چکیده

یکی از راه های تولید گازهای هیدروژن و کربنمونوکسید که به عنوان خـوراک ورودی در واکـنشهـای فیشـر-تروپش بکار برده می شوند، واکنش رفورمینگ بخـار -متـان مـی باشـد. در واکـنش هـای فیشـر -تـروپش نسـبت هیدروژن به کربن مونوکسید ورودی به خوراک برای تولید محصولات باارزشی از قبیـل اتـیلن، پـروپیلن و مـواد سوختنی مانند بنزین بسیار حائز اهمیـت اسـت. تحلیـل ترمودینـامیکی تولیـد گازهـای H2 و CO در واکـنش رفورمینگ با نسبت CH4/H2O=2/3 ، در دماهای ۵۰۰-۱۵۰۰ درجه کلوین و فشار ۱-۲۰ اتمسفر با استفاده از روش حداقل سازی انرژی آزاد گیبس انجام پذیرفته است. نتایج نشان داد که انجـام واکـنش رفورمینـگ بخـار-متان در فشارهای مختلف و در دماهای بالا(۱۰۰۰-۱۵۰۰ درجه کلوین) موجب رسیدن به مقدار مطلوب نسبت H2/CO می شود و تولید گازهای هیدروژن و مونوکسید کربن را افزایش مـی دهـد. در دماهـای بـالاتر از ۱۲۰۰ درجه کلوین و در همه محدوده فشارها(۱-۲۰ اتمسفر)، نسبت H2/CO به مقادیر ثابتی خواهد رسید و افزایش فشار تاثیر چندانی بر روی مقدار این نسـبت نخواهـد گذاشـت. شـرایط مطلـوب بـرای تولیـد بیشـتر گازهـای هیدروژن و کربن مونوکسید و همچنین تعیین نسبت مناسـب H2/CO ورودی بـرای واکـنش فیشـر-تـروپش، محدوده دمایی ۱۰۰۰-۱۲۰۰ درجه کلوین و فشارهای پایین ۱) اتمسفر) میباشد.

کلمات کلیدی

فیشر-تروپش، گاز سنتز، رفورمینگ بخار-متان، روش حداقلسازی انرژی آزاد گیبس

نکات برجسته پژوهش

• از آنجایی که در صنعت، انجام واکنش های رفورمینگ متان در دماهای بسیار بالا امکان پـذیر نیسـت، تحلیـل ترمودینامیکی این واکنشها در دماهای بالا میتواند بسیار حائز اهمیت باشد.

• بدست آوردن جزء مولی محصولات تعادلی در واکنش رفورمینگ متان بدون انجام آزمایش.
• تحلیل ترمودینامیکی تولید گاز سنتز با استفاده از روش حداقلسازی انرژی آزاد گیبس.

-۱ مقدمه

گاز طبیعی از پاک ترین و فراوان ترین منابع انرژی می باشد که یکی از بهترین راه های استفاده مطلوب از این گاز، تبدیل آن به فرآورده های مطلوب نظیر اتیلن، پروپیلن و مواد سوختنی است. یکی از رایج ترین فرآینهای شیمیایی تولید سـوخت هـای باارزش، فیشر-تروپش میباشد. امروزه تولید گاز سنتز(مخلوطی از هیدروژن و کربنمونواکسید) که به عنوان خـوراک ورودی در واکنش های فیشر-تروپش بکار برده می شود، بسیار حائز اهمیت است. فرآیند سنتز فیشر-تروپش یکی از فرآیندهای مهم تبدیل گاز سنتز حاصل از گاز طبیعی یا زغالسنگ به فرآوردههای باارزش مایع است .[۱-۳]
از فرآیندهای رایج در تولید گاز سنتز، میتوان رفورمینگ متان را نام بـرد. در ایـن فرآینـد از کاتـالیزور نیکـل اسـتفاده می شود که مطالعات زیادی در این زمینه، با بکارگیری از این کاتالیزور انجام شده است ۵]،.[۴ این فرآیند شـامل اکسیداسـیون جزئی متان، رفورمینگ کربن دی اکسید و رفورمینگ بخار-متان می باشد. تاثیر شرایط عملیاتی بر روی رفورمینـگ بخـار-متـان توسط محققین زیادی مورد مطالعه قرار گرفته است .[۶-۱۱] در صنعت، این فرآیند در دماهای ۹۷۳ الی ۱۱۷۳ درجه کلوین و فشار ۲۰ الی ۴۰ بار انجام میشود .[۱۲]

این مقاله به تحلیل ترمودینامیکی تولیـد گازهـای H2 و CO در فرآینـد رفورمینـگ بخـار-متـان، بـا اسـتفاده از روش حداقلسازی انرژی آزاد گیبس میپردازد .[۱۳-۱۵]

-۲ روش تحقیق

همه محاسبات برای تعیین ترکیبات تعادلی در واکنش، با استفاده از روش حداقلسازی انرژی آزاد گیـبس انجـام شـده است. از دیدگاه ترمودینامیکی تغییرات انرژی آزاد گیبس واکنش در تعادل شیمیایی صفر است. در طی فرآیند بازگشتناپذیر با دما و فشار ثابت، انرژی گیبس کاهش می یابد و در فرآیند بازگشت پذیر این انرژی ثابت است. در حالت تعادل پایانی یک فرآیند بازگشتناپذیر، dG=0 برقرار شده و انرژی گیبس به حداقل مقدار خود خواهد رسید.

واکنش رفورمینگ بخار-متان با نسبت CH4/H2O=2/3 در دماهای ۵۰۰- ۱۵۰۰ درجه کلـوین و فشـار ۱-۲۰ اتمسـفر مورد بررسی قرار گرفت. مقادیر جزء مولی محصولات در دما و فشارهای مختلف با اسـتفاده از روش حـداقلسـازی انـرژی آزاد گیبس تعیین شده است.
-۱-۲ روش حداقلسازی انرژی آزاد گیبس

یکی از کاربردی ترین روش های محاسبات ترمودینامیک تعادلی حداقل کـردن انـرژی آزاد گیـبس سیسـتم مـورد نظـر می باشد. با استفاده از این روش میتوان ترکیبات تعادلی حاصل از هر واکنش شیمیایی را بدست آورد. اولین قدم فرموله کـردن موازنه مواد است. موازنه مواد برای هر یک از عناصر k توسط معادله (۱) نشان داده شده است. Ak تعداد کل اتمهای عنصر k در سیستم و aik تعداد اتمهای عنصر k برای گونه شیمیایی i میباشد.