Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
1. Zastosowania cieczy jonowych w procesach rafinacji
Rafinacja ropy naftowej jest jedną z kluczowych technologii napędzających globalny rozwój gospodarczy i postęp technologiczny od ponad wieku. Chociaż większość technologii stosowanych w rafineriach jest uważana za dojrzałą, branża zawsze szuka sposobów na ulepszenie procesów, zmniejszenie wpływu na środowisko, zwiększenie bezpieczeństwa i osiągnięcie redukcji kosztów. W szczególności duży nacisk położono na ulepszenie istniejących technologii hydroodsiarczania (HDS), wodoroodazotowania (HDN), wodoroodtleniania (HDO) i alkilowania. Ze względu na ich unikalne właściwości fizyczne i chemiczne oraz zalety środowiskowe w porównaniu z tradycyjnie stosowanymi rozpuszczalnikami lub katalizatorami, zainteresowanie cieczami jonowymi w takich procesach rafineryjnych gwałtownie wzrosło w ostatnich latach [1]. Udowodniono, że katalizatory alkilacji oparte na cieczach jonowych ułatwiają wydajną alkilację, jednocześnie unikając głównych wyzwań związanych z korozją (takich jak: pękanie korozyjne naprężeniowe), bezpieczeństwem i kwestiami operacyjnymi związanymi z tradycyjną technologią opartą na HF. Alkilacja zazwyczaj wykorzystuje katalizator, taki jak kwas siarkowy lub HF, w celu wytworzenia wysokooktanowej benzyny. Jednak użycie HF było związane z eksplozjami w rafinerii w Filadelfii. Amerykańska Rada Bezpieczeństwa Chemicznego (CSB) wezwała do aktualizacji przepisów bezpieczeństwa dotyczących stosowania HF. Odsiarczanie ekstrakcyjne (EDS) olejów opałowych przy użyciu cieczy jonowych (IL) było intensywnie badane w ostatnich dziesięcioleciach i ma dobrą przyszłość jako metoda alternatywna lub uzupełniająca HDS. Proces ten przebiega w trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura, wysokie ciśnienie oraz wymóg stosowania szlachetnego katalizatora i wodoru. Korzystając z tej istniejącej technologii, rury stalowe mogą być podatne na uszkodzenia spowodowane wysokotemperaturowym atakiem wodoru (HTHA). HTHA (czasami nazywana „reakcją metanową”) zachodzi w wysokich temperaturach pomiędzy gazowym wodorem cząsteczkowym zawartym wewnątrz stalowego zbiornika ciśnieniowego a atomami węgla znajdującymi się w stalowej matrycy lub w węglikach. Podczas tej reakcji wytwarzane są cząsteczki metanu. Zjawisko to może w konsekwencji prowadzić do utraty właściwości mechanicznych z powodu odwęglenia powierzchni i powstawania defektów spowodowanych przez pęcherzyki metanu zlokalizowane głównie na granicach ziaren. Wypadek w Tesoro Anacortes miał miejsce podczas rozruchu instalacji hydrorafinacji benzyny w rafinerii po przestoju konserwacyjnym.
Solidne metodologie symulacji zostały zastosowane do analizy kluczowych zastosowań IL: fizycznego i chemicznego wychwytywania CO2, separacji gazu, ekstrakcji ciecz-ciecz, destylacji ekstrakcyjnej, cykli chłodniczych i biorafinerii. [2].
2. Symulacje numeryczne produkcji biodiesla
Przeprowadzono symulacje obliczeniowej dynamiki płynów dla produkcji biodiesla, stosując model rozpraszania wirowego (EDM) w połączeniu z modelem naprężeń Reynoldsa (RSM). Obliczona wydajność biodiesla została dobrze porównana z wynikami eksperymentalnymi [3]. Mekala zastosował kod ANSYS Fluent w celu rozwiązania równań przepływu płynu, ciepła i transportu masy w reaktorach ze złożem upakowanym [4]. Praca ta zawiera wielofizyczny projekt reaktora estryfikacji do transformacji kwasu oleinowego i metanolu do FAME przy użyciu płynu o wysokiej temperaturze wrzenia. Prawdopodobnie po raz pierwszy zaproponowano fenylonaftalen jako źródło ciepła wymaganego do podtrzymania reakcji estryfikacji FAME [5]. W ramach niniejszej pracy badawczej ciecze jonowe zostały zastosowane w reakcjach organicznych jako rozpuszczalniki i katalizatory reakcji estryfikacji. Doskonałe właściwości cieczy o wysokiej temperaturze wrzenia, wraz z postępem w przemyśle naftowym i gazowym, sprawiają, że koncepcja organiczna jest bardziej odpowiednia i bezpieczniejsza (woda wchodząca w kontakt z ciekłym metalem może powodować zagrożenie wybuchem pary) do ogrzewania reaktora estryfikacji. Zastosowano kod COMSOL Multiphysics, który jednocześnie rozwiązuje równania ciągłości, przepływu płynów, wymiany ciepła i dyfuzji z kinetyką reakcji chemicznych.
3. Sekcja wyników
Rysunek 1 przedstawia trójwymiarowe pole temperatury wewnątrz reaktora estryfikacji przy t = 20 000 s.
Rysunek 1: Wykres 3D pola temperatury wewnątrz reaktora estryfikacji przy t=20 000 sek.
Na rysunku 1 widać, że temperatura w dolnej części reaktora jest wyższa niż temperatura w górnej części. Wynika to z faktu, że endotermiczna reakcja estryfikacji zużywa ciepło dostarczane przez ciecz fenylo-naftalenową. Należy zauważyć, że przewodność cieplna cieczy jonowej i reagentów (kwasu oleinowego i metanolu) ma niższą wartość. Rysunek 2 przedstawia trójwymiarowe pole stężenia FAME wewnątrz reaktora.
Rysunek 2: Wykres 3D pola stężenia FAME wewnątrz reaktora estryfikacji.
Rysunek 2 pokazuje, że konwersja FAME wynosi około 100%. Podobną wartość uzyskano w pracy Ref. [6] dla T = 130 °C i 5,6 h. Rysunek 3 pokazuje osiowe stężenie FAME wzdłuż wysokości reaktora.
Rysunek 3. Wykres osiowy stężenia FAME wzdłuż wysokości reaktora estryfikacji dla cieczy fenylo-naftalenowej w temperaturze 160 °C.
Rysunek 3 pokazuje, że stężenie FAME wzrasta wraz z upływem czasu. Występuje niewielki spadek stężenia FAME od y = 0,1 m do y = 0,4 m. Wynika to z faktu, że przewodność cieplna cieczy jonowej i reagentów (kwasu oleinowego i metanolu) ma niższe wartości.
4. Wnioski
W artykule przedstawiono zaawansowaną symulację CFD produkcji biodiesla z zastosowaniem cieczy jonowej imidazoliowej. Oprogramowanie COMSOL jednocześnie rozwiązuje zachowanie masy (ciągłość), przepływ płynu (Navier-Stokes), wymianę ciepła i dyfuzję z równaniami transportu reakcji estryfikacji. Wykazano, że strumień ciepła może zapewnić wymagany strumień ciepła do utrzymania procesu estryfikacji. Stwierdzono, że stężenia metanolu i kwasu oleinowego zmniejszają się wzdłuż osi reaktora. Udział masowy FAME wzrasta wzdłuż osi reaktora estryfikacji. Dzieje się tak, ponieważ reakcje endotermiczne pochłaniają ciepło. Wewnętrzne i zewnętrzne powierzchnie reaktora są narażone na ciepło dostarczane przez wysokowrzący płyn fenylo-naftalenowy. Aby uniknąć wrzenia i parowania wody wytworzonej w reakcji estryfikacji, ciśnienie wewnątrz reaktora estryfikacji jest ustawione na 700 kPa. Należy zauważyć, że ciśnienie nasycenia wody w temperaturze T = 160 °C wynosi 620 kPa. Ponieważ kropelki wody generowane podczas reakcji estryfikacji są cięższe od gazu, opadają i są wydobywane z dna. Mogą one reagować z cieczą jonową, głównie na wlocie do reaktora. Ponadto, jeśli system grzewczy ulegnie awarii (z powodu awarii zasilania elektrycznego lub problemu technicznego wewnątrz pompy cieczy fenylo-naftalenowej), para może kondensować wewnątrz reaktora estryfikacji, prowadząc do powstawania pęcherzyków wody i dalszego zmniejszania przenoszenia ciepła do reaktora estryfikacji. W związku z tym wznowienie normalnej pracy reaktora estryfikacji może być trudne. Stosując wysokie ciśnienie, łatwiej jest wznowić działanie tego reaktora. W niektórych przypadkach dochodzi do reakcji ubocznych między wodą a cieczami jonowymi. Aby zwalczyć ten problem, woda jest usuwana. Palnik na koks naftowy może zapewnić niezbędny strumień ciepła dla reaktora estryfikacji. Możliwe jest zastosowanie tego reaktora w pobliżu jednostki opóźnionego koksowania (DCU) w celu produkcji oleju napędowego i biodiesla.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w [5].
5. Referencje
[1] Haifa Ben Salah, Paul Nancarrow, Amani Al-Othman, Ionic liquid-assisted refinery processes – A review and industrial perspective, Fuel, Volume 302, 2021, https://lnkd.in/dYf4X79V.
[2] Jose Palomar, Jesús Lemus, Pablo Navarro, Cristian Moya, Rubén Santiago, Daniel Hospital-Benito i Elisa Hernández Chemical Reviews, 2024 124 (4), 1649-1737, https://lnkd.in/d2U4ExbR
[3] Mohiuddin, A.K.M.; Adeyemi, N. Numerical Simulation of Biodiesel Production Using Waste Cooking Oil. In Proceedings of the ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition IMECE2013, San Diego, CA, USA, 15-21 listopada 2013, https://asmedigitalcollection.asme.org/IMECE/proceedings-abstract/IMECE2013/V08AT09A003/261194
[4] Mekala, S.J. CFD Studies of Reactive Flow with Thermal and Mass Diffusional effects in a Supercritical Packed Bed Catalytic Reactor. Praca doktorska, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Hiszpania, 2016, https://upcommons.upc.edu/handle/2117/113679.
[5] Davidy, A. Thermal Hydraulics and Thermochemical Design of Fatty Acid Methyl Ester (Biodiesel) Esterification Reactor by Heating with High Boiling Point Phenyl-Naphthalene Liquid. Płyny 2022, 7, 93, https://www.mdpi.com/2311-5521/7/3/93#B13-fluids-07-00093.
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.