مدلسازی هیدرودآلکیلاسیون در یک راکتور غشایی

طراحی راکتور مورد استفاده در هیدرودآلکیلاسیون می تواند تأثیر قابل توجهی بر بازده کلی و گزینش پذیری محصول تبدیل داشته باشد. در این پست وبلاگ از مدل سازی و شبیه سازی برای بررسی مزایای استفاده از راکتور غشایی استفاده می کنیم.

آشنایی با فرآیند هیدرودآلکیلاسیون

تولوئن از استفاده به عنوان تقویت کننده اکتان در سوخت گرفته تا استفاده از آن به عنوان حلال برای رنگ ها و چسب ها، ممکن است ماده ای باشد که قبلاً با آن آشنا هستید. با این حال، ممکن است متوجه نباشید که این مایع بی رنگ و نامحلول در آب اغلب با نام دیگری – متیل بنزن – شناخته می شود.

همانطور که از نام آن پیداست، حذف یک گروه متیل از تولوئن می تواند برای تولید ترکیب شیمیایی بنزن استفاده شود. این فرآیند به نام دی متیلاسیون شناخته می شود .

این تبدیل که در سطوح دما و فشار بالا رخ می دهد، در حضور گاز هیدروژن در یک راکتور صورت می گیرد. در طی واکنش شیمیایی، هیدروژن موجود جایگزین هیدروکربن حذف شده می شود و در نتیجه یک مولکول ساده تر – در این مورد، بنزن – ایجاد می شود. توجه داشته باشید که در همان زمان، بنزن می تواند به صورت برگشت پذیر واکنش نشان دهد و ترکیب آلی بی فنیل را ایجاد کند. اصطلاح مورد استفاده برای توصیف این فرآیند هیدروژن فشرده هیدرودآلکیلاسیون است .

اکنون که احساس بهتری نسبت به نحوه عملکرد این واکنش شیمیایی داریم، بیایید همه چیز را یک قدم جلوتر برداریم و استفاده از راکتور غشایی را در این فرآیند تجزیه و تحلیل کنیم.

انجام هیدرودآلکیلاسیون با راکتور غشایی

در هیدرودآلکیلاسیون، اعتقاد بر این است که با حفظ غلظت های بالاتر هیدروژن می توان بازده بنزن بیشتری تولید کرد. افزودن یک راکتور غشایی به دستیابی به این شرایط کمک می کند زیرا جریان مداوم هیدروژن را به راکتور در سراسر غشای متخلخل تامین می کند. سرعت این جریان هیدروژن را می توان با قانون دارسی توصیف کرد. به غیر از هیدروژن، هیچ گونه شیمیایی اضافی در راکتور از غشاء عبور نمی کند.

شماتیکی از جریان هیدروژن از طریق یک غشای متخلخل.

برای مدل‌سازی این فرآیند، با نوع راکتور Plug flow از پیش تعریف‌شده موجود در ماژول مهندسی واکنش شیمیایی شروع می‌کنیم . معادلات راکتور در این مدل می‌توانند متعاقباً برای منعکس کردن هیدروژنی که در سراسر غشاء حرکت می‌کند، اصلاح شوند.

علاوه بر این، با استفاده از ویژگی ترمودینامیک، می‌توانیم به روابط خصوصیات ظرفیت‌های گرمای مولی و آنتالپی‌های مولی گونه‌های واکنش‌دهنده دسترسی داشته باشیم و تعادل انرژی را حل کنیم. ویژگی ترمودینامیک منبع ارزشمندی است زیرا شما را قادر می سازد با پایگاه داده های خارجی با فرمت استاندارد برای محاسبات ترمودینامیکی و خصوصیات فیزیکی ارتباط برقرار کنید. سپس می توانید این اطلاعات به دست آمده را در شبیه سازی های خود بگنجانید.

مقایسه طرح های مختلف

برای تجزیه و تحلیل اثربخشی راکتور غشایی در فرآیند هیدرودآلکیلاسیون، ما دو طرح راکتور مختلف را شبیه‌سازی کردیم.

اولین مورد از این شبیه سازی ها شامل یک راکتور لوله ای بود که با جریان های مولی برابر هیدروژن و تولوئن عرضه می شد. در این مثال، هیچ هیدروژنی از محیط راکتور وارد نشده است، با گاز واکنش دهنده در ورودی در دمای 1200 کلوین و 2 اتمسفر حفظ می شود.

توزیع غلظت در طراحی راکتور لوله ای
مدل 1: طراحی راکتور لوله ای.

مطالعه دوم از یک راکتور غشایی در فرآیند هیدرودآلکیلاسیون استفاده کرد. این مدل با یک منبع ثابت هیدروژن از طریق غشاء تغذیه می شد.

نموداری که نتایج طراحی راکتور غشایی را برجسته می کند.
مدل 2: طراحی راکتور غشایی.

نمودارهای بالا توزیع غلظت را از هر یک از شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند. هنگام مقایسه نتایج هر طرح، آشکار است که راکتور غشایی، در واقع، بنزن را با گزینش پذیری افزایش یافته تولید می کند.