Κλιμάκωση μεγέθους καταλυτικών αντιδραστήρων υδρογονοεπεξεργασίας καυσίμων
Authors: Καλλίνικος Λεωνίδας 
Published: January 2014

Ο στόχος της διατριβής ήταν η μελέτη ενός νέου τύπου αντιδραστήρα δομημένης κλίνης, του σπειροειδούς αντιδραστήρα, για την υποκλιμάκωση αντιδραστήρων τριφασικών διεργασιών και η μελέτη της διεργασίας της υδρογονοεπεξεργασίας πετρελαϊκών κλασμάτων με χρήση του αντιδραστήρα αυτού. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε αποτελείται από δύο παράλληλες μεθόδους διερεύνησης των παραμέτρων λειτουργίας του αντιδραστήρα. Η πρώτη μέθοδος βασίζεται στη διεξαγωγή πειραμάτων σε συνθήκες περιβάλλοντος με χρήση απλών συστημάτων ανόργανων ή οργανικών συστατικών ως υγρή φάση και άζωτο ή οξυγόνο ως αέρια φάση. Με βάση τη δεύτερη μέθοδο οι παράμετροι λειτουργίας μελετώνται με πειράματα σε πραγματικές συνθήκες αντίδρασης με χρήση αντιδράσεων όπως της υδρογόνωσης βενζολίου και της υδρογονοαποθείωσης πετρελαϊκών κλασμάτων. Οι παράμετροι λειτουργίας οι οποίες μελετήθηκαν με τις δύο αυτές μεθόδους είναι τα ρευστοδυναμικά χαρακτηριστικά λειτουργίας του σπειροειδούς αντιδραστήρα, όπως το σύστημα ροής και η αξονική διασπορά της υγρής φάσης, καθώς και οι αντιστάσεις στη μεταφορά μάζας. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η παράμετρος από την οποία επηρεάζεται κυρίως η λειτουργία του σπειροειδούς αντιδραστήρα είναι ο λόγος των επιφανειακών ταχυτήτων αέριας προς υγρή φάση. Η απόδοση του σπειροειδούς αντιδραστήρα δεν επηρεάζεται από το μήκος του και τη συνολική μάζα του καταλύτη, άρα από την ταχύτητα της υγρής φάσης. Οι αντιστάσεις μεταφοράς μάζας από την αέρια στην υγρή φάση εκτιμήθηκαν να είναι σημαντικές και να επηρεάζουν άμεσα την απόδοση του αντιδραστήρα αυτού, ιδιαίτερα όσο μειώνεται ο λόγος επιφανειακών ταχυτήτων αέριας προς υγρή φάση. Οι αντιστάσεις αυτές γίνονται ακόμη πιο σημαντικές όσο μεγαλώνει ο ρυθμός της αντίδρασης. Οι ενδο-σωματιδιακές αντιστάσεις μεταφοράς μάζας για τη διεργασία υδρογονοεπεξεργασίας πετρελαϊκών κλασμάτων σε συνήθεις συνθήκες αντίδρασης δεν είναι σημαντικές για τα καταλυτικά σωματίδια τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή. Με βάση τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας του σπειροειδούς αντιδραστήρα τα οποία λήφθηκαν από τις προηγούμενες διαδικασίες, μελετήθηκε ο ρυθμός διάσπασης των θειούχων ενώσεων ενός πετρελαϊκού κλάσματος. Για τη διαδικασία αυτή διεξήχθησαν πειράματα υδρογονοεπεξεργασίας του πετρελαϊκού κλάσματος με χρήση ενός εμπορικού NiMo/γ-Al2O3 καταλύτη υπό συνθήκες λειτουργίας βιομηχανικής εφαρμογής. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η πιο ανθεκτική θειούχα ένωση κατά τη διαδικασία υδρογονοεπεξεργασίας του κλάσματος είναι το 4,6-DMDBT. Οι σχετικές διαφορές στο ρυθμό διάσπασης των DBT, 4-MDBT και 4,6-DMDBT εκτιμήθηκαν να είναι σε συμφωνία με αυτές που αναφέρονται στη βιβλιογραφία και αφορούν στην υδρογονοεπεξεργασία πραγματικών τροφοδοσιών, ενώ είναι χαμηλότερες από αυτές που προκύπτουν από την υδρογονοεπεξεργασία πρότυπων τροφοδοσιών. Ο ρυθμός διάσπασης των θειούχων ενώσεων μειώνεται σημαντικά όσο η μερική πίεση του υδροθείου αυξάνει, ενώ ο ρυθμός αυτός εμφανίζεται να επηρεάζεται λιγότερο από το υδρόθειο, όσο αυξάνει το μέγεθος της θειούχας ένωσης. Οι αντιστάσεις στη μεταφορά μάζας οι οποίες εκτιμήθηκαν με πειράματα υδρογόνωσης βενζολίου επιβεβαιώθηκαν με πειράματα υδρογονοεπεξεργασίας του πετρελαϊκού κλάσματος, λαμβάνοντας υπόψη την ανασχετική δράση του υδροθείου και της αμμωνίας στο ρυθμό διάσπασης των θειούχων ενώσεων. Αυτό προέκυψε από την ανάγκη απεμπλοκής των παραγόντων αυτών, οι οποίοι μεταβάλλονται με μεταβολή του λόγου επιφανειακών ταχυτήτων αέριας προς υγρή φάση. Τελικά όπως προέκυψε, η προσαρμογή των αποτελεσμάτων όσον αφορά στους ρυθμούς μεταφοράς μάζας από τα πειράματα υδρογόνωσης βενζολίου στα πειράματα υδρογονοαποθείωσης είναι αρκετά ικανοποιητική