شبیه سازی فرایند PSA بهینه برای جداسازی CO2/N2 در ADSIM

مقدمه

افزایش بی‌رویه مصرف سوخت‌های فسیلی و در نتیجه، انتشار گازهای گلخانه‌ای از جمله دی‌اکسید کربن (CO₂)، یکی از چالش‌های اصلی محیط زیستی عصر حاضر است. دی‌اکسید کربن به عنوان اصلی‌ترین عامل گرمایش جهانی شناخته شده و تأثیرات مخربی بر اقلیم جهانی دارد. به منظور کاهش اثرات مخرب این گاز بر محیط زیست، توسعه فناوری‌های کارآمد برای جداسازی و ذخیره‌سازی CO₂ از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

یکی از روش‌های موثر برای جداسازی CO₂ از مخلوط‌های گازی، فرایند جذب نوسانی فشار (Pressure Swing Adsorption یا PSA) است. در این فرایند، از مواد جاذب جامد متخلخل برای جذب انتخابی مولکول‌های CO₂ از جریان گاز استفاده می‌شود. با تغییر فشار به صورت تناوبی، می‌توان مولکول‌های جذب شده را از سطح جاذب جدا کرد.

فرایند جذب نوسانی فشار رفلاکس دوگانه (Dual-Reflux Pressure Swing Adsorption یا DR-PSA) یک نوع پیشرفته از فرایند PSA است که در آن از دو بستر جاذب و چندین مرحله مختلف برای بهبود عملکرد جداسازی استفاده می‌شود. با استفاده از مکانیزم بازجریان، می‌توان خلوص و بازدهی جداسازی را افزایش داد.

شرح فرآیند

در این پژوهش، از یک دستگاه پیشرفته برای جداسازی دی‌اکسید کربن (CO₂) از نیتروژن (N₂) با بهره‌گیری از روش جذب سطحی تحت فشار (DR PSA) استفاده شده است. جزای اصلی سسیستم شامل

• بسترهای جذب: دو ستون استوانه‌ای حاوی جاذب سیلیکا ژل که نقش کلیدی در جذب مولکول‌های CO2 ایفا می‌کنند.
• سیستم تزریق گاز: گاز مخلوط CO2 و N2 با استفاده از کنترلرهای جریان دقیق به بسترها تزریق می‌شود.
• سیستم کنترل فشار: با استفاده از کمپرسور و پمپ خلأ، تغییرات فشار مورد نیاز برای چرخه‌های جذب و دفع ایجاد می‌شود.
• سیستم اندازه‌گیری: شامل فشارسنج‌ها، دماسنج‌ها و کروماتوگراف گازی برای اندازه‌گیری دقیق پارامترهای عملیاتی و آنالیز ترکیب گازهای خروجی است.
• سیستم کنترل: از طریق شیرهای برقی و منطق برنامه‌پذیر (PLC)، تمامی مراحل فرآیند به صورت خودکار کنترل می‌شود.

مکانیزم عملکرد:

در این روش، گاز مخلوط CO2 و N2 با فشار بالا به یکی از بسترها وارد می‌شود. مولکول‌های CO2 به سطح جاذب سیلیکا ژل چسبیده و از جریان گاز جدا می‌شوند. پس از اشباع شدن جاذب، با کاهش فشار، مولکول‌های CO2 از سطح جاذب جدا شده و از سیستم خارج می‌شوند. در این حین، بستر دیگر در حال احیا و آماده‌سازی برای چرخه بعدی جذب است.

دستگاه مورد استفاده در فرآیند DR PSA در شکل 1 نشان داده شده است. هر بستر دارای ارتفاع 1 متر، شعاع 0.03 متر، ضخامت دیواره 0.002 متر و حاوی 1.587 کیلوگرم سیلیس ژل است. این سیستم با هدف مطالعه و بهینه‌سازی فرآیند جداسازی گازها در شرایط آزمایشگاهی طراحی شده است.

روند نیم چرخه

گاز خوراک شامل 15% CO₂ و 85% N₂ در یک سیلندر گاز فولادی ذخیره شد. چرخه DR-PSA شش مرحله‌ای شامل یک مرحله جذب، یک مرحله یکسان‌سازی فشار کاهش یافته، یک مرحله خلا، یک مرحله رفلاکس سبک، یک مرحله یکسان‌سازی فشار مجدد و یک مرحله فشارزدایی سنگین است. توجه داشته باشید که فقط نیم چرخه در شکل 2 نشان داده شده است.

محصول سنگین (CO₂) و محصول سبک (N₂) به ترتیب در مراحل AD و LR بدست می‌آیند. مراحل AD و LR به طور همزمان در یک چرخه انجام می‌شوند. خوراک به بستر فشار بالا (P_H) bed1 در نقطه وسط bed1 وارد می‌شود. بخشی از N₂ از بالای bed1 خارج می‌شود. بخش باقی مانده N₂ به عنوان بازجریان سبک استفاده می‌شود و به بستر فشار پایین bed2 تخلیه می‌شود. سپس، بخشی از CO2 از پایین bed2 خارج می‌شود.

بخش باقی مانده توسط کمپرسور فشرده شده و به عنوان جایگزین رفلاکس سنگین به bed1 وارد می‌شود. مراحل DPE و RPE به طور همزمان در یک چرخه انجام می‌شوند. در طول مراحل یکسان‌سازی فشار، گاز بستر فشار بالا به بستر فشار پایین جریان می‌یابد. فشار (PE) دو بستر در انتهای مراحل برابر است. مراحل VU و HP به طور همزمان در یک چرخه انجام می‌شوند. مرحله HP بستر 2 را از PE به PH توسط بخشی از بازجریان سنگین تحت فشار قرار می‌دهد. برعکس، فشار بستر 1 از PE به PL از طریق یک پمپ دیافراگم در مرحله VU کاهش می‌یابد. قبل از شروع چرخه DR PSA، بسترها همگی با نیتروژن تخلیه شدند.

شبیه سازی فرایند

تحلیل فرضیات شبیه‌سازی DR PSA

شبیه‌سازی فرآیند DR PSA با استفاده از نرم‌افزار تجاری Aspen Adsorption ایجاد شده است. شبیه سازی این فرآیند بر اساس اطلاعات و داده های مقاله لی و همکاران انجام شده است.

فرضیات زیر برای این فرآیند در نظر گرفته شده‌اند:

• رفتار گاز ایده‌آل: گازها به عنوان گاز ایده‌آل در نظر گرفته شده‌اند.
• توزیع یکنواخت شعاعی: فرض می‌شود که غلظت، دما و فشار گاز در جهت شعاعی بستر ثابت است.
• افت فشار ارگون: از معادله ارگون برای تخمین افت فشار در بستر استفاده شده است.
• تعادل حرارتی: فرض می‌شود که دمای گاز و جامد در هر نقطه از بستر یکسان است.
• تخلخل ثابت: تخلخل بستر و ذرات جاذب در طول بستر یکسان در نظر گرفته شده است.
• مدل انتقال جرم خطی: از مدل نیروی محرک خطی (LDF) برای توصیف انتقال جرم بین فاز گاز و جامد استفاده شده است.
• ایزوترم غیرخطی: ایزوترم جذب با استفاده از مدل لانگمویر توسعه یافته توصیف شده است.

ایزوترم های جذب

در این پژوهش، نتایج آزمایش‌های جذب گازهای CO₂ و N₂ بر روی جاذب سیلیکا ژل با استفاده از مدل ایزوترم لانگمویر تحلیل شده است (شکل 3). پارامترهای این مدل با تطبیق داده‌های آزمایشگاهی در دماها و فشارهای مختلف به دست آمده‌اند (جدول 3). ضرایب مدل انتقال جرم خطی (LDF) برای این دو گاز نیز با استفاده از نرم‌افزار Aspen Adsorption و داده‌های آزمایشگاهی محاسبه شده است. مشخصات فیزیکی بستر و خواص تعاملی گاز-جامد نیز اندازه‌گیری و در مدل وارد شده‌اند (جدول 4).

فرآیند جذب سطحی تحت فشار (PSA) به صورت چرخه‌ای انجام می‌شود و هر چرخه شامل چندین مرحله متوالی است. برای شبیه‌سازی این فرآیند در نرم‌افزار Aspen Adsorption، یک چرخه شش مرحله‌ای برای یک سیستم دو بستره در نظر گرفته شده است. تغییرات فشار، دما، غلظت و دبی گاز در طول هر مرحله از چرخه مورد بررسی قرار گرفته است. با تحلیل این تغییرات می‌توان به حالت پایدار چرخه دست یافت. به عنوان مثال، شکل 4 تغییرات کسر مولی CO₂ در بستر اول در حالت پایدار را نشان می‌دهد.

نتایج شبیه سازی

این پژوهش به بررسی عملکرد یک مدل شبیه‌سازی برای فرآیند جداسازی گاز (PSA) پرداخته است. محققان شرکت آنیل پارس با انجام آزمایش‌هایی تحت شرایط مختلف، دقت این مدل را ارزیابی کرده‌اند. عوامل مختلفی مانند محل ورودی گاز، روش تنظیم فشار و نرخ جریان رفلاکس در این آزمایش‌ها بررسی شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که مدل شبیه‌سازی به خوبی می‌تواند رفتار واقعی فرآیند را پیش‌بینی کند. با تغییر در شرایط عملیاتی، مدل تغییرات خلوص محصولات، فشار و دما را به طور دقیق پیش‌بینی می‌کند. مهم‌ترین یافته‌های این پژوهش عبارتند از:

• تأثیر محل ورودی گاز: تغییر محل ورودی گاز بر خلوص محصولات تأثیرگذار است و یک محل بهینه برای حداکثر کردن خلوص وجود دارد.
• تأثیر روش تنظیم فشار: روش تنظیم فشار بر عملکرد فرآیند و بازیابی محصولات تأثیرگذار است.
• تأثیر نرخ جریان رفلاکس سبک: تغییر نرخ جریان بازجریان بر مصرف انرژی و خلوص محصولات تأثیرگذار است.

به طور خلاصه، این پژوهش نشان می‌دهد که مدل شبیه‌سازی مورد استفاده می‌تواند به عنوان یک ابزار قدرتمند برای طراحی و بهبود فرآیندهای جداسازی گاز استفاده شود. با استفاده از این مدل، مهندسان می‌توانند شرایط عملیاتی بهینه را برای دستیابی به بالاترین خلوص محصولات و کمترین مصرف انرژی تعیین کنند.

نتیجه گیری

با مقایسه نتایج تجربی و شبیه‌سازی فرآیند DR PSA برای جداسازی N2/CO2، می‌توان دریافت که مدل DR PSA برای تولید N2 و CO2 با خلوص و بازیابی بالا مناسب است. همچنین، نرم‌افزار Aspen Adsorption می‌تواند فرآیند DR PSA را شبیه‌سازی کند. در این شرایط عملیاتی (فشار 200 کیلو پاسکال و دمای 299.65 کلوین)، می‌توان به خلوص 99.18 درصد و بازیابی 99.62 درصد برای CO2 و خلوص 99.64 درصد و بازیابی 99.56 درصد برای N2 دست یافت.

شبیه سازی فرایند PSA بهینه برای جداسازی CO2/N2

در این پروژه شبیه‌سازی برای جداسازی CO2/N2 با فرآیند جذب نوسان فشار DR PSA در نرم افزار ADSIM انجام است. جهت خرید پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر در مورد آن، از طریق لینک زیر اقدام نمایید.

خرید این پروژه: 2 میلیون تومان