مدل‌سازی و شبیه‌سازی دینامیکی راکتور بستر ثابت جهت تولید اتیلن‌اکساید در نرم افزار ASPEN PLUS و بهینه سازی با استفاده از شبکه های عصبی (ANN)

نصیری, امیرحسین; بیات*, مهدی

doi:10.22078/pr.2026.5765.3563

مدل‌سازی و شبیه‌سازی دینامیکی راکتور بستر ثابت جهت تولید اتیلن‌اکساید در نرم افزار ASPEN PLUS و بهینه سازی با استفاده از شبکه های عصبی (ANN)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

امیرحسین نصیری

مهدی بیات*

گروه مهندسی شیمی، دانکشده پتروشیمی، دانشگاه بجنورد،بجنورد، ایران

10.22078/pr.2026.5765.3563

چکیده

در این پژوهش، فرآیند تولید صنعتی اتیلن‌اکساید (EO) در یک راکتور بستر ثابت با استفاده از نرم‌افزار Aspen Plus V14 مدل‌سازی و شبیه‌سازی شد. واکنش اکسیداسیون کاتالیستی اتیلن بر بستر نقره (Ag) به دلیل ماهیت گرمازای بالا و وجود واکنش‌های جانبی نیازمند مدل‌سازی دقیق است. عملکرد راکتور در دو حالت پایا و دینامیکی مورد بررسی قرار گرفت. مدل‌سازی ترمودینامیکی با استفاده از معادله حالت Soave–Redlich–Kwong (SRK) و روابط سینتیکی غیرخطی انجام شد و اثر افت فشار (با استفاده از معادله ارگان)، انتقال حرارت و غیرفعال شدن کاتالیست در مدل لحاظ گردید. شبیه‌سازی دینامیکی در بازه ۱۱۰۰ روزه انجام شد و نتایج به‌دست‌آمده با داده‌های واقعی یک واحد صنعتی مقایسه گردید که انطباق مناسبی نشان داد. همچنین، اثر حضور اتیلن‌دی‌کلراید (EDC) بر انتخاب‌پذیری با توجه به میزان تولید قابل قبول برای اتیلن‌اکساید بررسی شد. در نهایت، بهینه‌سازی با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی (ANN) در محیطMATLAB انجام شد که پتانسیل مدل ارائه‌شده برای بهبود فرایندهای صنعتی را نشان داد.

کلیدواژه‌ها

راکتور

مدل‌سازی

بهینه‌سازی

شبیه‌سازی

سینتیک

ASPEN PLUS

موضوعات

مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرایند

عنوان مقاله English

Dynamic Modeling and Simulation of a Fixed-Bed Reactor for Ethylene Oxide Production in ASPEN PLUS and Optimization Using Artificial Neural Networks (ANN)

نویسندگان English

Amir Hossein Nasiri

Mehdi Bayat

Department of Chemical Engineering, Faculty of Petrochemical Engineering, University of Bojnord, Iran

چکیده English

In this study, the industrial production of ethylene oxide (EO) in a fixed-bed reactor was modeled and simulated using Aspen Plus V14. The catalytic oxidation of ethylene over a silver (Ag) bed requires accurate modeling due to its highly exothermic nature and the presence of side reactions. Reactor performance was evaluated under both steady-state and dynamic conditions. Thermodynamic modeling was carried out using the Soave–Redlich–Kwong (SRK) equation of state and nonlinear kinetic relations, while the effects of pressure drop (calculated using the Ergun equation), heat transfer, and catalyst deactivation were incorporated into the model. Dynamic simulation was performed over a 1100-day period, and the obtained results were compared with actual industrial data, showing good agreement. The influence of ethylene dichloride (EDC) on selectivity, with respect to acceptable EO production levels, was also investigated. Finally, optimization using artificial neural networks (ANN) in the MATLAB environment demonstrated the potential of the proposed model for improving industrial processes.

کلیدواژه‌ها English

Reactor

Modeling

Optimization

Simulation

Kinetics

ASPEN PLUS

[1]. Rahimpour, M. R., Shayanmehr, M., & Nazari, M. (2011). Modeling and simulation of an industrial ethylene oxide (EO) reactor using artificial neural networks (ANN). Industrial & engineering chemistry research, 50(10), 6044-6052. doi.org/10.1021/ie101319d.##

[2]. Bayat, M., Dehghani, Z., Hamidi, M., & Rahimpour, M. R. (2013). Dynamic mathematical modeling of a novel dual-type industrial ethylene oxide (EO) reactor. Chemical Engineering Research and Design, 91(6), 1123-1132. doi.org/10.1016/j.cherd.2012.12.003.##

[3]. Talati, A., Haghighi, M., & Rahmani, F. (2018). Conversion of Ethane to Ethylene in the Presence of Carbon Dioxide over Cr-K/TiO2-ZrO2 Nanocatalyst Synthesized via Coprecipitation and Impregnation Methods. Journal of Petroleum Research, 26(95-6), 174-187.##

[4]. Rahmani, F., & Haghighi, M. (2017). Influence of Various Types of Zeolitic Supports on Catalytic Properties and Performance of Cr-Based Nanocatalysts Used in C₂H₆/CO₂ Oxidative Dehydrogenation Process. Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran, 36(1), 65-81.##

[5]. Delir, K. N. P., Haghighi, M., Jodeiri, N., & Rahmani, F. (2017). Comparative Synthesis of Ni/Z25M75 Nanocatalyst via Impregnation and Sol-Gel Methods Used in Conversion of Ethane to Ethylene in the Presence of CO₂ and O₂.##

[6]. Rahmani, F., & Haghighi, M. (2017). One-Pot Hydrothermal Synthesis of Nanostructured LaAPSO-34 Molecular Sieve and Sono-dispersion of Cr over it Used in Conversion of Ethane to Ethylene in the Presence of Carbon Dioxide. Journal of Petroleum Research, 26(95-5), 88-103.##

[7]. Mederos, F. S., Elizalde, I., & Ancheyta, J. (2009). Steady‐state and dynamic reactor models for hydrotreatment of oil fractions: a review. Catalysis Reviews, 51(4), 485-607. doi.org/10.1080/01614940903048612.##

[8]. Quina, M. J., Almeida-Costa, A. C., & Quinta-Ferreira, R. M. (2007). Fixed-bed reactor modeling and simulation with e-learning tools. In International Conference on Engineering Education, Coimbra, Portugal.##

[9]. Gu, Y. L., Gao, Z., & Jin, J. Q. (2003). Kinetic models for ethylene oxidation to ethylene oxide. Petrochem. Technol, 32, 838-840.##

[10]. Bayat, M., Hamidi, M., Dehghani, Z., & Rahimpour, M. R. (2013). Dynamic optimal design of an industrial ethylene oxide (EO) reactor via differential evolution algorithm. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 12, 56-64. doi: 10.1016/j.jngse.2013.01.004.##

[11]. Zhou, X. G., & Yuan, W. K. (2005). Optimization of the fixed-bed reactor for ethylene epoxidation. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 44(10), 1098-1107. doi.org/10.1016/j.cep.2005.03.008.##

[12]. S. Ghaffari, M. Shahrokhi, Modeling and Control of an Ethylene Oxide Reactor.##

[13]. Babanejadi, S. M., Najafi, M., Hamidi, A., & Sadeghvandi, F. (2023). Simulation of Polypropylene Production Loop Reactor. doi.org/10.22078/pr.2023.5166.3298.##

[14]. Montrasi, G. L., Tauszik, G. R., Solari, M., & Leofanti, G. (1983). Oxidation of ethylene to ethylene oxide: catalyst deactivation in an industrial run. Applied Catalysis, 5(3), 359-369. doi: 10.1016/0166-9834(83)80163-8.##

[15]. Perzon, H. (2015). A Simulation Model of a reactor for Ethylene Oxide production.##

[16]. Hoflund, G. B., & Minahan, D. M. (1996). Study of Cs-Promoted, α-Alumina-Supported Silver, Ethylene-Epoxidation Catalysts: II. Effects of Aging. Journal of Catalysis, 162(1), 48-53. doi.org/10.1006/jcat.1996.0258.##

[17]. Bartholomew, C. H. (2001). Mechanisms of catalyst deactivation. Applied Catalysis A: General, 212(1-2), 17-60. doi:10.1016/S0926-860X(00)00843-7.##