي كاتاليست‌هاي سنتز آمونياك با ساخت متفاوت انتخاب شده‌اند.اين، در ارتباط با روش پيشرفته‌اي براي محاسبة عوامل مؤثر براي بدست آوردن مدل رياضي براي راكتورها‌ي سنتز آمونياك استفاده مي‌شود.راكتورهاي داراي بستر كاتاليست آدياباتيك با سرد كنندة داخلي به خوبي راكتورهاي گرمايي اتو‌ترمال مورد توجه هستند. بطور كلي اطلاعات اقتصادي و نتايج شبيه‌سازي امروزه مورد توجه هستند.
سنتز آمونياك از هيدرژن و نيترژن يكي از ساده‌ترين واكنشهاي سنتيكي است.سنتز ساده است و هيچ واكنش فرعي وجود ندارد و توليد ثابت است.خصوصيات فيزيكي و ترمو‌ديناميكي واكنش‌كنندگان و توليدات به خوبي شناخته شده‌اند. از اين رو مكانيسم اين واكنش بر روي تركيب‌هاي كاتاليستي ( كاتاليست آهن ) به خوبي فهميده نمي‌شوند و همين به معادلات سرعت زياد كه همگي در نظم پيچيد‌ه‌اي هستند، منجر مي‌گردد.بخاطر پيچيدگي اين معادلات سرعت آن براي حساب كردن مقاومت‌هاي انتشاري براي انتقال واكنش‌كنندگان و توليد در منفذ‌هاي كاتاليست مشكل است.همين ـ اشاره به مشكل ـ فوق و همچنين به علت محدود بودن معادلة سرعت، آن را براي دارا بودن يك شرح ـ مدل ـ رياضي از فرايند‌هايي كه درون راكتور سنتز آمونياك رخ مي‌دهد، مشكل مي‌سازد.
از هنگامي كه اولين توليد تجاري در سال 1925 شروع شد،تغيرات بزرگي در طراحي راكتور‌هاي سنتز آمونياك رخ داد. بيشتر اين تغييرات بر اساس اطلاعات اقتصادي به نسبت پيش، درون فرايند‌هاي فيزيكي و شيميايي اتفاق افتاده در راكتورها مي‌باشند.لذا، استفاده از كامپيو‌ترها در طراحي،بهينه‌سازي و كنترل آن را براي داشتن يك توصيف رياضي طرز عمل لازم و ضروري مي‌سازد.براي اهداف طرح، بهينه سازي و كنترل مدل‌هاي شبيه‌سازي براي تبديل كردن سنتز آمونياك در انواع مختلف پيشرفت كرده‌اند.
البته با دقت جهت توصيف شرايط عمل راكتور بايد مدل شبيه‌‌سازي همة فرايند‌هاي فيزيكي و شيميايي اتفاق افتاده در راكتور را در نظر بگيريد. در آغاز كار فقط بر روي شبيه‌سازي‌هاي تقريبي تلاش كرده‌اند.
يك مدل رياضي با توجه به همة طرز عمل‌هاي فيزيكي و شيميايي در راكتور‌ها در اين مقاله گفته شده‌اند. يك روش براي حل معادات انتقالي جهت ارزيابي عامل مؤثر با دقت بالا در محاسبات مدلي استفاده مي‌شود.
آناليز‌هاي سرعت
متون سنتيكي مهندسي شيمي در‌بردارندة آناليز‌هاي بي‌شمار سرعت مي‌باشند.كه بيشتر آنها تا اوايل سالهاي 1930 گزارش شدند. توسط فرانكلن برگ ( 1933 ) و اميت ( 1932و1940) خلاصه شده‌اند. در سال 1940 (تمكين و پيتر هوز ) يك معادلة سرعت را كه يك نظريه سنتيكي رضايت‌بخشي را براي و سنتز و آناليز آمونياك( NH3 ) ¬با كاناليست‌هاي دو برابر شدة آهن، پيشرفت دادند.
سپس اين معادلة سرعت در اشكال وسيع شرح داده شد.اگر چه تعداد اشكال در مورد اصل كلي معادله افزايش يافته‌اند. در اين مورد، معادله بصورت زير آمده است:
=K2 ka fN2 -
كه:
سرعت واكنش rNH3=( )
k2= ثابت سرعت واكنش معكوس( )
f N2,f H2.f NH3 فوگاسيته نيترژن، هيدرژن و آمونياك بطور نسبي هستند.Ka برابر با ثابت موازنة واكنش:
1.5 H2 +.5 N2 ------ NH3
و a هم يك ثابت است.
طبق نظر محققان اوليه a براي همه كاتاليست‌هاي آهن 0.5 است. ديگر مقدار‌هاي بدست آمده از 0.4 تا0.8 است.
¬با دارا بودن مقدار‌هاي مختلف a ، اكثر نويسندگان پيشنهاد مي‌كنند كه آن به ويژ‌گيهاي كاتاليست بستگي دارد كه آن بطور قابل توجهي ظاهر مي‌شود كه كاتاليست‌هاي متفاوت را در اندازه‌هاي ترقي‌دهندة آنها و خصوصيات فيزيكي متفاوت مي‌سازد.بنابر‌اين، اختلاف همين محدوده را در مقدار a براي همان عمل كاتاليست تحت دو شرايط متفاوت گزارش شده است.حتي براي set هاي اختياري بر روي همان كاتاليست، مقدار‌هاي a ، تفاوت‌هاي مشابه‌اي را نشان مي‌دهد. بطور كلي براي ارزيابي a ، k2¬ بعنوان تابع دما در شكل معادلة آرنيوس بيان مي‌شود:
=
كه :
: ثابت است.
E2 : انرژي اكتيويته است.
Rg : ثابت گازهاست.
T : دماي مطلق است.
پس نتايج تجربي با k20,k2,a بعنوان پارامتر‌ها،مناسب مي‌شوند.(سازگار و صادق مي‌شوند.)
چنين روش ارزيابي مي‌تواند به گوناگونيهايي در مقدار‌هاي a با تغيير مربوط به مقدار‌هاي k2, k20 منجر گردد. پيشنهاد شده يك ارتباط خطي بين مقدار log k2,a وجود دارد .همين نشان مي‌دهد كه براي متفاوت كردن اثر خصوصيات كاتاليست يا اندازة ترقي‌دهندة آنها مربوط به اشتباهات انداره‌گيري يا روش محاسبه، مشكل است. بر همين اساس پيشنهاد مي‌كنند كه مقدار ثابت a ،مستقل از كاتاليست ساخته شده، مي‌تواند استفاده شود.به همين خاطر ، براي يك مقدار ثابت a ، پارامتر‌هاي ديگر k¬20 و E2 براي دو كاتاليست، بر روي مدل تست شده قابل قبول نيستند مقادير استفاده شده براي كاتاليست Montecatini Edison عبارت است از:
a=0.55 , E2=39057 kcal/ kmol) , log K =14.7102
هستند و معادلة سرعت عبارت از :
rNH3 = exp (2.303 * 14.7102- ( ) [ Ka * N2 * ( ) - ( ) ]----------3
و براي كاتاليست Halder Topsoe:
a=0.692 , E2=42893 kcal/ kmol) , log K =15.2059

معادلة سرعت، معادلة شماره 4:
rNH3 = exp (2.303 * 15.2059- ( ) [ Ka * N2 * ( ) - ( ) ]----------4عوامل مؤثر: گفته‌هاي بالا، سرعت حقيقي واكنش، يعني سرعت واكنش براي ذرات كوچك كه در آن هيچ مقاومتي براي انتقال جرم يا گرما به سطح فعال وجود ندارد، را نشان مي‌دهند. بهمين خاطر ذرات كاتاليست صنعتي خيلي بزرگ در معرض انسداد انتشاري در ساختار منفذ‌دار آنها هستند. اين اثر مي‌تواند با مراقبت از طريق عامل مؤثر (( )) را بپذيرد كه بعنوان سرعت كه در آن واكنش در گلولة تقسيم شده از طريق سرعتي كه واكنش در آن اتفاق خواهد افتاد، رخ مي‌دهد تعريف مي‌شود. اگر غلظت و دماي سرتاسر گلوله‌ها، همانطوري باشد كه در سطح بيروني است. يعني :
[ مولاريتة جريان iدر عرض سطح ]*[ ناحيه
حجم گلول
چندين محقق ( Bokhoven , van Raayen 1954;Kubota , Shino 1956; Kubota et al..1959;Nielsen 1968;Dyson , symon 1968 ) اين عامل را بر واكنش سنتز آمونياك محاسبه كرده‌اند. در همة اين محاسبات بجز آنهايي كه مربوط به ( دايسون و سيمون 1968 )مي‌شود، با نيرو‌هاي جنبشي اولين…. استفاده مي‌شود يا شرايط جريان بالك در معادلات، براي انتقال درون گلوله كاتاليست از بين مي‌روند. (دايسون و سيمون 1968 ) اين مشكل را از طريق همة جنبه‌هاي مربوط فرمول‌بندي و ضابطه‌مند كرده‌اند اما براي حل آن درون محدوديت‌هاي زماني محاسبه‌ شده و عملي بودند، لذا آنها استفاده از ارتباط تجربي براي بدست‌آوردن عوامل مؤثر پيشنهاد داده‌اند. پيشرفت معادلات انتقال براي دنبال كردن، با آنهايي كه توسط دايسون و سيمون( 1968) انجام شده‌اند مشابه هستند. ذرات كاتاليست با فرض كروي بودن و ايزو‌ترمال بودن فرض مي‌شود. (Nielsen 1968 و prater 1958 )نفوذ Knudsen ناديده گرفته مي‌شود و ضريب‌هاي نفوذ هر جزء جدا از موقعيت درون ذره فرض مي‌شوند. معادله6 واكنش مورد توجه براي پيشرفت معادله نفوذ است.
NH3----------------------------6
معادلة 7 يك موازنه ملكولي براي جزء نامشخص است.
-----------------7
 

hmdjml

مدیر تالار مهندسی نفت
مدلينگ و شبيه‌سازي سنتز حلقة آمونياك2
كه:
rNH3 : سرعت شكل‌گيري آمونياك مشخص شده توسط معادلة 1 است.
: بخش‌هاي خالي بستر جمع‌آوري ( pack bed )است.
: ضريب استوكيومتري يك جزء در طرح واكنش از طريق معادلة 6 است.
طبق يك چيز پذيرفته شده،(( )) جهت مثبت‌شدن پذيرفته مي‌شود. اگر جزء يك توليد است مثبت و اگر جزء يك واكنش‌كننده است منفي، و اگر جزء يك مادة راكد است صفر است.r ارتباط شعاعي ذرة كروي است. Ni توده ملكولي جزء I در جهت r است.
نيترژن، هيدرژن، آمونياك، و آرگون براي اجزاء 1و2و3و4و5، بطور نسبي طرح‌ريزي مي‌شوند. شرايط مرزي براي معادلة 7 عبارتند از:
در r=0 0= NI
در r=0 ----------8
در r= XI=Xig
كه:
: شعاع ذرة كروي است.
Xi : بخش ملكولي جزء I در هر نقطه از ذرة كاتاليست است.
Xig: بخش ملكولي جزء I در سطح كاتاليست است.
توده‌هاي ملكولي هر دو جزء I,j در موقعيت ثابت در ارتباط هستند،همانطوركه مي‌بينيد :
9 ------
اين اشاره مي‌كند كه تودة ملكولي هر جزء راكد با صفرمساوي است. تودة مكولي Ni از هر جزء فعال (( I )) مي‌تواند در شرايط و درجة غلظتش بيان شود و توده‌هاي ملكولي ديگر اجزا‌هاي فعال هستند.
10 -------
كه:
Kmol/ مجموع غلظت مخلوط گاز در واكنش بر حسب
است.
وDie ضريب انتشار مؤثر جزء I است. با گذاشتن معادلة 9 درون معادلة 10 :
------------- ------11
مي‌دهد:
12
و گذاشتن N2,Nl از معادلة 12 در معادله 9 ما معادلة 13 داريم: 13
و با داشتن شرايط مرزي در معادلة 8 در انتها، معادله 14 داريم:
14
بعنوان يك توالي از اين ارتباط، راه‌حل فقط يك موازنه ملكولي ( معادلة 7 ) احتياج به توجه ويژه دارد. جابجايي براي Ni از معادلة 12 درون معادلة 7 بكار مي‌رود.
15
عادي كردن معادلة 15 از طريق تعريف =r/ مشخص مي‌شود:
16
و شرايط مرزي در Z عبارتند از:
dxI/dz=0 at z=0 , xI=xig at z=1 17
اين يك مشكل مقدار دو نقطة مرزي‌ است و ممكن است از طريق انتخاب موقعيت ناشناخته در مركز ( يعني Xi در z=0 )و تكميل معادلة 16 به طرف سطح z=1 يا انتخاب موقعيت ناشناخته در سطح ( dxi/dz در z=1 ) و تكميل داخلي، حل شود. در هر دو مورد براي حل مشكل، ارزش كيفيت انتخابي متنوع است.
براي نوشتن معادلة 16 براي جزء توليدي ( NH3 )‌آسان است، بدين وسيله مطمئن باشيد كه مخرج‌ها در دومين موقعيت معادلة 16 نمي‌تواند به (0)صفر برسد. اگر اتحاد و يكپارچگي از مركز بطرف سطح انجام شود، باز‌نويسي معادلة 16 بخاطر سومين شرط ضروري است. اين نوع مشكل توسط ( ونيز و هيكر1962 ) حل مي‌شود.
ما فرايند تكميلي داخل را مورد استفاده قرار مي‌دهيم. گزارش شده كه قبول شرايط مرزي در مركز با دقت متوسط جهت تعييت توده در سطح به درون بخش 1 در ---- ضروري است. بنابراين، آن ممكن است براي قبول شرط مرزي در مركز لازم باشد. اگر تشخيص داده شود كه جهت انحراف شديد از مقدار حساب شدة ---- از يك مقدار واقعي يعني جهت انشعاب مقدار ---- همانند و شبيه پيشرفت كند و آيا مقدار فرض شده---- كوچكتر يا بزرگتر از مقدار واقعي است، بستگي دارد.
همانطور كه در شكل 1 نشان داده شده است اگر مقدار فرصي dx3/dz كوچكتر باشد( A) تكميل به انشعاب مقدارش در يك جهت نزديك به مركز منجر خواهد شد، در حاليكه در جهت مخالف خواهد بود اگر مقدار فرضي(B ) بزرگتر از مقدار واقعي باشد. لذا بوسيله ديدن جهت انشعاب، ممكن است براي بدست‌آوردن يك رنج (AB) درون آن‌كه مقدار واقعي باشد، اين رنج مي‌تواند براي دقت خواسته شده( ) از طريق انتگرال تكراري كاهش يابد. بعد از بدست‌آوردن دقت خواسته شده يهج انتگرال بعدي لازم نيست اگر‌چه شرط رنج در مركز مقبول نباشد. در اين رنج ( ) نشانگر كمتر از 5 درصد مقدار واقعي dx3/dz مصرف‌شده است. حدا‌كثر 2 مقدار نهايي( ) براي بيان مقدار واقعيdx3/dz پذيرفته مي‌شود. جريان سطح ممكن است حالا در طول، با شرايط ديگر در معادلة 5 براي پذيرفتن عامل موثر جابجا شود.
18
از معادلة 18 و متناسب با dx3/dz است. بنابر‌اين درصد اشتباه در ارزيابي همانند dx3/dz است. با رنج ( ) كمتر از 5 درصد از مقدار مطلق dx3/dz ، حداكثر درصد اشتباه در ارزيابي dx3/dz ـ و بنابراين ( ) در محاسبات كنوني 25% خواهد شد. غلظت كلي c از معادلة 19 بدست مي‌آيد،
19
كه فوگاسيته جزء I است. شعاع، براي تساوي داير‌ه‌ها يا اندازه ذرات صنعتي ممكن است از معادلة 20 حساب شود:
20
در اينجا :
بطور نسبي در قطر و عامل شكل‌گيري مساوي هستند.
ضريب نفوذ از رابطة زير كه توسط (ويلر 1955) حساب مي‌شود.
Die= Di
منفذ ذرة داخلي است.
Di = ضريب نفوذ جريان I
است.
اين ضريب در 0 درجة سانتيگراد و فشار يك اتمسفر از رابطة 22:
22
محاسبه مي‌شود. در اينجا Dij ضريب انتشار جزء j در I است. ضريب‌هاي انتشار محاسبه شده از معادلة 22 براي دما و فشار در سطح گلولة كاتاليست از طريق معادلة 23 تصحيح مي‌شود :

در اينجا P، فشار در اتمسفر است، يعني نسبي است.
توصيف مدل رياضي
به علت آنكه واكنش رخداده در همة راكتور‌ها گرما‌زاست، طرحهايي بري رفع گرماي ايجاد شده در بستر كاتاليست از طريق پيشرفت واكنش طرح‌ريزي مي‌شود. راكتور نيز بعنوان تبادل‌كنندة گرماي خودش با گرماي ورودي گاز مخلوط بكار مي‌رود. جدا از مدل يا مدلينگ جريان( محوري يا شعاعي) طرح‌ها در استراتژي دفع گرما متفاوتند.
در طر‌حهاي حرارتي خودكار، گرما در سر‌تاسر حجم بستر دفع مي‌گردد در حاليكه طرحهاي ديگر بسترهاي ‌عايق‌گرمايي با سرد‌كننده در بين و هر كدام با تبادل‌كنندگان خارجي يا از طريق دفع مخلوط گاز دارند.
شكل 2 نمودار‌هاي مقايسه‌اي يك راكتور داراي سه بستر عايق گرمايي با سرد كننده خارجي براي سنتز واكنش در يك راكتور حرارتي خود‌كار نشان مي‌دهد. هر دو عايق گرمايي به خوبي بستر‌هاي بدون عايق گرما، در يك راكتور جريان محوري، امروز مورد مطالعه و بررسي قرار خواهد گرفت.
كاتاليست بستر عايق گرمايي
دما و تركيب در سرتاسر بخش كلي بستر يكنواخت فرض مي‌شوند. نفوذ محوري جريان و گرما ناديده گرفته مي‌شود. كاهش فشار در مقايسه با فشار كلي خيلي پايين است، لذا يك فشار يكنواخت مساوي با فشار ميانگين در راكتور فرض شده‌اند. بر اساس اين فرضيات موازنة جسمي و گرمايي كه تكامل تركيب و دماي سيستم در لاية عايق گرمايي مي‌تواند شبيه معادلة 24 نوشته شود:
24
و

در اينجا
V= حجم كاتاليست بر حسب .
G= آهنگ جريان جرمي.
= گرماي واكنش بر حسب Kcal/kgmol.
كاتاليست بستربدون عايق گرمايي
فرضيات آنها در مورد بستر همانند عايق گرمايي ساخته مي‌شود معادلة 24 موازنة مواد در اين مورد موجود است. موازنه گرما از طريق معدلات 27 و 28 توصيف مي‌شوند.
كه:
27
28
Tg = دماي گاز خوراك در لوله‌ها و سرد‌كننده‌هاست.
U =ضريب انتقال گرما يا حرارت.
A = ناحيه تبادل در واحد حجم كاتاليست است.
Cpg = گرماي ويژة گاز خوراك است.
بر‌اساس لوله سرد كننده درون مقدار پارامتر U مصرفي در اين كار Kcal/hm 400 است.Ka ثابت تعادل است كه بوسيلة معادله Gillispie , beattie بدست مي‌آيد.ضرايب‌ فوگاسيته از طريق معادلة ( كوپر 1967 ) بدست آمده است.بوسيلة مس، براي نيترژن و هيدرژن و از طريق بيان نيوتن( 1935) براي آمونياك محاسبه مي‌شوند.
اجزاء و دماي سيستم واكنشي در راه ورود هر لاية ناشناخته، از موازنة معادلة 24 براي بدست آوردن مقدار واكنش كه به ترتيب جزء مولي اجزاء هر يك را مشخص مي‌كند، حل مي‌شود. براي بستر‌هاي عايق گرما معادلة 27و28 همزمان براي همان هدف حل مي‌شوند. چهارمين متد Runge_ Kutta براي راه‌حل همزمان معادلات موازنه مواد ـ انرژي استفاده مي‌شود. مقدار باقي‌مانده براي تكميل شدن بر طبق حجم كاتاليست مصرفي عوض مي‌شود.
برنامه‌ريزي و محاسبه
بر اساس مدل رياضي توصيف شده در بالا، يك برنامة محاسبه كه با Fortran44 براي كامپيوتر IBM 7044 آماده شده است. زمان محاسبه براي بررسي اجزاي يك راكتور بستر 3 جزيي يا سرد كنندة داخلي 3Min,3sec است. وقتي كه اندازه هر گام بستر 4.10000 حجم بستر است. اين برنامه فقط براي بررسي راكتور‌هاي سنتز آمونياك موجود، استفاده مي‌شود، اما آن مي‌تواند به آساني براي هدف‌هاي ديگر بطور كلي استفاده شود.

نتايج و بحث
نتايج محاسبه براي 6 مورد متفاوت كه داراي عايق گرمايي و بدون عايق گرمايي به خوبي، تحت شرايط متفاوت فشار وسنتز سيستم واكنش در طول اطلاعات طراحي در جداول 5-1 و اشكال 5-3 بيان مي‌شوند. براي هدف بحث‌ها به راكتور‌هاي داراي بستر عايق گرما و آنهايي كه بدون عايق‌گرمايي هستند بطور جداگانه توچه مي‌كنيم. راكتور‌هاي عايق گرما داراي كاتاليست(Montecatini) هستند در حاليكه راكتور‌هاي حرارتي خودكار كاتاليست(Haldor Topsoe) مصرف مي‌كنند.
راكتور‌هاي با بستر‌هاي كاتاليست عايق ‌گرما
هر راكتور مورد نظر سه بستر كاتاليست عايق گرما دارد.
نتايج براي اينها در جداول 3-1 بيان مي‌شوند. اشكال 3و4، دماي نمودارهاي درصد آمونياك در طول بستر‌ها براي موردI ( جدول 1 ) نشان مي‌دهند. براي مورد يك، حداكثر اختلاف در غلظت آمونياك اندازه‌گيري و محاسبه شده در خارج بستر 3( جدول 1ـ شكل 4) نمايش داده مي‌شود. مقدار اندازه‌گيري شده 2.4 درصد كمتر از مقدار محاسبه شده است. اين خطا با توجه به محدوديت‌هاي تجربي خوب است. در همان نقطه در دما نيز 80 درجه سانتيگراد، مقدار اندازه‌گيري شده كمتر از مقدار حساب‌شدة حداكثر است.انحرافات در غلظت به خوبي دما در اين نقطه، از همان علامت هستند. بنابر‌اين، بطور كلي هيچ ارتباطي بين اختلاف در مقدار‌هاي حساب و اندازه‌گيري شده از اجزاء و دما وجود ندارد. بالعكس براي يك بستر تغيير حساب شده بيشتر از تغيير محاسبه شده است. در حاليكه بالعكس مورد دما است. براي بستر‌هاي اوليه در مورد 2و3، اختلاف غلظت را بطور نسبي 60,80 بدست مي‌آورند. بعلاوه از فرايند محاسبه، غلظت نيروي مصرف‌شده براي دومين و سومين بستر مقدار‌هاي توليدي در خروجي اولين و دومين بستر را بطور نسبي حساب مي‌كنند، اما در مقايسه ما مقدار‌هاي اندازه‌گيري شده را مورد استفاده قرار مي‌دهيم.
هركسي مي‌تواند ببيند كه معمولا يك تغيير زياد كه حساب شده يا يك افزايش دماي بالاي حساب شده و بالعكس در ارتباط نمي‌باشد. در بررسي كلي در هر مورد مشاهده شد كه اختلاف بين افزايش دماي اندازه‌گيري و حساب شده بر روي سه بستر، در مورد 1و3 كمتر از 3.5 % ‌است. اين اختلاف در مورد 2 در حدود 6 درصد است. از اين‌رو، تغييرات اندازه‌گيري شده و خروجي با 4 % همخواني ندارد. همة ايم مشاهدات گوياي اين هستند ثبات اشتباه در اين بخش وجود ندارد.اندازه‌گير‌ي‌ها در دماهاي بالا ºC500- C º400 در يك طرح مي‌تواندبه آساني با يك اشتباه از 8 تا 10 باشد.كه در حدود 2% دماي اندازه‌گيري شده است. همه تنوعات دماهاي حساب شده از دماهاي اندازه‌گيري شده كمتر از اين اشتباه مجاز هستند و بي‌اهميت است.
راكتورهاي گرمايي خودكار
نتايج براي اين راكتور‌ها در جداول 5و4 فهرست شده‌اند. حداكثر اختلاف در اجزاء، محاسبه و اندازه‌گيري شده در راه خروجي مورد 4 بوجود مي‌آيد.اين اختلاف 3.5 درصدي به خوبي با محدوديت‌هايي كه وجود دارد مجاز است. براي همان مورد، دماهاي اندازه‌گيري حساب شده در سرتاسر بستر همخواني خيلي‌خوبي را نشان مي‌دهند. اين با توجه به ترموديناميك، به يك همخواني نزديك بين تركيبات اندازه‌گيري و حساب شده در سر‌تاسر راكتور اشاره خواهد كرد، اين وسيله نشانگر اين است كه اختلاف مشاهده شده در اجزاء ممكن است با اشتباهات اندازه‌گيري در ارتباط باشد.همچنين در شكل 5 نمودار دماي حساب شده از گاز خوراك در لوله‌ها جا داده شده كاتاليست در بستر است. در نقاط مختلف، دماها در امتداد طول موج راه خروج نشان مي‌دهند كه اختلاف بين مقدارهاي اندازه‌گيري و حساب شده كم است و مي‌توان آن را بي‌اهميت در نظر گرفت.در بعضي نقاط اختلاف بين دماهاي اندازه‌گيري و حساب شده بالاست.مثلا در مورد 5 در طول كوچك 11.24 اختلاف دما 14.9 است. از اين رو، همخواني‌هاي نزديك‌تر در بعضي نقاط ديگر اين امر گوياي آن باشد. اين اشتباهات بخاطر اندازه‌گيري باشد و بايد بي‌اهميت در نظر گرفته شود. بنابراين بطور كلي الگو و مدل مي‌تواند قابل اطمينان باشد.
نتايج خيلي واضح نشان مي‌دهد كه بطور كلي مقدار‌هاي حساب شده در همخواني خيلي خوبي با اطلاعات موجود طرح است. قابل توجه است كه انحرافات با مقدار كم با توجه به مشاهدات طرح واقعي، براي هر دو بخش دما و اجزاء است به اين اعتبار، معادلات سرعت استفاده شده به خوبي درستي فرضيات ساخته شده تحت همة شرايط، طرح را تاييد مي‌كند. اين همچنين نشان مي‌دهد كه اثر انتشار و‌اكنش كننده و توليدات درون سوراخ‌هاي كاتاليست به درستي حساب مي‌شود.
نتيجه‌گيري‌ها هاهــا
يك بيان ـ معادله ـ سرعت يكنواخت كاذب مناسب براي سنتز تركيب آمونياك انتخاب مي‌شود. يك روش محاسبه عامل موثر براي كاتاليست‌هاي صنعتي از طريق حل جزيي معادلات انتقال پيشرفته است. بالنتيجه، اينها در يك مدل رياضي پيشرفته براي محاسبات طرح و شبيه‌سازي راكتور‌هاي سنتز آمونياك با جريان محوري استفاده مي‌شود. راكتورهاي داراي بستر‌هاي عايق گرمايي به خوبي آنها با بستر‌هاي بدون عايق گرما مورد توجه هستند. اگر چه مدل بدست آمده با درست كار‌كردن راكتور بدون هيج نقصي و تحت بهترين شرايط قادر هستند، هر مدلي در استفاده‌اش در رابطه با عدم وابستگي معادلة سرعت در ساخت كاتاليست محدود شود.
مصرف‌كاتاليست‌هاي مختلف براي قادر ساختن پيشرفت معادله كلي و درست سرعت كه مي‌تواند اطلاعات هر طرح صرف‌ نظر از كاتاليست مورد مصرف را تطبيق دهد، احتياج دارد.
شبيه‌سازي و بهينه‌سازي عامل واكنش آمونياك صنعت
مدل‌هاي متفاوتي براي تبديل كنندة آمونياك براي شبيه‌سازي يك راكتور صنعتي داراي سه بستر عايق گرما با سرد‌كننده مرحلة داخلي استفاده مي‌شود. مقدار مرزي 2 نقطه‌اي، معادلة متفاوت براي ذرات كاتاليزور، از طريق متد مصرف قائم حل مي‌شود.اين مدل براي بررسي عمل مناسب راكتور استفاده مي‌شود و مقايسه بين نظريات مختلف براي عملكرد مناسب راكتور انجام مي‌شود.
دريافته شده كه اساسا مدل‌هاي مختلف با بهينه سازي بر اساس سرعت واقعي واكنش، بهترين كنش را ايجاد مي‌كند و يك پيشرفت 6 تا 7 درصدي NH3 در خروجي در مقايسه با راكتور سه بستري نيمه مطلوب با سرد ‌كنندة مرحلة داخلي دارد. بهينه‌سازي نگه‌داشتن دماي راكتور نيز به منظور آن است كه محدودة دما را كنترل‌كنند. براي محدوديت‌هايي كه كاتاليست بتواند مقاومت كند بررسي مي‌شود، پيدا شد. كه پيشرفت مناسب در درصد NH3 بدست آمده با بهينه‌سازي بدون فشار هنوز صورت مي‌گيرد.
مدل‌هاي رياضي براي معادله شبيه‌سازي و بهينه‌سازي از طريق اكثر محققان براي انواع مختلف راكتور‌هاي سنتز آمونياك ساخته شده‌اند. در اين كار، مدل مختلف براي راكتور داراي سه بستر عايق گرما با سرد كنندة داخلي پيشرفت مي‌دهند.
عامل موثر از طريق ارتباط تجربــي ( دايسون و سيمون 1968 )به خوبي از ميان حل مقدار دو نقطة مرزي از نفوذ و واكنش در گلوله‌هاي منفذ‌ذار كاتاليست حساب مي‌شود.مقدار دو نقطة مرزي، معادلة متفاوت از طريق مصرف متد جمع‌آوري قائم حل مي‌شود.نتايج مدلينگ متفاوت با نتايج راكتور صنعتي و مقادير محاسبه شده بيان شده توسط ( سينگه و ساراف 1979) مقايسه مي شوند. آنها روش پاجوش را براي حل مقدار دو نقطة مرزي معادلة متفاوت، و براي محاسبة عامل موثر استفاده كردند. اين روش باجوش تكرار زيادي مي‌پذيرد و شرايط محدود را در مركز در رابطه با انشعاب راه تكرار برآورده نمي‌كند. (سينگه 1985 )در حاليكه روش جمع‌آوري مـصرفي در اين بررسي هيچ‌كدام از اين مشكلات را بوجود نمي‌آورد. مدل‌هاي متفاوت پيشرفته‌اي براي پيش‌بيني دماي مناسب و نمودار‌هاي غلضت آمونياك استفاده مي‌شود. بررسي‌هاي بهينه‌سازي بر اساس سرعت اصلي واكنش به خوبي سرعت واقعي واكنش يعني سرعت توليد واكنش و عامل موثر انجام مي‌شوند. مدلهاي متفاوتي نيز براي بدست آوردن نمودار غلظت آمونياك مربوط براي نمودار دماي مناسب بدست آمده از مدلي مشابه‌اي كاذب استفاده مي‌شود. بهينه‌سازي تحت فشار نيز براي بدست‌آوردن سياست نيمه‌مطلوب واكنشي كه كاتاليست را بخطر نيندازد بررسي مي‌شود.
بيان سرعت
در مدل پيشرفته اصل شكل وصف شده بيان سرعت(تمكين)استفاده مي‌شود همانطور كه در زير دنبال مي‌كنيم:
RNH3 =Ka * N2 * ( ) - ( ) ] 1
k2 = ثابت شتاب براي واكنش معكوس بر حسب ـــــــ- اسست
.Ka برابر با ثابت موازنة واكنش:
H2 + N2 ------ NH3 2
f N2,f H2.f NH3 فوگاسيته نيترژن، هيدرژن و آمونياك بطور نسبي هستند.و ثابت است، ثابت شتاب،k2¬ از طريق رابطة آرنيوس از شكل بدست آمده است:
3
مقادير نسبي براي كاتاليستMontecatini Edison عبارتند از:
log Ka=-2.691122 log T-5.519265*
4
فوگاسيتة جزء I از طريق تعريف زير بدست مي‌آيد:
5
در اينجا ضريب فوگاسيته جزء I است،Xi مول فراكشن جزء I است. وP فشار كلي است. ضريب‌هاي فوگاسيته از طريق محاسبات معادله‌هاي مشخص شده توسط Mahfouz 1985 محاسبه مي‌شوند. اشكال معادلة 1 بدين معناست كه آن بطور آشكاري براي غلظت‌هاي خيلي پايين آمونياك معتبر نيست بعلت اينكه ترم اوليه انشعاب يافته است.
پيشرفت الگو
يك راكتور داراي سه بستر عايق گرما با كاتاليست(Montecatini)و سرد كنندة‌هاي مياني براي توليد آمونياك بر طبق واكنش گرمازاي مشخص شده از طريق معادلة 2 استفاده مي‌شود
مدل كلي راكتور
يك مدل يك بعدي متفاوت براي يك راكتور پيشرفته فرضيات زير را مي‌سازند:
1- راكتور در موقعيت ثابت عمل مي‌كند.
2- عايق مقاومت انتقال دهندة جزيي گرما بين گلوله‌ها و گاز وجود دارد.
3- نفوذ محوري در رابطه با شتابهاي بالاي گاز، جزيي است.
4- درجات گرما و غلطت در جهت محوري شعاعي ناچيز هستند.
5- كاهش فشار در طول راكتور ناچيز است.
موازنة كلي در تودة گاز
يك موازنه متفاوت جرمي( ملكولي) براي نيترژن در بستر كاتاليست به شكل زير است:
6
در اينجا:
Z: تغيير جزيي در نيترژن است.
V: حجم كاتاليست بر حسب m است.
: عامل موثر
fN2: سرعت اوليه جريان مولي نيترژن‌ بر حسب kmol/h است. تغيير كوچك نيترژن در حد بخش وسط مي‌تواند نوشته شود همانطور كه:

(جريان مولي در وسط بخش - جريان مولي N2 در راه ورود ) =Z
جريان مولي N2 در راه ورود
همه بخش‌هاي مولي مي‌تواند در عبارت بخش‌هاي خوراك مولي و تغيير كم نيترژن بيان شوند.
موازنة انرژي در تودة گاز
موازنة انرژي براي بستر كاتاليست بصورت زير مشخص مي‌شود:
8
كه:
: گرماي واكنش بر حسب j/Kmol از NH3 است.
: سرعت كلي جريان جرمي بر حسب Kg/h است.
: گرماي ويژه تركيب واكنش گاز بر حسب j/Kg است.
گرماي ويژه جرمي اجزاي متفاوت، از طريق معادلات مشخص كه توسط(shoh) ارائه شده‌اند، محاسبه ي‌شود. و ميانگين گرماي ويژه جرمي تركيب با تغيير درجه عوض مي‌شوند.
عامل موثر و معادلات ذرة كاتاليست
اثر مقاومت نفوذ درون كاتاليست كه براي ذرات كاتاليست صنعتي مهم است( 6 – 12 mm ) كه در عبارت عامل موثر بيان مي‌شوند.دايسون و سيمون ( 1968 ) يك ارتباط تجربي براي بدست‌آوردن اثر موثر براي واكنش سنتز آمونياك، تابع تغيير دما بدست مي‌آورند:
فرضيات معادلات مصرف گلولة كاتاليست ايجاد وبيان شده‌اند از طريق بررسي‌هاي قبلي را پيشرفت مي‌دهند. يك موازنة متفاوت جرمي براي جزء I درون ذرة كاتاليست بصورت زير مشخص مي‌شود:
----------------10
Ni: سرعت جزئي مولي در آن جهت است
: بخش خالي بستر بسته‌بندي شده معدل با 0.46
rI: ضريب استوكيومتري جزء در در واكنش مشخص در معادلة 2 است.
در بيان معمولي زير، rI براي توليدات مثبت، براي واكنش‌كنندگان منفي، و براي ساكن‌ها 0است. نيترژن، هيدرژن و آمونياك، متان، آرگون بعنوان تركيبات 1و2 و3و4و5 بطور نسبي طرح‌ريزي مي‌شوند. شرايط محدود براي معادله عبارتند از:
در r=0.0
NI=0.0
dXi/dr=0.0 11
در r=Rp
Xi=Xg
Rp: شعاع كره و برابر با اندازه ذرة صنعتي است كه 2.85*10 براي ذرات صنعتي 6_10mm مساوي است و Xig جزء مولي در سطح ذرة كاتاليست است و در دورة تحول و تغيير گاز به‌ همان صورت فرض مي‌شود. در زير تعدادي معادلات طولاني اما با بكاربري مستقيم، وجود دارد.ما به معادله بدون اندازة زير براي گلوله‌ها كاتاليست پايان مي‌دهيم:
12
كه:
غلظت كلي، و C از رابطة زير حساب مي‌شود:
14
در اينجا فوگاسيتة جزء I است. ضريب نفوذ مؤثر از رابطة زير حساب مي‌شود:
15
كه، تخلخل ذرة داخلي،DI ضريب نفوذ جزء I است. منفذ ذره داخلي تقريبا 0.52 بر طبق نظرية ( محفوظ ) است.
ضريب‌هاي نفوذ در 0 و 10 atm بصورت زير مشخص مي‌شوند:
16
ضريب‌هاي نفوذ محاسبه شده از معادلة 16 براي دما و فشار در سطح گلولة كاتاليست از طريق معادله 17 حساب مي‌شود.
17
در اينجا p در اتمسفر است. معادلة 12 يك معادله متفاوت از روش مقدار محدود دو نقطه مرزي است.و در اين كار از طريق روش جمع‌آوري قائم حل مي‌شود و عامل موثر با دقت بالايي از طريق استفاده از فرم خلاصة روش جمع‌آوري برپا ارزيابي مي‌شود.
بهينه‌سازي
چندين بررسي مطالعة بهينه‌سازي در راكتور‌هاي آمونياك را از طريق استفاده از مدل‌هاي مشابه‌اي كاذب ساده انجام مي‌شود. البته استفاده از چنين مدل‌هايي كه همة فرايند‌هاي فيزيكي و شيميايي رخ داده شده در ذرات كاتاليست را به حساب نمي‌آورند و سيستم را به درستي و به اندازة كافي بيان نمي‌كنند.
در اين مطالعه، مدل متفاوت پيشرفته‌اي كه در مقابل نتايج صنعت چك شود، براي پيش‌بيني دماي مناسب و نمودارهاي غلظت براي راكتور عايق گرما آمونياك مصرف مي‌شوند. مصرف بهينه‌سازي جديد براي مدل متفاوت اساس 2 باند متفاوت است.و بيان سرعت اصلي به خوبي سرعت واقعي واكنش است. اين اولين مطالعة بهينه‌سازي با مصرف مدل متفاوت گزارش‌شده، در متون علم مهندسي شيمي براي راكتور آمونياك است.دماي مناسب و نمودار‌هاي غلظت با بيان سرعت اصلي مي‌تواند از طريق حل شمارشي در شرايط مناسب
18
در هر نقطه در طول راكتور بطور همزمان با معادلة موازنة جرم از جريان مايع ( معادلة 6)براي تعيين نمودارهاي دماي مناسب و غلطت در طول راكتور پيدا شوند.
بهينه‌سازي بر اساس حداكثر سرعت اصلي واكنش، حداكثر مطلق را مشخص نمي‌كند. حداكثر مطلق براي مدل‌هاي متفاوت مي‌تواند از طريق بررسي مشكل بهينه سازي بر اساس سرعت واقعي واكنش بدست آيد شرط مناسب:
19
تركيب شذه با معدلة موازنة اساسي‌ براي پيش‌بيني نمودارهاي دماي مناسب و غلظت در طول راكتور حذف مي‌شود. در ورودي راكتور، معمولا دماي مطلق خيلي بالاست، وسرعت خيلي بالاي را از واكنش موجب مي‌شود و بر اين اساس عامل موثر خيلي كم است واين روش كنترل نفوذ منفذ است.در اين منطقه متد جمع‌آوري نتايج را قفط با تعداد زيادي نقاط جمع‌آوري حساب مي‌شود، نقاط 10ـ7. بهمين يك مقدار تقريبي وخوب از علل موثر مي‌تواند براي اين منطقه از طريق بكار‌بردن متد منطقة واكنش موثر بدست آيد. بكار‌گيري اين روش با مورد ما براي مشخص‌كردن مقدار عالي مقاديري‌ از در اين منطقه ثابت مي‌شود.
محاسبات عددي
نيتروژن بعنوان جزء اصلي براي محاسبات مورد توجه است. تركيب خوراك اوليه، دما، سرعت جريان، فشار درون راكتور حجم كاتاليست براي هر بستر از اثر( singh & saraf 1979 ) پذيرفته مي‌شوند..
 

hmdjml

مدیر تالار مهندسی نفت
مدلينگ و شبيه‌سازي سنتز حلقة آمونياك3
براي مطالعه شبيه‌سازي مدل مشابه كاذب مي تواند از طريق اتحاد مستقيم جرم و مقادير اولية موازنه گرماي معدلات متفاوت حل‌ شود.لذا براي مدل متفاوت، عامل موثر از راه بكار‌گيري روش جمع‌آوري قائم در هر نقطه در طول اتحاد جرم و ارزش اوليه تعادل گرماي معادلات متفاوت حساب شود.محاسبة زير براي بررسي حل مشكلات بهينه‌سازي بكار مي‌رود.
A :بهنه‌سازي بر اساس سرعت اطلي واكنش براي مدل مشابه كاذب
نمودار‌هاي مناسب براي مدل مشابه به همان روش براي الگوي متفاوت بدست‌ مي‌آيد، حداكثر تجلي سرعت اصلي در بخش‌توصيف مي‌شود بجز اينكه اكنون عامل موثر با پيوستگي معادلة موازنة اساسي در همة طول راكتور مساوي است.
B : بهينه‌سازي مدل متفاوت بر اساس سرعت اصلي واكنش
1- شرايط مناسب ( معادلة 18 ) براي پيدا‌شدن دماي مطلوب با تغييرات مشخص در هر نقطه در طول راكتور حل مي‌شود. از آنجايي كه بيان سرعت اصلي كاملا پيچيده است، بهمين خاطر ضريب‌هاي فوگاسيته در‌گير هستند و متد‌هاي شمارشي براي پيدا‌كردن دماي مناسب بايستي مصرف شوند. تحقيق‌( Fibonacci )براي تعيين عمق درون بستر كاتاليست استفاده مي‌شود. در شرايط تحت بررسي، تغييرات در راه ورود اولين بستر 0 در نظر گرفته مي‌شود.
2- بعد از اينكه دماي مناسب و مطلوب در بدو ورود به راكتور حساب شد، عامل موثر مي‌تواند از طريق مصرف هر جريان فرعي كه عامل موثر را براي روش محدود انتقال، وابسته به مقدار دماي مطلوب حساب مي‌كند، محاسبه مي‌شود.
3- از دماي حساب شده، عايق موثر، داشتن غلظت در نقطة ورود ( شرايط تغذيه )، معادلة اساسي( معادلة 6)از طريق جريان فرعي Rungr_kutta به اندازة مرحلة اتومات براي تعيين تغيير براي گام بعدي يكپارچة مي‌گردد.
4- مراحل 1و2و3 براي طول كلي راكتور براي معين‌كردن دماي مطلوب و نمودار‌هاي غلظت در طول راكتور تكرار مي‌شوند.
C : شبيه‌سازي نمودار‌هاي دماي مطلوب را از مدل مشابه ـ كاذب در مدل متفاوت استفاده مي‌كند.
در تعدادي مورد، به منظور مقايسه، نمودار‌هاي مطلوب بدست آمده از مدل شبيه كاذب براي حساب كردن تغيير غلظت در امتداد طول راكتور مصرف‌كننده مدل متفاوت به منظور بررسي كردن الزامات استفادة كنتل مناسب بدست آمده از مدلي مشابه كاذب در راكتور واقعي استفاده مي‌شود.
D : بهينه‌سازي مدلي متفاوت بر اساس سرعت واقعي واكنش
براي پيداكردن دماي مناسب در تغيير شناخته شده در هر نقطه در امتداد طول راكتور حل مي‌شود. تحقيق(Fibonacci ) براي تعيين دمايي كه سرعت واقعي واكنش در يك تغيير مشخص در هر نقطه در امتداد طول راكتور، ماكزيمم است، استفاده مي‌شود. در اين مورد مقادير زيادي از زمانها را براي پيدا كردن ماكزيمم و سرعت واقعي واكنش در هر نقطه در امتداد طول راكتور ارزيابي مي‌كنند، و روش جمع‌آوري (Runge_ kutta)اين امكان را بخاطر اثر بالايش مي‌سازد. محاسبه در تغيير 0 در ورودي راكتور شروع مي‌شود، و دماي مطلوب تغيير مي‌كند
2- از مقدار شناخته شده دماي مطلوب در ورودي راكتور، معادلة موازنة اساسي ( معدلة 6) توسط جريان فرعيـــ—با اندازه گام خود‌كار براي تعيين تغيير براي اندازة هر گام بعدي يكپارچه مي‌گردد
3- مرحلة 1و2 براي اندازة هر گام جهت پيش‌بيني دما و نمودار‌هاي تغيير در امتداد طول راكتور تكرار مي‌شود
E : اگر سرعت واكنش در همة دماها در امتداد طول راكتور برابر 0 شود و نمودار غلظت موازنه در امتداد طول راكتور مي‌تواند بدست آيد. نمودار موازنه دما مي‌تواند از طريق برابر سرعت واكنش با 0 در همة تغييرات در امتداد طول راكتور بدست آيد. به منظور حل معادلات موازنه، روش ( Gerald 1970 ) استفاده كنيد.نتايج مدل و شبيه‌سازي راكتور با استفاده از جمع‌آوري متفاوت و روش جمع‌آوري براي حل معادلات، با نمودار‌هاي عامل موثر گلوله و بحت دلايل براي عمل ناهماهنگ بيان مي‌شوند. اين اولين باري است كه اين نمودار‌ها بوجود مي‌آيد.


مدل‌سازي و شبيه‌سازي
جدول 1 نتايج مدل‌هاي متفاوت تست شده را مشخص مي‌كند. همخواني خوبي از بين نتايج محاسبه شده با استفاده از مدل‌هاي متفاوت و كنش راكتور بدست مي‌آيد، اين در مغايرت با مدل مشابه كاذب است كه مقدار زيادي از كنش راكتور را منحرف مي‌شود همانطور كه در جدول 1 نشان داده شده است. 3 مدل جمع‌آوري بهترين نتايج را با درصد ملكولي آمونياك و پيش‌بيني دما، با تلاش محاسبه‌اي خيلي‌كم در مقايسه با روش پاجوشي مشخص مي‌كند.دقت روش جمع‌آوري مي‌تواند بصورت شمارشي پيشرفت كند كه آن از طريق افزايش تعداد نقاط جمع‌آوري بدون افزايش زمان محاسبه تمايل دارد وبطور قابل توجهي در جدول 1 براي نقاط جمع‌آوري 1و2و3 ديده مي‌شوند. روش جمع‌آوري يك روش خيلي موثر است، و آن زمان محاسبة خيلي كمي مصرف مي‌كند و آن را براي مطالعة بهينه‌سازي مناسب مي‌سازد همانگونه كه دنبال شده است.
شكل 2 نمودار عامل موثر در طول راكتور را نشان مي‌دهد. عامل موثر، اندازه‌گيري اثر محدوديت‌هاي نفوذي در واكنش است براي مقاومت‌هاي نفوذ جزيي، عامل موثر بايد تا0.1 ماده باشد. براي ثابت سرعت واكنش، افزايش مقاومت‌هاي نفوذ عامل موثر براي كاهش موجب مي‌شود.براي مقاومت نفوذي ثابت، عامل موثر افزايش مي‌يابد همانطوريكه و اكنش كاهش مي‌يابد. در اين مورد سرعت اصلي واكنش، مقاومت‌هاي نفوذ و ثابت موازنه در طول راكتور عوض مي‌شود. يك نمودار مشابه عامل موثر با حداكثر توسعه بخار از گاز طبيعي توسط ( DeDeken) نشان داده شده است.اين عملكرد ناهماهنگ در طول راكتور با واكنش پيچيده بين سرعت واكنش،مقاومت‌هاي نفوذ و ثابت‌هاي موازنه از واكنش‌هاي واكنش‌پذير، در ارتباط است.اين پديده در جاي ديگر بحث مي‌شود.

بهنه‌سازي كنش راكتور
نمودار دماي مناسب كه بالاترين تغيير نسبت به آمونياك را مشخص مي‌كند، براي مدل‌هاي متفاوت از طريق محاسبات توصيفي در بخش A,B,D بدست مي‌آيد.چنين بررسي بهينه‌سازي با استفاده از مدل متفاوت و در دو باز متفاوت براي بهينه‌سازي، يعني حداكثر سرعت اصلي و حداكثر سرعت واقعي واكنش را بخاطر اثر بالاي روش مي‌سازد.نتايج مطلوب با نتايج مدل متفاوت به نسبت تجربي به منظور ثابت مقايسه مي‌شوند.بررسي بهينه‌سازي بيان شده در اين مقاله با مسئله عملي خيلي مهمي از اجراي سياست مناسب در ارتباط نمي‌باشد. اين مسئله حال در اين بخش هم از نظر تئوري و هم تجربي بررسي خواهد شد.يك مدل متفاوت مصرف كننده، سه نقطة جمع‌آوري داخلي در سرتاسر اين مطالعه بهينه‌سازي استفاده مي‌شود.
بهينه‌سازي سرعت اصلي واكنش براي الگوي مشابه كاذب
نمودار‌هاي دماي مطلوب و غلظت آمونياك بدست آمده از طريق استفاده از مدل مشابه كاذب بر اساس حداكثر بيان سرعت اصلي در شكلهاي 3و4 بطور نسبي نمايش داده شده است.
منحني موازنة نشان داده شده در شكل 3 ،دمايي است كه در ان سنتز يك واكنش مطلوب در موازنه خواهد بود. در حاليكه منحني موازنه در شكل 4 موازنة غلظت آمونياك دماهاي مطلوب است.نمودار دماي مطلوب در راه تحول راكتور ( شكل 3 ) خيلي بالاست جاييكه درصد ملكولي آمونياك، در نتيجة بالاترين واكنش خيلي پايين است، اولين بستر نقش خيلي مهمي را در رابطه با منطقه دمايي بازي مي‌كند كه به آن بويژه در ورودي راكتور حاصل شده در درصد بالايي ملكولي آمونياك نشان داده شده در شكل 4 غلبه مي‌كند. اين بستر 15.75 مول آمونياك را بيان مي‌كند، كه با توجه به نتايج شبيه‌سازي مدل مشابه كاذب با 25.51 از طريق روش بهينه سازي مقاوم است.
بهينه‌سازي مدل متفاوت بر اساس سرعت اصلي واكنش
بهينه‌سازي در اين بخش در مدل متفاوت بر اساس حداكثر سرعت اصلي واكنش ( معادلة 8 ) اجرا مي‌شود.نمودار‌هاي دماي مطلوب و غلظت آمونياك از روشي در تصاوير 5و6 بطور نسبي ارايه مي‌شوند، بدست آمده است. دماي مناسب در ورودي راكتور كاملا بالاست، واكنش اصلي با سرعت بالايي انجام مي‌شود.اما مقادير پايين به عوامل موثري مي‌دهد همانطوريكه كه در شكل 7 نشان داده شده است. اين بدان معناست كه مقاومت‌هاي زيادي براي نفوذ وجود دارد، ويك نمودار با غلظت خيلي زياد درون گلولة كاتاليست ايجاد مي‌كند.
راه‌حل معادلات گلوله (pellet ) در اين بخش در ابتدا بحث شد. عامل موثر براي نمودار دماي مطلوب در اين مورد از .058 در راه ورود اولين بستر تا .86 در خروج سومين بستر منظم مي‌شود( شكل 7) .اين گوناگوني عامل موثر به وضوح اهميت تعيين دقيق مقادير را نشان مي‌دهد. آن همچنين پيش‌بيني غير واقعي را نشان مي‌دهد كه مي‌تواند از مدل مشابه كاذب براي اجراء در راكتور بدست آورد.جاييكه مقاوم‌هاي نفوذ جزيي نيستند. جدول 2 نتايج براي مدل متضاد با بهينه‌سازي بر اساس سرعت اصلي واكنش براي موردي از بهينه‌سازي با فشار و نيرو به خوبي موردي كه نمودار درماي مناسب با حداكثر دما و فشار زور وارد مي‌شود را مشخص مي‌كند كه كاتاليست آهن مي‌تواند مقاومت كند، كه طبق نظرية (Mansson , Andresen 1986) 800 است.براي بهينه‌سازي بدون فشار، اولين بستر 11.83 درصد مول به آمونياك مي‌دهدكه با 11.18% پيشرفت در غلظت آمونياك مساوي است.دومين و سومين بستر بطور نسبي 17.23,20.48 مول آمونياك مي‌دهد، كه با پيشرفت‌هاي 9.89% و 6.06% بر روي راكتور آدياباتيك با سرد كنندة داخلي مساوي هستند.براي بهينه‌سازي با فشارـ نيرو،پيشرفت بر روي شبيه‌سازي سيستم عملي بالاتر از بهينه‌سازي مدل متضاد بر اساس سرعت اصلي واكنش است. و اين با حقيقتي در ارتباط است كه بهينه‌سازي بدون فشار اثر مضر مي‌آورد.دماي فوق‌العاده بالا در عامل موثر ورودي راكتور نمي‌پذيرد در حالكه در بهينه‌سازي با فشار اين اثر مضرآور از طريق محدود كردن دما در ورودي راكتور محدود مي‌شود.
شبيه‌سازي با استفاده از نمودار دماي مناسب از مدل مشابه ـ كاذب در مدل متضاد:
نتايج بهنه‌سازي از مدل مشابه كاذب موقعيت واقعي را نشان نمي‌دهد بعلت اينكه مقاومت‌هاي انتقال‌دهندة جريان در گلوله‌هاي هاي كاتاليست را كه در راكتور بوجود نمي‌آورد، ناديده مي‌گيرد، بهمين خاطر، نتايج مدل مشابه كاذب مهم هستند بخاطر اينكه آنها محدوديت‌هاي زيادي به توليد مي‌د‌هند. وقتي كه مقاومت‌هاي نفوذي از راه استفاده ذرات كوچك كاتاليست كاهش مي‌يابند، در اين بخش، نتايج شبيه‌سازي راكتور با استفاده از مدل متضاد و نمودار دماي مطلوب بدست آمده از مدل مشابه كاذب ارائه مي‌شود.
اين شبيه‌سازي مهم است بخاطر اينكه آن عمل راكتور واقعي را شرح دهد اگر نمودار دماي مناسب بكار رود تنها چيزي است كه از مدل مشابه كاذب بدست مي‌آيد. با استفاده از نمودار دماي مناسب مدل مشابه كاذب در مدل متضاد نمودار غلظت مناسب نشان داده شده دز شكل 4 شرح مي‌دهد. از اين شكل، نمودار غلطت متناسب عمل مشابه مدل مشابه كاذب را نشان مي‌دهد، اما آن بطور آشكار تا مقادير پايين‌تر عوض مي‌شوند.نتايج اين نظريه و خط مشي دماي محدود را در جدول 3 نشان مي‌دهند.خط مشي دمايي محدود اغلب نتايج مشابه با اختلاف كم در اولين و سومين بستر در مقايسه با دماي نامحدود نشان مي‌دهد.توجه‌كردن به اين موضوع جالب است كه استعمال نمودار دماي مناسب بدست آمده از مدل مشابه كاذب در مدل متظاد نتايجي را مشخص مي‌كندكه بهتر از آن خط مشي‌دماي مناسب بدست آمده از مدل متضاد بر اساس حداكثر سرعت اصلي واكنش بدست مي‌آيند،كه بوضوح نشان مي‌دهند كه بهينه‌سازي براي مدل متضاد بر اساس سرعت اصلي واكنش واقعا مناسب نيست.
بهنه‌سازي الگوي متضاد بر اساس سرعت واقعي واكنش
بهينه‌سازي مدل متضاد بر اساس حداكثر بيان سرعت اصلي، حداكثر واقعي را شرح نمي‌دهند. بخاطر اينكه دماي مناسب از سرعت واقعي واكنش بويژه در مقادير خيلي پايين عامل موثر در مقاومت‌هاي نفوذي اثر زيادي در مقدار سرعت واقعي واكنش دارد، پيش‌بيني نمي‌شود بهنه‌سازي بر اساس سرعت واقعي واكنش تلاش خيلي دقيق را بپذيرد بخاطر اينكه آن به تكميل در هر نقطه از راكتور براي ارائه در هر نقطه از دما احتياج دارد كه را به حداكثر مي‌رساند و فقط را به حداكثر نمي‌رساند.چنين محاسبة بهينه‌سازي براي بدست‌اوردن دماي مناسب واقعي و نمودار‌هاي غلظت براي راكتور آمونياك انجام مي‌شود. دماي مناسب و غلظت آمونياك حاصل از اين طريق در شكل 5و6 بطور نسبي نمايش داده شده‌اند.نمودار دماي مناسب واقعي پايين‌تر از نمودار حاصل بهينه‌سازي بر اساس حداكثر تجلي سرعت اصلي بويژه در اولين بسترنتيجه نمودار غلظت مناسب بالاتر مشخص در شكل 6، است. عامل موثر مناسب در شكل 7 ديده مي‌شود.آن بين نمودار‌هاي عامل موثر مناسب بهنه‌سازي مدل متضاد بر اساس سرعت اصلي واكنش و يكي بر اساس برچسباندن نمودار دماي مناسب از مدل مشابه كاذب درون مدل متضاد قرار مي‌گيرد.
عامل موثر مناسب بهينه‌سازي بر اساس سرعت واقعي واكنش بيشتر از آن چيزي است كه از بهينه سازي بر اساس تجلي سرعت ذاتي بدست مي‌آيد. از جدول 4، بهنه‌سازي بر اساس سرعت واقعي واكنش 20.71,17.57,12.38درصد مولي از اولين، دومين و سومين آمونياك را مشخص مي‌كند با 7.5,12.05,16.35 درصد پيشرفت غلظت آمونياك بر روي عملكرد آدياباتيك با سرد كنندة داخلي مساوي است. خط مشي دماي محدود نيز در اينجا انجام مي‌شود و اجزاي خيلي پايين‌تري را به نسبت بهينه‌سازي نامحدود بر اساس سرعت واقعي واكنش انجام مي‌دهد اين دماي محدود 7.2%,11.93%,15.98% پيشرفت غلظت آمونياك از اولين و دومين و سومين بستر را بطور نسبي شرح مي‌دهد. به نسبت چيزي كه ازبستر‌هاي عايق‌گرما با سرد كنندة داخلي بدست مي‌آيد همة خط مشي‌هاي مناسب نشان مي‌دهد كه افزايش كلي غلظت آمونياك در رابطه با اين سياست‌ها از 1پيشرفت 6.06 تا 7.25 درصدي در مقايسه با اجراي راكتور عايق گرما با سرد كنندة داخلي پيش‌بيني شده از مدل متضاد دقيقا منظم مي‌شود. اين يك پيشرفت خيلي قابل ارزيابي است.در مورد ارزش دلار از چنين پيشرفت‌هايي يك محاسبة ساده براي ارزش دلار فقط از 1% پيشرفت در درصد NH3 در خروجي راكتور براي توليد آمونياك سعودي كه در حدود 3600MTPP است، انجام مي‌شود. بر اساس فرضيه 330 كار روزانه در يك سال و 100000» $ براي يك تن يك متر آمونياك، اين 1% با ارزش يك دلاري در حدود 1.2*10 دلار در سال براي ارزش دلار كانادايي از 1 % پيشرفت در درصد آموناك با 4*10 $ در سال مادي است
روش جمع‌آوري براي حل معادلة متفاوت با مقدار دو نقطه‌ مرزي pellet ‌هاي كاتاليست براي واكنش‌‌‌ سنتز آمونياك مناسب يافت مي‌شود.
مدل متضاد براي پيدا كردن نمودار دماي مناسب استفاده مي‌شود كه توليد آمونياك را به حداكثر مي‌رساند و نشان مي‌دهد كه بهينه‌سازي بر اساس سرعت واقعي واكنش خط مشي مناسب و درست در مقايسه با خط مشي بدست آمده از بهينه‌سازي و مدل متضاد بر اساس سرعت حقيقي واكنش، مي‌باشد.
پيشرفت اجزاي راكتور با استفاده از ره‌يافت مناسب كاملا قابل ارزيابي است، مقدار 6 تا 7 درصد آمونياك در خروج سه بسته افزايش مي‌يابد. بهينه‌سازي محدود با مصرف حداكثر دماي محدود به دماي راكتور، درصد ارزش‌هاي NH3 را مشخص مي‌كند كه با دماهاي بدست آمده از بهينه‌سازي نامحدود خيلي نزديك هستند، و پيشرفت در اجراي بحث‌شده در ابتدا موجود است.
مدل متضاد مصرفي در اين مطالعه در عين حال با اتصال دقيق نتايج عملي براي تعداد زيادي از اشكال راكتور، عايق گرمايي و ضد عايق گرمايي و اجراي عملي از خط مشي كنترل مناسب بررسي شده براي اشكال مختلف راكتور، كامل مي‌شود.











نظريات بر روي شبيه‌سازي و بهينه‌سازي راكتور آمونياك صنعتي
در يك مقالة اخير در شبيه‌سازي راكتور آمونياك صنعتي، يك فرمول انتشاراتي موثر در محاسبة عامل موثر درون ذره كاتاليست استفاده مي‌كند( با استفاده از معادلةwilke) .
1
از اين رو معادلة 1 براي تعيين انتشار موثر جزء انتقالي، I در تركيب اجزاهاي ساكن قابل استفاده است. در فرايند تركيبي آمونياك، هيكدام از سه جزء در تركيب شديد N2(1),H2(2),NH3(3) موجود نمي‌باشند، و مي‌تواند براي داشتن سرعت جريان نامرئي مورد توجه قرار گيرد. براي نسبت جريان ملكولي جزء I.NI به تركيب جريان ملكولي از طريق واكنش استوكيومتري تعيين مي‌شوند.
ZI= Ni/(N1+N2+N3) I=1-3 2

Z1=1/2 ; Z2=3/2 ; Z3=-1 3
تجلي مناسب براي انتشار موثر هر جزء با جريانهاي با فشار از نظر استوكيومتري مي‌تواند به آساني از معادلات انتشاري Maxwell_ stefan ناشي شود.
4
بطور كلي معادله 4 ، مقادير مختلف مهمي را براي انتشار موثر به نسبت فرمول Wilke بدست خواهد آورد. براي نشان دادن اين كار، اجازه دهيد كه ما انتشارات موثر از طريق دو فرمول در تركيبات زير حساب كنيم:
X1g=0.15 ,X2g=0.65 , X3g= 0.20 5
با مقادير نفوذهاي دو جزيي در 298 كلوين و 100Kpa
6
با توجه به معادلة Wilke
7
8
اثرات انتشاري ذرات داخلي ظاهرا در تركيب آمونياك همانطور كه از طريق عامل موثر 0. 4 در ورود به راكتور مهم هستند. ما نتيجه مي‌گيريم كه براي يك شبيه‌سازي مناسب سنتز آمونياك، بيان تقريبي براي انتشار موثر استفاده مي‌شود.
پاسخ به نظريات در مورد شبيه‌سازي و بهينه‌سازي راكتور آمونياك
البته معادلة انتشاري ( مكسل ـ استيفان)، معادلة خيلي شديدي براي تخمين انتشارات در سيستمهاي چند تركيبي است.
لذا تجربة ما، در طرح‌ريزي راكتورهاي صنعتي نوع مشابه نشان مي‌دهد كه معادلة ساده نوع Wilke كافي است.استفاده معادلة ( مكسل ـ استيفان) براي واكنش منفرد مشكلات بيشتر را براي طرح‌ريزي مسئله را معرفي نمي‌كند. بنابراين براي واكنش‌هاي چندگانه مصرف معادلة ( مكسل ـ استيفان) طرح‌ريزي مسئله را بطور قابل توجهي پيچيده مي‌كند.

ZI= Ni/(N1+N2+N3) I=1-3

Z1=1/2 ; Z2=3/2 ; Z3=-1
بجاي‌معدله Wilke
از آنجايي كه مدل مصرف گاز كاملا مغشوش براي شبيه سازي انتشار با واكنش شيميايي در پيليت‌هاي( گلوله‌هاي ) كاتاليست منفذدار را مي‌طلبند. اين مسئله براي واكنش‌هاي چندگانه قابل نقص براي جريان اصلاح متان بررسي مي‌شود، نتايج اوليه نشان مي‌دهد كه آن شايد براي مدلينگ اصلاح‌كنندگان جريان صنعتي مصرف‌كنندة ممعدله ساده wilke ممكن باشد. به منظور نشان دادن بحث ما در مورد آمونياك، محاسبه مجدد براي شبيه‌سازي راكتور آمونياك با مطرف مدل متضاد با سه نقطه داخلي جمع‌آوري و معادلة ( مكسل ـ استيفان)، براي پيش‌بيني ضرايب انتشار، انجام مي‌شوند اگر چه انتشار موثر هيدرژن پيش‌بيني شده توسط معادلة ( مكسل ـ استيفان) بالاتر از معادلهWilke است.عكس آن براي نيترژن و آمونياك است و نتيجة نهايي اين است.
نتايج شبيه‌سازي اغلب مسابه‌هستند و هيچ اختلاف مهمي بين نتايج دو معادله، بويژه در راه‌هاي خروج دومين و سومين بستر وجود ندارد.لذا، در اين نقطه، معادلة ساده Wilke ، پيش‌بيني دماي بهتري را به نسبت معادله ( مكسل ـ استيفان) مشخص‌ مي‌كند، اما تغيير در معادلة دومي اغلب با نتايج تجربي منطبق مي‌شود. معادلة Kubota، عامل اثر خيلي پايين‌تر در امتداد طول راكتور مشخص مي‌كند.از نتايج مشاهده شده، به نظر مي‌رسد كه معادلة ساده Wilke كاملا رضايت‌بخش است.
از اين رو كه معادلة ( مكسل ـ استيفان) براي واكنش‌هاي منفرد به پيچيدگي مدل و الگوريتم راه‌حلش اضافه نمي‌كند، ما موافقيم كه در آن مدل بجاي معادلة ساده Wilke است.
 
بالا