اطلاعیه درباره برگزاری یک سؤال هفتگی در این نسخه
Thread Content
برای افزایش محبوبیت این بخش و در عین حال فراهم کردن فرصت بیشتری برای اعضا جهت کسب امتیاز، این بخش یک رویداد هفتگی با عنوان «یک سؤال در هفته» را راهاندازی کرده است. توضیحات این رویداد به شرح زیر است: ۱. هر روز دوشنبه پستی منتشر میشود و روز یکشنبه، مدیران هر بخش بهترین پاسخ را انتخاب کرده و ۲۰ واحد امتیاز به آن پاسخ اضافه میکنند. در نسخه ۲، پستهای آماری ایجاد خواهد شد تا بهترین پاسخها و نام کاربران معرفی شوند. ۳. حوزه سؤالات: دانش فنی مربوط به سنتز متانول، تقطیر آن و محصولات پاییندست متانول. ۴. هر هفته، یک سؤال برجسته شده و توسط مدیران پیشنهاد خواهد شد. ۵. اگر اعضا موضوعات خوبی دارند، میتوانند آنها را طبق فرمت منتشر کنند یا از طریق پیامهای درون سایت به مدیران بخشها اطلاع دهند. ۶. فرمت سؤال به این صورت است: (هفته اول نوامبر) یک سؤال در هر روز دوشنبه. ۱۰.۱۱.۰۱، قسمت اول: لطفاً انواع کورههای تولید متانول و مزایا و معایب آنها را برشمارید. ۷. پاسخهای زیر پست نباید کپی شوند؛ تخلف در این زمینه منجر به کسر امتیاز خواهد شد. کیفیت پاسخها باید بالا باشد و از اشتباهات املایی اجتناب شود. ۸. اگر اعضای انجمن پیشنهادات خوبی دارند، میتوانند نظرات خود را در این پست ارائه دهند.۲.۱ فناوریهای بزرگ اولیه شرکت دیوی در زمینه سنتز متان
وقتی صحبت از فناوری سنتز متان توسط شرکت دیوی میشود، معمولاً به کورههای چندمرحلهای سنتز متان با خنککاری اشاره میشود. این کورهها از نوع کورههای جریان محوری عایقبندیشده با لایههای ثابت هستند؛ در این کورهها، گازهای خنککننده از طریق سیستمی به شکل الماسی، بین مراحل مختلف تزریق میشوند تا دمای داخل کوره کنترل شود. به دلیل ساختار ساده این توربینها، آنها برای مقیاسبزرگسازی نیز مناسب هستند؛ بنابراین در اولین تأسیسات بزرگ تولید متان در جهان، از توربینهای سنتز متان با سیستم خنککننده چندمرحلهای استفاده فراوان شد. با این حال، مشکلات آشکار زیر نیز وجود دارد: (۱) نمیتوان انرژی حرارتی زیاد تولید شده در فرآیند سنتز متانول را بازیابی کرد و حجم گاز در چرخه سنتز بسیار زیاد است ; (۲) پدیده بازمخلوط شدن بین بخشهای کاتالیزور وجود دارد و میزان متان در خروجی توربین سنتز پایین است ; (۳) بازده زمانی-فضایی کاتالیزور بالا نیست و مقدار گاز مصرفی زیاد است. بنابراین، امروزه از دستگاههای بزرگ به ندرت استفاده میشود. ۲.۲ فناوری سنتز متان با جریان شعاعی بخار در روش DAVY ۲.۲.۱ معرفی ساختار و فرآیند در سالهای اخیر، شرکت DAVY سنتزکننده متان با جریان شعاعی بخار را بهطور ویژه برای تأسیسات تولید متان در مقیاس میلیونها تن توسعه داده است؛ ویژگی اصلی آن این است که کاتالیست در سمت پوسته قرار دارد و گاز ورودی از لوله مرکزی وارد شده و از مرکز به سمت اطراف جریان مییابد. این فرآیند نیازمند تعبیه یک بستر محافظ در پیش از راکتور است تا گاز سنتز شده به طور بیشتری تصفیه شود. شکل ۳، نمودار فرآیندی است که دیوی در حال حاضر برای تأسیسات بزرگ تولید متانول طراحی کرده است؛ شکل ۴ نیز نموداری از سنتزکننده بزرگ متانول با جریان شعاعی و صعودی بخار است. شکل ۳: نمودار ساختاری تأسیسات بزرگ متانول دیوی
شکل ۴: توربین سنتز متانول بزرگ دیوی
۲.۲.۲ ویژگیهای اصلی:
(۱) استفاده از جریان رادیال گاز، صعود بخار، و ساختار موازی/متوالی سنتزکنندهها. (۲) گاز از درون به بیرون، به صورت شعاعی از میان لایه کاتالیزور عبور میکند و کاهش فشار نسبتاً کم است. (۳) آب ورودی بویلر از پایین راکتور وارد میشود، از طریق مجموعه لولههای حلقوی و مجموعه لولههای عمودی به سمت بالا جریان یافته و بخار متوسط فشار تولید میکند تا گرمای ناشی از واکنش را با خود ببرد؛ دمای لایه کاتالیزور نیز از طریق کنترل فشار بخار تنظیم میشود و توزیع دما تقریباً یکنواخت است. (۴) تبدیل CO+H2 به متان به شیوهای تا حد امکان کارآمد، به طوری که نرخ تبدیل میتواند به ۹۸.۵٪ برسد. (۵) نیازی به استفاده از فلزات گرانبها نیست، الزامات مربوط به مواد نسبتاً کم است و هزینه ساخت آن کم است. ۲.۲.۳ عملکرد: کارخانه تولید متانول شرکت DAVY در ترینیداد، که از دو راکتور بخاری با ساختار متصل/موازی و ظرفیت تولید روزانه ۵۴۰۰ تن متانول تشکیل شده است، در ماه اکتبر سال ۲۰۰۵ به بهرهبرداری رسید. در دسامبر سال ۲۰۰۶، شرکت «بائوتوو شنهوا برای صنایع زغالسنگ و شیمیایی» قراردادی برای واردات فناوری تولید متانول با ظرفیت ۵۵۰۰ تن در روز با شرکت DAVY امضا کرد؛ در این روش، از دو کوره سنتزی به صورت متصل و موازی استفاده شده است. واحد تولید متانول ۳۶۰۰ تن در روز شرکت EMethanex در مصر و واحد تولید متانول ۴۴۳۰ تن در روز شرکت Kharg Petrochemicals در ایران نیز از فناوری دیوی استفاده کردهاند. ۲.۲.۴ کاستیهای اصلی: غلظت متانول خروجی نیاز به افزایش دارد تا حجم چرخش کاهش یافته و مصرف انرژی در فرآیند فشردهسازی نیز کمتر شود ; گاز از داخل به بیرون به صورت پراکنده جریان دارد، سرعت جریان چندین برابر تفاوت دارد و تأمین توزیع یکنواخت آن دشوار است ; فشار بخار جانبی ۲.۲ مگاپاسکال و دما حدود ۲۲۰ درجه سانتیگراد است که قابلیت استفاده از آن پایین است. فناوری سنتز متانول نوع لولهای-محفظهای عایقبندیشده Topsφe ۳: ۳.۱ معرفی ساختار و فرآیند: شرکت دانمارکی Topsφe از چندین راکتور سنتز نوع لولهای-محفظهای عایقبندیشده در حالت متوالی یا موازی استفاده کرده است؛ کاتالیست در داخل لولهها قرار دارد و در محفظه، آب جوش وجود دارد؛ این شرکت یک فرآیند تولید متانول در مقیاس میلیونها تن طراحی کرده است. این فرآیند نیازمند تعبیه یک بستر محافظ در پیش از راکتور است تا گاز سنتز شده به طور بیشتری تصفیه شود و میزان گوگرد کلی در آن کمتر از ۵×۱۰⁻⁹ باشد. ۳.۲ ویژگیهای اصلی: (۱) نیاز به استفاده از کاتالیست مخصوص شرکت، از نوع RM101 که از جنس مس است؛ این کاتالیست دارای ویژگیهایی مانند فعالیت بالا، استحکام زیاد، اندازه ذرات کوچک، انتخابپذیری بالا و میزان کم مصرف است. (۲) نسبت چرخشی بین ۱.۵ تا ۲.۵ است، درصد تبدیل در هر مسیر بالاست (معمولاً بین ۵۰٪ تا ۶۰٪)، و میزان متان در خروجی راکتور میتواند به ۱۳.۸۶٪ (به صورت ضریب مولی) برسد. (۳) نرخ تبدیل کربن بالاست. کارخانههای متانول ساخته شده از زغالسنگ، معمولاً میتوانند ۹۵ تا ۹۶ درصد از کربن موجود در گاز ورودی را به متانول تبدیل کنند. (۴) کاهش فشار در برج سنتز معمولاً کمتر از ۰.۲ MPa است و مصرف انرژی خالص برای هر تن متانول حدود ۲۲.۱۵ GJ میباشد (با در نظر گرفتن گاز ورودی، بخار توربین و بخار خروجی). (۵) بازیابی انرژی خوب است. ۳.۳ عملکرد: واحد تولید متانول ۲۵۰۰ تن در روز در نروژ، از فرآیند سهگانه TopsΦe استفاده میکند. پروژههای بزرگ متان که در سالهای ۲۰۰۶ تا ۲۰۰۷ از فناوری TopsΦe استفاده کردند، عبارتند از: واحد تولید متان گازی با ظرفیت ۵۰۰۰ تن در روز در عربستان سعودی (که قرار بود در سال ۲۰۰۹ به بهرهبرداری برسد)، و واحد تولید متان گازی با ظرفیت ۱۰۰۰۰ تن در روز در نیجریه (که قرار بود در سال ۲۰۱۰ به بهرهبرداری برسد) و غیره. ۳.۴ نواقص: اساساً مشابه ساختار قدیمی لورگی است و از نظر ساختاری نوآوری چشمگیری وجود ندارد ; نیاز به استفاده از مواد ویژه وجود دارد ; تعداد دستگاهها زیاد است ; سرمایهگذاری زیاد است. ۴. فناوری سنتز متان با انتقال حرارت بین صفحات IMC در Casale
۴.۱ معرفی ساختار و فرآیند
شرکت Casale راکتورهایی با انتقال حرارت بین صفحات IMC را توسعه داده است؛ در این راکتورها، صفحات انتقال حرارت به صورت شعاعی قرار گرفته و در امتداد قسمتهای هممرکزی چیده میشوند. این صفحات به عنوان اجزای انتقال حرارت، درون لایه کاتالیست قرار میگیرند؛ آب ورودی به بویلر از میان این صفحات عبور کرده و بخار اشباع با فشار متوسط تولید میشود؛ این بخار، گرمای ناشی از واکنش را از لایه کاتالیست خارج میکند. صفحات تبادل حرارت در پایین لایه بستر نگه داشته میشوند؛ کاتالیست نیز از طریق لایه رسوبات بیفعال در پایین، نگه داشته میشود. لوله مرکزی به عنوان مسیری در قسمت پایینی برج سنتز عمل میکند و کاتالیست میتواند از طریق دریچه تخلیه در پایین خارج شود. شکلهای ۵ و ۶، نمودارهایی از کوره سنتز متان با تبادل حرارت بین صفحات در سیستم کاساله هستند. شکل ۵: نمودار تخیلی کوره سنتز متان کاساله؛ شکل ۶: نمودار تخیلی ساختار کوره سنتز متان کاساله با انتقال حرارت بین صفحات. ۴.۲ ویژگیهای اصلی: (۱) مساحت منطقه انتقال حرارت در قسمتهای داخلی کوره، بزرگ است. (۲) مقدار خالص الکل بالا است و میتواند تا ۱۰٪ باشد. (۳) گاز میتواند به صورت جریان همگرا یا مخالف، محوری یا شعاعی با کاهش فشار کم حرکت کند. (۴) ضریب پر کردن کاتالیزور بالا، بازدهی فضای با فشار بالا زیاد و شدت تولید بالاست. (۵) استفاده از کاتالیستهای داخلی، اما لازم است که توسط Casale مورد آزمایش قرار گیرند و تضمین کیفیت ارائه شود؛ این موضوع بزرگترین تفاوت نسبت به فناوری شرکتهای خارجی مانند Lurgi، Davy، TopsΦe است. ۴.۳ عملکرد: در نوامبر سال ۲۰۰۲، شرکت Casale با استفاده از طراحی تبادل حرارت بین صفحات IMC، یک واحد تولید متان به ظرفیت ۳۲۰ متر تن در روز در شرکت Nevinnomyssk Azot در روسیه را «در محل» بازسازی کرد و باعث افزایش ظرفیت تولید به میزان ۳۳٪ شد. واحد تولید متانول ۴۵۰ کیلوتن در سال شرکت شانگهای کوکینگ لیمیتد در کشور ما، واحد تولید متانول ۶۰۰ کیلوتن در سال شرکت نیوانرژی لیمیتد، و همچنین واحد تولید متانول ۱ میلیون تن در سال شرکت شاندونگ جیوتای انرژی (در منغولستان داخلی) نیز از فناوری سنتز متانول با استفاده از پلاتهای IMC تولید شده توسط شرکت Casale بهره میبرند. با استفاده از کورههای سنتز متانول ایزوترمال نوع IMC، بزرگترین پروژه متانولی که شرکت کاساله آن را پیگیری کرده، پروژه تولید متانول از گاز طبیعی با ظرفیت ۷۰۰۰ تن در روز است؛ این پروژه در ایران در مرحله طراحی قرار دارد. ۴.۴ نواقص: بارگذاری کاتالیزور دشوار است ; از چرخهای اجباری استفاده میشود که الزامات زیادی برای پمپهای چرخهای اجباری وجود دارد ; ساختار سنتزکننده متان پیچیده است، الزامات مواد برای آن بالاست، تولید آن دشوار و هزینههای آن زیاد است ; هنگامی که فشار تولید متانول کمی بالاتر باشد (مثلاً بیشتر از ۸ MPa)، قابلیت اطمینان ساختار و منطقی بودن فرآیند نیاز به آزمایش عملی دارد. ۵ فناوری سنتز متان نوع SPC با پوشش لولهای MHI/MGC و لولههای سرد – بخش ۵.۱: ساختار و معرفی کلی
این فناوری، دستگاه سنتز متان نوع SPC (Superconverter) است که توسط شرکتهای میتسوبیشی هوکو (MHI) و میتسوبیشی گاس (MGC) در ژاپن توسعه یافته است؛ این دستگاه معادل یک اختلاطکن حرارتی دولولهای ساده و عمودی میباشد. کاتالیزور بین لوله داخلی و لوله خارجی قرار میگیرد و آب جوش در فضای بین پوسته و لولهها در حال گردش است. گاز ورودی از پایین وارد لوله داخلی میشود، گاز گرمشده وارد لایه کاتالیزور میگردد؛ گاز واکنشدهنده هم توسط آب جوش در بیرون و هم توسط گاز داخلی خنک میشود تا دمای عملیاتی به حداقل دمای بهینه نزدیکتر شود. جریان هوا در امتداد لوله داخلی و خارجی در جهتهای مخالف است؛ دمای گاز ترکیبی در ورودی لایه کاتالیزور بالاترین مقدار را دارد و هنگام حرکت به سمت خروجی، به تدریج کاهش مییابد. چنین توزیع دماایی میتواند سرعت بهینه واکنش را تضمین کند؛ یعنی با کاهش مقدار کاتالیزور، میتوان نرخ تبدیل بالایی به دست آورد. سنتزکنر متانول SPC نیز میتواند برای تولید متانول در مقیاس میلیونها تن استفاده شود؛ ساختار آن در شکل ۷ نشان داده شده است. شکل ۷: نمودار تخیلی سنتزکننده متان SPC
۵.۲ ویژگیهای اصلی
(۱) در مقایسه با راکتور لولهای Lurgi، راکتور متان SPC دارای نسبت چرخش پایینتر و درصد تبدیل بالاتری است؛ در شرایط سرعت جریان ۵۰۰۰ h⁻¹ و فشار ۸.۰ MPa، میتوان به غلظت ۱۴٪ متان در خروجی دست یافت. (۲) سنتزکن نقش یک پیشگرمکن را دارد تا گاز ورودی را گرم کند؛ گاز سنتز شده تازه درون راکتور گرم میشود، بنابراین نیازی به استفاده از اختلاطکن حرارتی نیست. (۳) بازیابی انرژی خوب است؛ از هر ۱ تن متانول، میتوان ۱ تن بخار با فشار ۴.۰ MPa تولید کرد. گفته میشود با استفاده از این راکتور، مصرف انرژی برای تولید هر تن متانول میتواند به ۲۹ کیلوجول در تن کاهش یابد. (۴) پایداری فرآیند خوب است. ۵.۳ نقاط ضعف: کاهش فشار قابل توجه ; ساختار دستگاه نسبتاً پیچیده است و هر لوله داخلی باید با استفاده از لوله انعطافپذیر به لوله جمعکننده متصل شود تا تنشهای حرارتی از بین بروند ; کاتالیزور در بین پوششها قرار میگیرد که این امر باعث دشواری در بارگیری و تخلیه کاتالیزور، نصب تجهیزات و تعمیرات آن میشود ; اثر دیواره سرد کاتالیزور را نمیتوان نادیده گرفت؛ لذا از کاتالیزورها انتظار میرود که هم انتخابپذیری و هم فعالیت خوبی در دماهای پایین داشته باشند. در عربستان سعودی، ۴ واحد تولید متان با ظرفیت ۸۰۰ کیلوتن در سال و با استفاده از فناوری SPC راهاندازی شدهاند. ۶ فناوری سنتز متان با جریان شعاعی چندمرحلهای MRF ۶.۱ مقدمهای بر ساختار و ویژگیها شرکت تویو نیهون کوگیو (TEC) و شرکت میتسویی توئیسه کیمیاکو، به طور مشترک یک کوره سنتز متان نوین با جریان شعاعی و سرمایش داخلی چندمرحلهای (نوع سرمایش غیرمستقیم) که از نظر صرفهجویی در انرژی و کاهش مصرف مناسب است، را توسعه دادهاند. گفته میشود که این دستگاه را میتوان به راحتی از میزان فعلی ۷۵۰ تا ۸۵۰ کیلوتن در سال، به مقیاس ۱.۵ میلیون تن در سال ارتقا داد. مخزن سنتز متان MRF، یک محفظه فشاری استوانهای عمودی است که از یک پوسته تحت فشار، یک سبد کاتالیزور حاوی لوله مرکزی، و لولههای عمودی بویلر (لولههای خنککننده) که به لولههای اصلی بخارسازی آب بویلر و لولههای جمعآوری بخار متصل هستند، تشکیل شده است. لولهها در چندین لایه دایرهای هممرکزی چیده شده و به صورت عمودی بر روی لایه کاتالیزور نصب میشوند. گاز سنتزی از لوله مرکزی وارد میشود و سپس به صورت شعاعی از میان لایه کاتالیزور عبور کرده و واکنش میدهد. گاز پس از واکنش، در فضای حلقوی بین سبد کاتالیزور و پوسته برج سنتز جمع میشود و از قسمت بالایی خارج میگردد. آب ورودی بویلر از کف کوره وارد لولههای خنککننده میشود، بخار تولید شده در لولههای جمعآوری بخار گرد هم میآید و سپس از بالای برج خارج میشود. ساختار کوره سنتز متان با جریان شعاعی چندمرحلهای MRF، مشابه کوره سنتز متان با جریان شعاعی و صعود بخار دیوی است. ۶.۲ ویژگیهای اصلی: (۱) جریان گاز به صورت شعاعی، مسیر جریان کوتاه، سرعت جریان پایین و کاهش فشار نیز کم است. (۲) گاز سنتزی به صورت عمودی از روی سطح لولههای دیگ بخار عبور میکند؛ حتی در صورت کاهش سرعت جریان گاز، بازده انتقال حرارت بین لایه گاز و لولههای سرد نیز بسیار بالا است. (۳) نرخ تبدیل یکطرفه بالا و میزان گاز چرخشی کم است. (۴) نحوه چیدمان لولههای دیگ بخار، باعث میشود دمای واکنش تقریباً به منحنی توزیع دمایی ایدهآل نزدیک شود؛ فرآیند واکنش در مسیر دمایی بهینه انجام میشود، بازده تولید متانول بالا است و غلظت متانول خام در خروجی توربین سنتز، بالاتر از ۸.۵٪ است. (۵) گرمای ناشی از واکنش به موقع و به طور مؤثر دفع شده، دمای لایه کاتالیزور پایدار است، مقدار کاتالیزور کم بوده و عملیات در شرایط ملایم انجام میشود، در نتیجه عمر کاتالیزور طولانی است. ۶.۳ نواقص: ساختار پیچیده و تولید آن دشوار است ; فشار بخار حاصل از فرآیند، کمتر از فشار بخار حاصل از توربینهای نوع پیچدار است و استفاده از بخار دشوار میباشد ; آب کوره در داخل لولههای دوگانه به صورت اجباری گردش میکند، توان پمپ گردش بالاست و حجم کارهای تعمیراتی پمپ نیز زیاد است. الزامات فنی و روندهای توسعه راکتورهای سنتز متان در مقیاس ۷ میلیون تنی (۱) استفاده از فناوری سنتز با فشار پایین. (۲) بازیابی گرمای واکنش با انرژی بالاتر، و تولید بخار فرعی. (۳) دمای لایه کاتالیزور به راحتی قابل کنترل است؛ تنظیم دما آسان، سریع و مؤثر بوده و امکان تنظیم انعطافپذیر نیز وجود دارد. (۴) همدما بودن جهت توسعه است؛ دمای لایه بستر باید تا حد امکان یکنواخت باشد و دمای واکنش در محدوده مناسبترین دما قرار گیرد تا عمر کاتالیزور طولانیتر شود. (۵) بازیابی بالای زمان و فضا، شدت بالای تولید کاتالیست، نسبت چرخش پایین و نرخ تبدیل بالا در هر مسیر. (۶) انتخابپذیری خوب، کیفیت متانول خام بالا، و تولید محصولات واکنش جانبی و ناخالصیهای کم. (۷) سازگاری عملکردی بالایی دارد و میتواند با تغییرات شرایط عملیاتی مختلف سازگار شود. (۸) ضریب حجمی بالا، در یک راکتور با حجم مشخص، مقدار زیادی کاتالیست نصب میشود. (۹) بارگیری و تخلیه، و همچنین کاهش وضعیت اکسیداسیون کاتالیزور آسان است. (۱۰) یک لایه محافظ در مقابل راکتور قرار داده میشود تا میزان کل گوگرد موجود در گاز سنتز شده را بیشتر کاهش داده و از کاتالیست متانول محافظت شود. (۱۱) با استفاده از راکتورهای شعاعی یا محوری-شعاعی، توزیع گاز در لایه بستر یکنواخت بوده و مقاومت کمتری وجود دارد. (۱۲) تا حد امکان از استفاده از مواد ویژه و گرانقیمت خودداری کنید تا دشواریهای تولید و مونتاژ کاهش یافته و هزینههای تولید پایینتر شود.