چکیده

در طی چند سال گذشته، نگرانی عمدهای در مورد کاهش ذخایر جهانی نفت و افزایش قیمت نفت خام بوجود آمده است. این در حالیست کـه میزان تقاضای روز افزون جهانی و ناپایداریهای سیاسی در مناطق تولید نفت مشکلاتی برای عرضه این محصول به همراه داشته است. امـروزه در همین راستا جهت تامین تقاضای جهانی، نیاز مبرمی برای جایگزینی دیگر منابع انرژی و سوخت با نفت وجود دارد. به هر حال اخیرا، تولید سوختهای زیستی مانند بیواتانول و بیودیزل جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی جهت تولید انرژی و تامین سوخت موتورهای احتراقی به شمار میآیند. یکی از روشهای تبدیل مواد سلولزی مانند باقیماندههای غلات، پسماندهای کشاورزی، خردههای چوب و غیره بـه سـوخت زیستی، فرآیند سنتز فیشر- تروپش میباشد. امروزه با توجه به ضرورت جایگزینی سوختهای نسل دوم (سوختهای زیستی) با سـوختهـای فسیلی، مدلسازی سینتیکی راکتورهای تولید فرآیند فیشر – تروپش به لحاظ بررسی شرایط بهینه عملیـاتی و پـیشبینـی دقیـقتـر فرآینـد، از اهمیت خاصی برخوردار است. لذا در مقاله حاضر سعی بر آن است تا با مروری بر مدلهای ریاضی ارائه شده برای راکتـورهـای مختلـف سـنتز فیشر-تروپش به بررسی شرایط عملیاتی بهینه این فرآیند پرداخته شود و در نهایت با استفاده از نتایج دیگر محققان، پارامترهای موثر بر فرآیند بررسی میشود تا برای کارهای تحقیقاتی آتی مورد استفاده قرار گیرد.

کلمات کلیدی

مدلسازی سینتیکی، راکتور، سنتز فیشر-تروپش

A review on modeling of the catalytic fixed-bed reactors for Fischer-Tropsch synthesis

Seyed Mohammad Mahdi Nouri*a , Fateme Kuhestany, b×

a) Department of Chemical Engineering , Hakim Sabzevari University

b) Department of chemical engineering, Islamic Azad University, Neyshabur Branch, Neyshabur, Iran

ABSTRACT

Over the last few years, a major concern has arisen regarding the decreasing global oil reserves and the associated increasing crude oil price both driven by a strong world demand and by political instabilities in oil producing regions. Thus, there is nowadays a strong need of alternative sources to supply the world demand for liquid fuels. However , recently, the production of biofuels such as bioethanol and biodiesel fuel alternative to fossil fuels for energy production and combustion engines are considered. The Fischer-Tropsch synthesis is a suitable method for conversion of cellulosic materials such as cereal residues,

agricultural waste and fragments of wood to biofuels.

KEYWORDS: Kinetic modeling, Reactor, Fischer-Tropsch synthesis

• سید محمد مهدی نوری، گروه مهندسی شیمی، دانشگاه حکیم سبزواری، توحید شهر، سبزوار، کد پستی ۹۶۱۷۹۷۶۴۸۷، تلفن ۰۵۱۴۴۰۱۲۸۶۴

مرکز پژوهش های صنعتی و معدنی هم اندیشان چرخه علم و صنعت ۱۳۹۴ ۱

kJ.mol-1CO)

n CO + (2n) H2 → CnH2n + n H2O

n CO + (2n+1) H2 → CnH2n+2 + n H2O

-۱ مقدمه

در طی چند سال گذشته، نگرانی عمدهای در مورد کـاهش ذخـایر جهانی نفت و افزایش قیمـت نفـت خـام بوجـود آمـده اسـت. ایـن در حالیست که میزان تقاضای روز افزون جهانی و ناپایداریهـای سیاسـی در مناطق تولید نفت مشکلاتی برای عرضـه ایـن محصـول بـه همـراه داشته است. امروزه در همین راستا جهت تامین تقاضای جهـانی، نیـاز مبرمی برای جایگزینی دیگر منابع انرژی و سوخت با نفت وجـود دارد. به هر حال اخیرا، تولید سوختهای زیستی مانند بیواتانول و بیـودیزل جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی جهت تولید انرژی و تـامین سوخت موتورهای احتراقی به شمار میآیند. از طرفـی ایـن جـایگزینی یکی از امیدوارکنندهتـرین روشهـا بـرای برطـرف کـردن مشـکلات و آلودگیهای زیست محیطی میباشد ۱]و.[۲

یکی از روشهای تبدیل مواد سلولزی مانند باقیماندههای غلات، پسماندهای کشاورزی، خردههای چوب و غیره به سوخت زیستی، فرآیند سنتز فیشر- تروپش۱ میباشد. این فرآیند بطور مشترک توسط فیشر و تروپش در سال ۱۹۲۰ میلادی در آلمان کشف شد و مورد توسعه قرار گرفت. در حقیقت این فرآیند شامل مجموعهای از واکنشهای شیمیایی است که طی آن گاز مونواکسیدکربن در واکنش با گاز هیدروژن مجموعهای از هیدروکربنها را ایجاد میکند. این روش در تولید سوختهای مصنوعی از مواد طبیعی چون ذغالسنگ و گاز طبیعی و مواد روانکننده کاربرد دارد .[۱]

بطور کلی تبدیل گاز طبیعی از طریق فرآیند سنتز فیشر-تروپش طیف گستردهای از محصولات شامل متان و یک مخلوط چندجزئی از ترکیبات آلی که عمدتا متشکل از هیدروکربنهای خطی -n) آلکانها و -n آلکنها) و اکسیژن را به همراه دارد. تشکیل ترکیبات پارافینی و اولفینی به ترتیب توسط معادلات (۱) و (۲) نشان داده شده است. این در حالیست که در معادله (۳)، تولید دیاکسیدکربن توسط واکنش تعادل بین آب و گاز قابل رویت است :[۱-۴]

(۱) (۲)

CO + H2O ↔ CO2 + H2 (3)
سنتز فیشر-تروپش با گرمازایی بالایی که دارد شناخته میشود

(∆HR= -165، بنابراین یکی از نگرانیهای مهم برای
توسعه راکتورهای سنتز فیشر-تروپش تجاری، قابلیت حذف حرارت ایجاد شده طی واکنش است که میتواند تاثیر عمدهای بر گزینشپذیری محصولات داشته باشد. افزایش دما سبب افزایش تولید گاز متان و نیز غیر فعال شدن کاتالیزور مربوط به پخت و تشکیل

Fischer-Tropsch 1

ذغالسنگ میشود ۱]و.[۲

بطور کلی چهار نوع راکتور سنتز فیشر- تروپش تجاری وجود دارد که در مقیاس صنعتی قابل استفاده و اجراء هستند که شامل راکتورهای بستر سیال۲، لولهای بستر ثابت۳، فاز دوغابی۴ و بستر سیال جریان گردشی۵ میباشد .[۱]

از میان راکتورهای نامبرده، دو نوع بستر ثابت و دوغابی با توجه به اینکه بسیار پرکاربرد هستند، اما مشکلات جدی در خصوص استفاده از آنها وجود دارد. به عنوان نمونه برای راکتور دوغابی میتوان به جدایی موم-کاتالیزور، پوسته پوسته شدن کاتالیست، غیر فعال شدن کاتالیزور و ساییدگی اشاره نمود. موارد مشابهای مانند هزینههای بالای عملیاتی، عدم توانایی در حذف حرارت ایجاد شده توسط واکنش، محدودیتهای نفوذ و افت فشار نیز کارایی راکتور بستر ثابت را تحت تاثیر قرار می دهد .[۲]