استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیه‌سازی راکتور بستر سیال فرآیند تولید الفین‌های سبک از متانول و مدل‌سازی سینتیکی آن

در بین فرآیندهای با بازدهی بالا جهت تولید الفین‌های سبک، روش تبدیل کاتالیستی متانول به الفین طی یک دهه گذشته، توسعه قابل توجهی داشته است. در این مطالعه سعی شده است تا با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) و به‌کمک نرم‌افزار کامسول به بررسی فرآیند تبدیل متانول به الفین پرداخته شود. از مدل اویلریناویلرین برای حل جریان فاز پیوسته و پراکنده استفاده شد و روابط با استفاده از روش المان محدود حل شدند. برای فرآیند متانول به الفین، مدل سینتیکی پیشنهاد شد و پارامترهای سینتیکی توسط الگوریتم ژنتیک در نرم‌افزار متلب به‌دست آمدند. سپس مقایسه‌ای بین نتایج تجربی و مدل پیشنهادی برای محصولات مهم صورت گرفت که نشان از تطابق خوب بین این دو داشت و متوسط خطای نسبی برای درصد مولی اتیلن، پروپیلن و بوتن به‌ترتیب برابر 2.40%، 1.35% و 3.11% به‌دست آمد. در ادامه پس از اعتبارسنجی مدل، پارامترهای مختلفی از جمله توزیع فاز جامد درون بستر، بردارهای سرعت، اندازه ذرات، افت فشار بستر و متوسط کسر جرمی اجزاء، بر عملکرد راکتور مورد بررسی قرار گرفتند. بررسی توزیع فاز جامد درون بستر در سرعت ورودی و زمان‌های مختلف نشان داد که غلظت جامد درون بستر تقریباً رقیق بوده و ساختار جریان به‌طور کلی نسبتاً همگن به‌نظر می‌رسد. علاوه‌برآن، بررسی اثر اندازه ذرات برروی بردارهای سرعت مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که با افزایش قطر ذرات، آشفتگی بردارهای جریان بیشتر شده و تعداد گردابه‌های تشکیل شده در مناطق پایینی بستر افزایش یافته است. سپس، بررسی متوسط کسر جرمی هیدروکربن‌های تولید شده در طول راکتور نشان داد که میزان کسر جرمی اجزاء افزایش پیدا کرده است. همچنین، میزان تبدیل متانول در خروجی راکتور به بیش از 90% رسید.

Simulation of Fluidized Bed Reactor Using Computational Fluid Dynamics in the Process of Methanol Conversion to Light Olefins; Kinetic Modeling Study

Over the past decade, catalytic methanoltoolefin conversion has been among the most highly developed processes for light olefin production. In this study, computational fluid dynamics (CFD) and COMSOL software were used to investigate the process of methanol conversion to light olefins. The EulerianEulerian model was used to solve continuous and scattered phase flows. A simplified kinetic model was used for methanol conversion to olefin, including a catalyst effect, coke deposition, and the finite element method used to solve the equations. MATLAB software was used to obtain the kinetic parameters of the methanol to olefin process using a kinetic model and a genetic algorithm. A comparison was made between the experimental results and the proposed model for the main products, which showed a good agreement. For ethylene, propylene, and butene, the mean relative error was 2.40%, 1.35%, and 3.11%, respectively. Following the model validation, various parameters such as solidphase distribution in the bed, velocity vectors, particle size, bed pressure drop, and average mass fraction of the components are investigated on reactor performance. Examining the solid phase distribution in the bed at various input velocities and times revealed that the solid concentration in the whole bed is almost dilute in the Ergun drag model. The flow structure appears generally homogeneous. By studying the particle size effect on velocity vectors, it is found out that as particle diameter increased, the turbulence of flow vectors increased and the number of vortices forming in the bed increased. Furthermore, the average mass fraction of hydrocarbons achieved during reactor output increased. Moreover, the methanol conversion reached more than 90%.