تحلیل عملکرد و بهینه‌سازی چند هدفه راکتور میکروکانال برای هیدروژن‌زدایی اکسایشی پروپان به پروپیلن با استفاده از روش پاسخ سطح

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد،‌ ایران

10.22078/pr.2021.4408.2998

چکیده

با استفاده از فرآورده‌های نفتی در صنعت پتروشیمی و انجام یک سری فرآیندهای شیمیایی، می‌توان محصولات متنوع و با ارزش افزوده به‌دست آورد. پروپیلن یکی از این محصولات بسیار مهم و اساسی است که می‌تواند برای تولید مواد مختلف مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین، در مطالعه حاضر، یک مدل پایا و دو بعدی از فرآیند هیدروژن‌زدایی اکسایشی پروپان به پروپیلن در یک راکتور میکرو کانال در شبیه‌ساز COMSOL انجام شد. سپس، یک بهینه‌سازی چند هدفه با هدف افزایش پروپیلن (افزایش تولید) و کاهش CO (جلوگیری از تشکیل کک) برای اولین بار انجام گرفت. در مرحله اول مقایسه نتایج شبیه‌سازی با داده‌های آزمایشگاهی خطایی حدود 7% را نشان می‌دهد که براساس فرضیات مدل قابل قبول است. به منظور تجزیه و تحلیل فرآیند، اثر دما، سرعت جریان خوراک، ترکیب خوراک و ضریب انتقال حرارت بر میزان تولید پروپیلن و CO بررسی شد. سپس برای بهینه‌سازی عملکرد راکتور و با توجه به هزینه محاسباتی مدل COMSOL و مسئله بهینه‌سازی، یک مدل جایگزین برای راکتور میکرو کانال براساس روش طراحی آزمایش (DOE) ارائه شد. سرانجام، با کمک مدل حاصل بهینه‌سازی چند هدفه فرآیند توسط روش D-optimal انجام و جبهه بهینه پرتو به‌دست آمد. با توجه به نتایج بهینه‌سازی، افزایش پروپیلن منجر به افزایش تولید CO می‌شود که نشان دهنده وجود تضاد بین این دو تابع هدف می‌باشد. پس از بهینه‌سازی نتایج یکی از نقاط بهینه جبهه پرتو ارائه گردید. دما و سرعت بهینه در این نقطه C° 513 و m/s 103/0 می‌باشد. در این شرایط، بیشترین مقدار غلظت پروپیلن و کمترین مقدار CO به‌ترتیب برابر با 195/0 و mol/m3 088/0 محاسبه می‌گردد.
 
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Performance Analysis and Multi-objective Optimization of Microchannel Reactor for Oxidative Dehydrogenation Propane to Propylene using Response Surface Method

نویسندگان [English]

  • Mostafa Ahmadi Ohnak
  • Elham Yasari
  • Ali Ahmadpour
Chemical Engineering Department, Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Iran
چکیده [English]

By using petroleum products in the petrochemical industry and performing series of chemical processes, various and value-added products can be obtained. Propylene is one of these very important and basic products that can be used to produce various materials. Therefore, in the present study, a two-dimensional steady state model of the process of oxidative dehydrogenation of propane to propylene in a micro-channel reactor was performed in the COMSOL simulator. Then, a multi-objective optimization with the purpose of increasing propylene (increasing production) and decreasing CO (preventing coke formation) was performed, for the first time. Comparison of the simulation results with laboratory data shows an error of about 7%, which is acceptable based on the model assumptions. In order to analyze the process, effect of temperature, feed flow rate, feed composition and heat transfer coefficient on the amount of propylene and CO production was investigated. To optimize the performance of the reactor and due to computational cost of the COMSOL model and optimization process, an alternative model for the micro-channel reactor was presented based on the design of experimental (DOE) method. Finally, the multi-objective optimization of the process was performed based on the prepared model by the response surface method (D-optimal), and the optimal pareto front was obtained. According to optimization results increasing propylene leads to an increase in CO production, which it shows a trade-off between objectives. After optimization, the results of one of the optimal points of the Pareto front were presented. The optimum temperature and velocity at this point is 513°C and 0.103 m/s, and in these conditions, the maximum concentration of propylene and the minimum amount of CO are set equal to 0.195 and 0.088 mol/m3, respectively.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Oxidative Dehydrogenation
  • Propane
  • microchannel
  • Modeling
  • Multi-objective Optimization
[1]. ارژنگ ا، علوی س م، (1395) هیدروژن‏‏زدایی اکسایشی پروپان روی کاتالیست دوفلزی نیکل- وانادیوم برپایه ترکیبی تیتانیا-سیلیکا، نشریه پژوهش نفت، 26، 4-95: 80-91.##
[2]. بابایی م، امیدخواه م ر، (1393) بررسی اثر غشاء سرامیکی Pd/Ag بر هیدروژن‌زدایی پروپان، نشریه پژوهش نفت، 25، 82: 4-14. ##
[3]. طلعتی آ، حقیقی م، رحمانی ف، (1395) تبدیل اتان به اتیلن در حضور دی اکسید کربن روی نانوکاتالیست Cr-K/TiO2-ZrO2 سنتزی به روش‌های رسوبی و تلقیح، نشریه پژوهش نفت، 26، 6-95: 174-187. ##
[4]. Davidson A L, Gibson E K, Cibin G, van Rensburg H, Parker S F, Webb P B, Lennon D (2020) The application of inelastic neutron scattering to investigate iron-based Fischer-Tropsch to olefins catalysis, Journal of Catalysis, 392: 197-208. ##
[5]. Ronda‐Lloret M, Rothenberg G, Shiju N R (2019) A critical look at direct catalytic hydrogenation of carbon dioxide to olefins. ChemSusChem, 12, 17: 3896-3914. ##
[6]. Routes C (2009) Olefins via Enhanced FCC. ##
[7]. https://ihsmarkit.com/research-analysis/propylene-industry-developments-in-northeast-asia.html. ##
[8]. Al-Ghamdi S A, de Lasa H I (2014) Propylene production via propane oxidative dehydrogenation over VOx/γ-Al2O3 catalyst, Fuel, 128: 120-140. ##
[9]. Schwarz O, Frank B, Hess C, Schomäcker R (2008) Characterisation and catalytic testing of VOx/Al2O3 catalysts for microstructured reactors, Catalysis Communications, 9, 2: 229-233. ##
[10]. Burri A, Hasib M A, Mo Y H, Reddy B M, Park S E (2018) An efficient Cr-TUD-1 catalyst for oxidative dehydrogenation of propane to propylene with CO2 as soft oxidant, Catalysis Letters, 148, 2: 576-585. ##
[11]. Routray K, Reddy K R S K, Deo G (2004) Oxidative dehydrogenation of propane on V2O5/Al2O3 and V2O5/TiO2 catalysts: understanding the effect of support by parameter estimation, Applied Catalysis A: General, 265, 1: 103-113. ##
[12]. Enger B C, Walmsley J, Bjørgum E, Lødeng R, Pfeifer P, Schubert K, Venvik H J (2008) Performance and SEM characterization of Rh impregnated microchannel reactors in the catalytic partial oxidation of methane and propane, Chemical Engineering Journal, 144, 3: 489-501. ##
[13]. Zhou Y, Wang Y, Lu W, Yan B, Lu A (2020) A high propylene productivity over B2O3/SiO2@ honeycomb cordierite catalyst for oxidative dehydrogenation of propane, Chinese Journal of Chemical Engineering, 28, 11: 2778-2784. ##
[14]. Steinfeldt N, Buyevskaya O V, Wolf D, Baerns M (2001) Comparative studies of the oxidative dehydrogenation of propane in, Natural Gas Conversion VI, 185. ##
[15]. Frank B, Dinse A, Ovsitser O, Kondratenko E V, Schomäcker R (2007) Mass and heat transfer effects on the oxidative dehydrogenation of propane (ODP) over a low loaded VOx/Al2O3 catalyst, Applied Catalysis A: General, 323: 66-76. ##
[16]. Tonkovich A, Kuhlmann D, Rogers A, McDaniel J, Fitzgerald S, Arora R, Yuschak T (2005) Microchannel technology scale-up to commercial capacity, Chemical Engineering Research and Design, 83, 6: 634-639. ##
[17]. Hwang S M, Kwon O J, Kim J J (2007) Method of catalyst coating in micro-reactors for methanol steam reforming, Applied Catalysis A: General, 316, 1: 83-89. ##
[18]. Green D W, Southard M Z (2019) Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th ed.; McGraw-Hill Education: New York, NY, USA, 9-53. ##