مدل‌سازی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی چندهدفه راکتورهای بستر متحرک جریان‌شعاعی هیدروژن‌زدایی از پروپان

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه شیراز، شیراز ، ایران

چکیده

هدف از این پژوهش، مدل­ سازی و بهینه­سازی چندهدفه راکتورهای بستر متحرک هیدروژن­زدایی از پروپان با در نظر گرفتن افت فعالیت کاتالیست می ­باشد. این فرایند از چهار راکتور آدیاباتیک متوالی با جریان شعاعی تشکیل‌شده است که گاز در راستای شعاع و کاتالیست­ بر اساس نیروی ثقل در جهت محور راکتورها حرکت می­ کنند. نخست راکتورهای هیدروژن­ زدایی بر اساس معادله­ های بقای جرم و انرژی و با در نظر گرفتن افت فعالیت کاتالیست به‌صورت ناهمگن مد­­­­ل­ سازی ­شدند. برای اثبات صحت و دقت مدل مورد استفاده، نتیجه­ های به دست آمده از شبیه­ سازی با نتیجه­ های واحد صنعتی مورد مقایسه قرار ‌گرفت. در مرحله بعد شرایط بهینه عملیاتی سامانه با در نظر گرفتن دمای ورودی به هر راکتور به‌عنوان متغییر تصمیم­گیری و با هدف بیشینه شدن هم‌زمان میزان تبدیل پروپان و انتخاب پذیری تولید پروپیلن تعیین شد. در این راستا یک مسئله بهینه‌سازی چند معیاره همراه با قیود برنامه‌ریزی‌شده و منحنی بهینه پرتو با استفاده از الگوریتم ژنتیک چند معیاره همراه با مرتب‌سازی نامغلوب رسم شد. سپس از فهرست نقطه­ های بهینه موجود بر روی منحنی بهینه پرتو، یک نقطه عملیاتی با استفاده از روش‌های تصمیم‌گیری انتخاب ‌شد. نتیجه ­های شبیه‌سازی نشان داد اعمال شرایط بهینه بر روی سامانه می‌تواند میزان تولید پروپیلن را در حدود 3.12 % افزایش دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Meyers R.A., Meyers R.A., “Handbook of Petroleum Refining Processes, McGraw-Hill, New York (2004).
[2] Bhasin M., McCain J., Vora B., Imai T., Pujado P., Dehydrogenation and Oxydehydrogenation of Paraffins to Olefins, Applied Catalysis A: General, 221(1-2): 397-419 (2001).
[3] Sheintuch M., Liron O., Ricca A., Palma V., Propane Dehydrogenation Kinetics on Supported Pt Catalyst, Applied Catalysis A: General, 516: 17-29 (2016).
[4] Darvishi A., Davand R., Khorasheh F., Fattahi M., Modeling-Based Optimization of a Fixed-Bed Industrial Reactor for Oxidative Dehydrogenation of Propane, Chinese Journal of Chemical Engineering, 24(5): 612-622 (2016).
[5] Niknaddaf S., Soltani M., Farjoo A., Khorasheh F., Modeling of coke Formation and Catalyst Deactivation in Propane Dehydrogenation over a Commercial Pt-Sn/γ-Al2O3 Catalyst, Petroleum Science and Technology, 31(23): 2451-2462 (2013).
[6] Miraboutalebi S.M., Vafajoo L., Kazemeini M., Fattahi M., Simulation of Propane Dehydrogenation to Propylene in a Radial‐Flow Reactor over Pt‐Sn/Al2O3 as the Catalyst, Chemical Engineering & Technology, 38(12): 2198-2206 (2015).
[7] Chin S.Y., Hisyam A., Prasetiawan H., Modeling and Simulation Study of an Industrial Radial Moving Bed Reactor for Propane Dehydrogenation Process, International Journal of Chemical Reactor Engineering, 14(1): 33-44 (2016).
[8] Yee C., Prasetiawan H., Hisyam A., Azahari A., Maharon I., Sensitivity Study of the Propane Dehydrogenation Process in an Industrial Radial Moving Bed Reactor, Journal of Engineering Science and Technology, 10: 62-74 (2015).
[9] Farjoo A., Khorasheh F., Niknaddaf S., Soltani M., Kinetic Modeling of Side Reactions in Propane Dehydrogenation over Pt-Sn/Γ-Al2O3 Catalyst, Scientia Iranica, 18(3): 458-464 (2011).
[10] Shelepova E., Vedyagin A., Mishakov I., Noskov A., Mathematical Modeling of the Propane Dehydrogenation Process in the Catalytic Membrane Reactor, Chemical Engineering Journal, 176: 151-157 (2011).
[12] Sahebdelfar S., Ravanchi M.T., Zangeneh F.T., Mehrazma S., Rajabi S., Kinetic Study of Propane Dehydrogenation and Side Reactions over Pt–Sn/Al2O3 Catalyst, Chemical Engineering Research and Design, 90(8): 1090-1097 (2012).
[13] Alam I., West D.H., Balakotaiah V., Transport Effects on Pattern Formation and Maximum Temperature in Homogeneous–Heterogeneous Combustion, Chemical Engineering Journal, 288: 99-115 (2016).
[14] Fogler HS., “Elements of Chemical Reaction Engineering”, Prentice Hall, New York (2016).
[15] Holman J., “Heat Transfer”, McGraw-Hill, New York (2001).
[16] Tallmadge J., Packed Bed Pressure Drop—An Extension to Higher Reynolds Numbers, AIChE Journal, 16(6): 1092-1093 (1970).
[17] Cussler E.L., “Diffusion: Mass Transfer in Fluid Systems, Cambridge University Press, Cambridge (2009).
[19] Harned H.S., Hirschfelder J.O., Curtis C.F., Bird R.B., “Molecular Theory of Gases and Liquids“, John Willy, New York (1955).
[20] Polling B.E., Prausnitz J. M., O’Connell J.P., “The Properties of Gases and Liquids”, McGraw Hill, New York (2000).
[21] Sahoo S.K., Rao P., Rajeshwer D., Krishnamurthy K.R., Singh I.D., Structural Characterization of Coke Deposits on Industrial Spent Paraffin Dehydrogenation Catalysts, Applied Catalysis A: General, 244(2): 311-321 (2003).
[22] Li Q., Sui Z., Zhou X., Chen D., Kinetics of Propane Dehydrogenation over Pt–Sn/Al2O3 Catalyst, Applied Catalysis A: General, 398(1-2): 18-26 (2011).
[23] Ahmed F., Deb K., Multi-Objective Optimal Path Planning Using Elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithms, Soft Computing, 17(7): 1283-1299 (2013).
[24] Lai Y.-J., Liu T.-Y., Hwang C.-L., Topics for MODM, European Journal of Operational Research, 76(3): 486-500 (1994).