طرح تولید دی متیل اتر (DME) از متانول و شبیه‌سازی آن با نرم‌افزار Aspen Plus

طرح تولید دی متیل اتر (DME) از متانول و شبیه‌سازی آن با نرم‌افزار Aspen Plus

دی متیل اتر (DME) یکی از ترکیبات آلی با کاربردهای متنوع است که به‌عنوان سوخت پاک و جایگزین برای گاز مایع (LPG) در صنعت حمل‌ونقل و به‌ویژه در موتورهای احتراق داخلی مورد توجه قرار گرفته است. تولید DME از متانول یکی از فرآیندهای صنعتی مهم است که در سال‌های اخیر توجه زیادی به آن معطوف شده است. این فرآیند به‌ویژه در راستای کاهش آلایندگی‌ها و وابستگی به منابع سوخت فسیلی و همچنین تولید سوخت‌های تجدیدپذیر اهمیت دارد.

فرآیند تولید دی متیل اتر از متانول
فرآیند تولید دی متیل اتر (DME) از متانول به‌طور عمده شامل واکنش‌های کاتالیزوری است. در این واکنش‌ها، متانول به دی متیل اتر و آب تبدیل می‌شود. واکنش اصلی تولید DME از متانول به‌صورت زیر است:

2
 
????
????
3
????
????
→
????
????
3
????
????
????
3
+
????
2
????
2CH 
3
​
 OH→CH 
3
​
 OCH 
3
​
 +H 
2
​
 O
این واکنش به‌طور معمول در شرایط دما و فشار بالا و در حضور کاتالیزورهایی مانند Al₂O₃ یا CuO/ZnO صورت می‌گیرد. فرآیند تولید DME به‌طور کلی به سه مرحله اصلی تقسیم می‌شود:

تولید متانول: متانول معمولاً از گاز طبیعی یا به‌وسیله گازسازی زغال‌سنگ تولید می‌شود. در این مرحله، گاز طبیعی به گاز سنتزی تبدیل می‌شود که شامل ترکیب‌هایی مانند CO، CO₂ و H₂ است و سپس با استفاده از فرآیندهای کاتالیزوری به متانول تبدیل می‌شود.

واکنش متانول به DME: در این مرحله، متانول تحت شرایط خاص (دما و فشار مناسب) و با استفاده از کاتالیزور مناسب به دی متیل اتر تبدیل می‌شود.

تقطیر و جداسازی: در این مرحله، محصول حاصل از واکنش شامل DME، متانول و آب از یکدیگر جدا می‌شود. تقطیر یا سایر روش‌های جداسازی برای خالص‌سازی DME و بازیابی متانول استفاده می‌شود.

شبیه‌سازی فرآیند تولید دی متیل اتر با Aspen Plus
Aspen Plus یکی از نرم‌افزارهای پیشرفته شبیه‌سازی فرآیند است که به‌طور گسترده در صنایع شیمیایی، نفت و گاز و پتروشیمی برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرآیندهای مختلف استفاده می‌شود. این نرم‌افزار امکان شبیه‌سازی فرآیند تولید دی متیل اتر از متانول را با دقت بالا فراهم می‌آورد.

مراحل شبیه‌سازی فرآیند در Aspen Plus:
تعریف مواد اولیه و ترکیبات شیمیایی: ابتدا باید ترکیبات مختلف مانند متانول، دی متیل اتر، آب و سایر مواد فرایندی وارد نرم‌افزار شوند. Aspen Plus بانک داده‌های گسترده‌ای از مواد شیمیایی دارد و می‌توان مواد را با انتخاب مدل‌های ترمودینامیکی مناسب شبیه‌سازی کرد.

مدل‌سازی واحدهای فرآیندی: در این مرحله، واحدهای مختلف فرآیند مانند رآکتور کاتالیزوری (برای تبدیل متانول به DME)، تقطیر و دیگر واحدهای جداسازی (برای خالص‌سازی DME و بازیابی متانول) باید مدل‌سازی شوند. برای شبیه‌سازی واکنش‌های کاتالیزوری، از مدل‌های مناسب سینتیک شیمیایی استفاده می‌شود.

انتخاب مدل ترمودینامیکی: برای شبیه‌سازی دقیق‌تر، مدل‌های ترمودینامیکی مانند NRTL، Peng-Robinson یا Soave-Redlich-Kwong انتخاب می‌شوند تا رفتار فازها و خواص گرمایی و ترمودینامیکی مواد در شرایط مختلف شبیه‌سازی شود.

شبیه‌سازی رآکتور: در مرحله بعد، باید شرایط واکنش در رآکتور (مانند دما، فشار، و زمان اقامت) شبیه‌سازی شود. معمولا واکنش‌های تولید DME در رآکتورهای بستر ثابت یا بستر سیال انجام می‌شوند. در Aspen Plus می‌توان از مدل‌های مختلف رآکتور مانند CSTR (مخلوط دائم) یا PFR (رآکتور جریان پیوسته) استفاده کرد.

تحلیل و بهینه‌سازی شرایط فرآیند: پس از شبیه‌سازی فرآیند، نتایج مختلفی مانند دما، فشار، میزان تبدیل متانول به DME، بازده تولید، و همچنین مصرف انرژی به‌دست می‌آید. این داده‌ها به‌طور گسترده برای بهینه‌سازی فرآیند استفاده می‌شود.

جداسازی و خالص‌سازی: یکی از چالش‌های اصلی در تولید DME، جداسازی آن از سایر محصولات مانند آب و متانول است. در این بخش از شبیه‌سازی، فرایندهای تقطیر، جذب و سایر روش‌های جداسازی برای به دست آوردن DME خالص طراحی و شبیه‌سازی می‌شوند.

مزایای شبیه‌سازی با Aspen Plus:
شبیه‌سازی دقیق فرآیند: استفاده از مدل‌های ترمودینامیکی و سینتیکی دقیق امکان شبیه‌سازی و پیش‌بینی دقیق عملکرد فرآیند را فراهم می‌کند.

بهینه‌سازی هزینه و انرژی: با شبیه‌سازی فرآیندهای مختلف، می‌توان شرایط بهینه برای تولید DME را از نظر مصرف انرژی و هزینه شناسایی کرده و بهره‌وری فرآیند را افزایش داد.

کاهش ریسک طراحی: شبیه‌سازی پیش از ساخت کارخانه یا اجرای فرآیند، امکان شناسایی مشکلات و رفع آن‌ها پیش از شروع تولید واقعی را فراهم می‌آورد.

تحلیل حساسیت و شبیه‌سازی سناریوهای مختلف: شبیه‌سازی می‌تواند سناریوهای مختلف فرآیندی، مانند تغییرات دما، فشار یا نوع کاتالیزور، را بررسی کند تا بهترین شرایط برای هر واحد فرآیندی انتخاب شود.
لینک مقاله شبیه سازی شده: http://dx.doi.org/10.1016/j.compchemeng.2017.05.008