1. تطبيقات السوائل الأيونية في عمليات التكرير
لقد كان تكرير النفط أحد التقنيات الرئيسية التي تقود التنمية الاقتصادية العالمية والتقدم التكنولوجي لأكثر من قرن من الزمان. على الرغم من أن الكثير من التكنولوجيا المستخدمة في المصافي تعتبر ناضجة، إلا أن الصناعة تبحث دائمًا عن طرق لإجراء تحسينات على العمليات، وتقليل التأثير البيئي، وتعزيز السلامة، وتحقيق تخفيضات في التكاليف. وعلى وجه الخصوص، تم التركيز بشكل كبير على تحسين التكنولوجيا الحالية لإزالة الكبريت بالهيدروجين (HDS)، ونزع النتروجين المائي (HDN)، وإزالة الأكسجين بالهيدروجين (HDO) والألكلة. نظرًا لخصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة ومزاياها البيئية مقارنة بالمذيبات أو المحفزات المستخدمة تقليديًا، فقد تزايد الاهتمام بالسوائل الأيونية لعمليات التكرير هذه بشكل كبير في السنوات الأخيرة. [1]. لقد أثبتت محفزات الألكلة القائمة على IL أنها تسهل الألكلة الفعالة مع تجنب التحديات الرئيسية للتآكل (مثل: تكسير التآكل الناتج عن الإجهاد)، وقضايا السلامة وقابلية التشغيل المرتبطة بالتكنولوجيا التقليدية المعتمدة على التردد العالي. تستخدم الألكلة عادةً محفزًا مثل حمض الكبريتيك أو HF لإنتاج بنزين عالي الأوكتان. ومع ذلك، فقد ارتبط استخدام التردد العالي بالانفجارات في مصفاة فيلادلفيا. دعا مجلس السلامة الكيميائية الأمريكي (CSB) إلى تحديث لوائح السلامة المتعلقة باستخدام فلوريد الهيدروجين. تمت دراسة عملية إزالة الكبريت الاستخراجية (EDS) لزيوت الوقود باستخدام السوائل الأيونية (ILs) بشكل مكثف في العقود الأخيرة ولها مستقبل جيد كطريقة بديلة أو مكملة لـ HDS. يتم تشغيل هذه العملية في ظل ظروف قاسية، مثل ارتفاع درجة الحرارة والضغط العالي ومتطلبات المحفز النبيل والهيدروجين. باستخدام هذه التكنولوجيا الحالية، قد تكون الأنابيب الفولاذية عرضة لفشل هجوم الهيدروجين عالي الحرارة (HTHA). يحدث HTHA (يسمى أحيانًا “تفاعل الميثان”) عند درجات حرارة عالية بين الهيدروجين الجزيئي الغازي الموجود داخل وعاء الضغط الفولاذي وذرات الكربون الموجودة في مصفوفة الفولاذ أو في الكربيدات. يتم إنتاج جزيئات الميثان خلال هذا التفاعل. يمكن أن تؤدي هذه الظاهرة بالتالي إلى فقدان الخواص الميكانيكية بسبب إزالة الكربنة السطحية وتكوين العيوب الناجمة عن فقاعات الميثان الموجودة بشكل رئيسي عند حدود الحبوب. وقع حادث تيسورو أناكورتس أثناء بدء تشغيل “وحدة معالجة النافتا بالهيدروجين” في المصفاة بعد توقف أعمال الصيانة.
تم تطبيق منهجيات محاكاة قوية لتحليل تطبيقات IL الرئيسية: التقاط ثاني أكسيد الكربون الفيزيائي والكيميائي، وفصل الغاز، واستخراج السائل السائل، والتقطير الاستخراجي، ودورات التبريد، والمصفاة الحيوية. [2].
2. المحاكاة العددية لإنتاج وقود الديزل الحيوي
تم إجراء عمليات محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية لإنتاج وقود الديزل الحيوي من خلال تطبيق نموذج تبديد الدوامة (EDM) إلى جانب نموذج الإجهاد رينولدز (RSM). وقد قارنت الإنتاجية المحسوبة للديزل الحيوي بشكل جيد مع النتائج التجريبية [3]. قامت مكالا بتطبيق كود ANSYS Fluent لحل معادلات تدفق السوائل والحرارة ونقل الكتلة في مفاعلات الأسرة المعبأة [4]. يحتوي هذا العمل على تصميم متعدد الفيزياء لمفاعل الأسترة لتحويل حمض الأوليك والميثانول إلى FAME عن طريق استخدام سائل ذو درجة غليان عالية. ربما تكون هذه هي المرة الأولى التي يُقترح فيها فينيل النفثالين لتوفير الحرارة المطلوبة اللازمة للحفاظ على تفاعل الأسترة لـ FAME [5]. في إطار هذا العمل البحثي، تم تطبيق السوائل الأيونية في التفاعلات العضوية كمذيبات ومحفزات لتفاعل الأسترة. إن الصفات الرائعة للسوائل ذات درجة حرارة الغليان العالية، إلى جانب التقدم في صناعات النفط والغاز، تجعل المفهوم العضوي أكثر ملاءمة وأكثر أمانًا (قد يتسبب تلامس الماء مع المعدن السائل في خطر انفجار البخار) لتسخين مفاعل الأسترة. تم استخدام كود COMSOL Multiphysics وحل في الوقت نفسه معادلات الاستمرارية وتدفق السوائل ونقل الحرارة والانتشار باستخدام معادلات حركية التفاعل الكيميائي.
3. قسم النتائج
ويبين الشكل 1 مجال درجة الحرارة ثلاثي الأبعاد داخل مفاعل الأسترة عند t = 20000 ثانية.
شكل 1: مؤامرة ثلاثية الأبعاد لحقل درجة الحرارة داخل مفاعل الأسترة عند t = 20000 ثانية.
يتبين من الشكل 1 أن درجة الحرارة في القسم السفلي من المفاعل أعلى من درجة الحرارة في الجانب العلوي. وذلك لأن تفاعل الأسترة الماص للحرارة يستهلك الحرارة التي يوفرها سائل فينيل النفثالين. تجدر الإشارة إلى أن الموصلية الحرارية للسائل الأيوني والمواد المتفاعلة (حمض الأوليك والميثانول) لها قيمة أقل. ويبين الشكل 2 مجال تركيز FAME ثلاثي الأبعاد داخل المفاعل.
الشكل 2: رسم ثلاثي الأبعاد لمجال تركيز FAME داخل مفاعل الأسترة.
يوضح الشكل 2 أن تحويل FAME يبلغ حوالي 100%. تم الحصول على قيمة مماثلة في المرجع. [6] لـ T = 130 درجة مئوية و5.6 ساعة. ويبين الشكل 3 تركيز FAME المحوري على طول ارتفاع المفاعل.
الشكل 3. مؤامرة محورية لتركيز FAME على طول ارتفاع مفاعل الأسترة لسائل فينيل النفثالين عند درجة حرارة 160 درجة مئوية.
ويبين الشكل 3 أن تركيز FAME يزيد مع مرور الوقت. هناك انخفاض طفيف في FAME من y = 0.1 m حتى y = 0.4 m. وذلك لأن التوصيل الحراري للسائل الأيوني والمواد المتفاعلة (حمض الأوليك والميثانول) لها قيم أقل.
4 – نتائج
قدمت هذه الورقة محاكاة متقدمة لعقود الفروقات لإنتاج وقود الديزل الحيوي من خلال تطبيق السائل الأيوني إيميدازوليوم. يقوم برنامج COMSOL في نفس الوقت بحل معادلات حفظ الكتلة (الاستمرارية)، وتدفق السوائل (Navier-Stokes)، ونقل الحرارة، والانتشار باستخدام معادلات نقل تفاعل الأسترة. لقد ثبت أن التدفق الحراري يمكن أن يوفر التدفق الحراري المطلوب للحفاظ على عملية الأسترة. وقد وجد أن تركيزات الميثانول وحمض الأوليك تتناقص على طول محور المفاعل. يزداد جزء الكتلة FAME على طول محور مفاعل الأسترة. وذلك لأن التفاعلات الماصة للحرارة تستهلك الحرارة. تتعرض الأسطح الداخلية والخارجية للمفاعل للحرارة التي يوفرها سائل الفينيل-نفثالين عالي الغليان. من أجل تجنب غليان وتبخر الماء المتولد داخل تفاعل الأسترة، يتم ضبط الضغط داخل مفاعل الأسترة على 700 كيلو باسكال. تجدر الإشارة إلى أن الضغط المشبع للماء عند T = 160 درجة مئوية هو 620 كيلو باسكال. وبما أن قطرات الماء المتولدة أثناء تفاعل الأسترة تكون أثقل من الغاز، فإنها تسقط ويتم استخراجها من القاع. وقد تتفاعل مع السائل الأيوني، خاصة عند مدخل المفاعل. علاوة على ذلك، إذا فشل نظام التسخين (بسبب انقطاع التيار الكهربائي أو مشكلة فنية داخل مضخة سائل الفينيل النفثالين)، فقد يتكثف البخار داخل مفاعل الأسترة، مما يؤدي إلى توليد فقاعات ماء وتقليل انتقال الحرارة إلى مفاعل الأسترة. وبالتالي، قد يكون من الصعب استئناف التشغيل العادي لمفاعل الأسترة. ومن خلال تطبيق الضغط العالي، يكون من الأسهل استئناف تشغيل هذا المفاعل. وفي بعض الحالات، تحدث تفاعلات جانبية بين الماء والسوائل الأيونية. ولمكافحة هذه المشكلة، تتم إزالة الماء. يمكن لموقد فحم الكوك أن يوفر التدفق الحراري اللازم لمفاعل الأسترة. من الممكن تطبيق هذا المفاعل بالقرب من وحدة التكويك المتأخر (DCU) من أجل إنتاج وقود الديزل ووقود الديزل الحيوي.
مزيد من المعلومات حول هذا البحث متاحة في المرجع [5].
5. المراجع
[1] هيفاء بن صلاح، بول نانكارو، أماني العثمان، عمليات التكرير بمساعدة السائل الأيوني – مراجعة ومنظور صناعي، الوقود، المجلد 302، 2021، https://lnkd.in/dYf4X79V.
[2] خوسيه بالومار، خيسوس ليموس، بابلو نافارو، كريستيان مويا، روبين سانتياغو، مستشفى دانيال بينيتو، وإليسا هيرنانديز المراجعات الكيميائية، 2024 124 (4)، 1649-1737، https://lnkd.in/d2U4ExbR
[3] محيي الدين، أ.كم. Adeyemi، N. المحاكاة العددية لإنتاج وقود الديزل الحيوي باستخدام نفايات زيت الطهي. في وقائع المؤتمر والمعرض الدولي للهندسة الميكانيكية ASME 2013 IMECE2013، سان دييغو، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية، 15-21 نوفمبر 2013، https://asmedigitalcollection.asme.org/IMECE/proceedings-abstract/IMECE2013/V08AT09A003/261194
[4] ميكالا، SJ دراسات CFD على التدفق التفاعلي مع التأثيرات الحرارية وانتشار الكتلة في مفاعل حفاز ذو طبقة معبأة فوق حرجة. دكتوراه. أطروحة، جامعة بوليتكنيكا دي كاتالونيا، برشلونة، إسبانيا، 2016، https://upcommons.upc.edu/handle/2117/113679.
[5] Davidy, A. التصميم الهيدروليكي الحراري والكيميائي الحراري لمفاعل أسترة الأحماض الدهنية ميثيل إستر (الديزل الحيوي) عن طريق التسخين باستخدام سائل الفينيل النفثالين ذو درجة الغليان العالية. السوائل 2022, 793, https://www.mdpi.com/2311-5521/7/3/93#B13-fluids-07-00093.