مقدمه
با توجه به افزایش روزافزون تقاضا برای انرژی و نگرانی‌های زیست‌محیطی ناشی از انتشار آلاینده‌ها، بهبود کیفیت سوخت‌های فسیلی از جمله دیزل به یکی از مهم‌ترین چالش‌های پیش روی صنایع پتروشیمی و خودروسازی تبدیل شده است. یکی از مهم‌ترین آلاینده‌های موجود در سوخت دیزل، گوگرد است که در طول فرآیند احتراق به اکسیدهای گوگرد تبدیل شده و باعث آلودگی هوا، باران‌های اسیدی و آسیب به تجهیزات موتور می‌شود.
ردزدایی (ADS) به عنوان یک روش جایگزین و کم‌هزینه مورد توجه قرار گرفته است که از جاذب‌هایی مانند کربن فعال برای جذب ترکیبات گوگردی موجود در سوخت دیزل استفاده می‌شود. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی عملکرد کربن فعال در جذب ترکیبات گوگردی از سوخت دیزل و مدل‌های شبیه‌سازی دقیق برای این فرآیند تحت توسعه شرکت ما در حال انجام است.
شرح فرآیند
در این پروژه، تیم شرکت آنیل پارس به بررسی فرآیند جذب ترکیبات گوگردی از سوخت دیزل بر روی کربن فعال پرداخته‌اند. هدف اصلی این پژوهش، ارزیابی تأثیر ترکیبات آروماتیک و نیتروژنی موجود در سوخت دیزل بر روی فرآیند جذب و همچنین توسعه مدل‌های ریاضی برای شبیه‌سازی دقیق این فرآیند بوده است.
نتایج حاصل از این آزمایش‌ها به محققان اجازه می‌دهد تا ترتیب میل ترکیبی ترکیبات مختلف به کربن فعال را تعیین کنند و تأثیر ترکیبات آروماتیک و نیتروژنی بر روی ظرفیت جذب گوگرد را بررسی نمایند. همچنین، با استفاده از مدل‌های ریاضی مناسب، قادر خواهند بود تا فرآیند جذب را شبیه‌سازی کرده و پارامترهای مهم این فرآیند را تعیین کنند.
در نهایت، نتایج این تحقیق می‌تواند به طراحی و بهینه‌سازی فرآیندهای تصفیه سوخت دیزل کمک کرده و به توسعه فناوری‌های جدید برای تولید سوخت‌های پاک‌تر منجر شود.
شرح شبیه سازی
در بخش شبیه‌سازی این پروژه، تیم شرکت آنیل پارس تلاش کرده‌اند تا رفتار فرآیند جذب گوگرد از سوخت دیزل را به صورت دقیق‌تری مدل‌سازی کنند. این کار با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و حل عددی معادلات دیفرانسیل در حال انجام است. برای برآورده کردن نیازهای شبیه‌سازی و طراحی فرآیندهای جذب، Aspen نرم‌افزار Aspen Adsorption را توسعه داده است. این نرم‌افزار شامل یک سیستم عملیاتی گراف جریان با مدل‌های مختلف است و نیازی به مهارت برنامه‌نویسی پیشرفته کاربر ندارد. بنابراین، در این پژوهش، از نرم‌افزار Aspen Adsorption برای انجام شبیه‌سازی‌های جذب چندجزئی و بهینه‌سازی شرایط عملیاتی استفاده شد.
مراحل کلی شبیه‌سازی
در پژوهش حاضر نرم افزار Aspen Adsorption برای انجام شبیه سازی پویای ADS با در نظر گرفتن اثرات مهارکننده ترکیبات چندحلقه ای آروماتیک (PAH) و ترکیبات نیتروژنی مورد استفاده قرار گرفت. ایزوترم های جذب و منحنی های شکست PAH ها، ترکیبات نیتروژنی و ترکیبات گوگردی آروماتیک به دست می آید تا مدل های ایزوترم جذب و انتقال جرم را تعیین کنند.
اثرات PAH ها و ترکیبات نیتروژنی بر ADS مورد بررسی قرار گرفته و مدل ایزوترم جذب چند جزئی و مدل انتقال جرم توسعه داده می شوند. شبیه سازی های پویا برای تحلیل بیشتر و همچنین طراحی یک بستر ثابت برای ADS از یک سوخت دیزل معمولی اعمال می شوند.
تعیین پارامترهای مدل:
-
- ایزوترم‌های جذب:
پارامترهای مدل‌های ایزوترم لانگمویر و فروندلی با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی به دست آمده از آزمایش‌های جذب تعادلی تعیین می‌شوند. این پارامترها نشان‌دهنده‌ی توانایی کربن فعال در جذب مولکول‌های گوگرد و همچنین انرژی برهم‌کنش بین مولکول‌های گوگرد و سطح کربن فعال هستند.
-
- پارامترهای سینتیکی: پارامترهای سینتیکی مانند ضرایب انتقال جرم نیز با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی تعیین می‌شوند. این پارامترها سرعت انتقال مولکول‌های گوگرد از فاز سیال به سطح کربن فعال و سپس نفوذ آن‌ها به داخل منافذ کربن فعال را کنترل می‌کنند.
فرمول‌بندی معادلات دیفرانسیل:
-
- معادلات بالانس جرم: در این بخش، مدل ساده‌شده‌ای برای توصیف انتقال جرم در بستر ثابت ارائه شده است. این مدل بر اساس چند فرض ساده‌کننده استوار است، مانند جریان پیوسته سیال در بستر، شرایط دمایی ثابت و عدم افت فشار. معادلات دیفرانسیل بالانس جرم برای هر یک از اجزای موجود در سیستم (گوگرد، حلال و کربن فعال) نوشته می‌شوند. این معادلات بیانگر تغییرات غلظت هر جزء در طول زمان و در نقاط مختلف بستر جذب هستند.
- شرایط مرزی و اولیه: شرایط مرزی و اولیه مناسب برای سیستم انتخاب می‌شوند. شرایط مرزی شامل غلظت ورودی و خروجی اجزای مختلف و شرایط اولیه شامل توزیع اولیه غلظت‌ها در داخل بستر جذب است.
حل عددی معادلات:
-
- روش‌های عددی: برای حل عددی معادلات دیفرانسیل از روش‌های عددی مانند روش‌های تفاضل محدود یا روش اجزای محدود استفاده می‌شود. این روش‌ها به تبدیل معادلات دیفرانسیل به یک سیستم معادلات جبری منجر می‌شوند که با استفاده از کامپیوتر قابل حل هستند.
- نرم‌افزارهای شبیه‌سازی: از نرم‌افزارهای تخصصی شبیه‌سازی مانند COMSOL Multiphysics، MATLAB یا ANSYS برای حل عددی معادلات استفاده می‌شود. این نرم‌افزارها امکان تعریف هندسه سیستم، مشخص کردن خواص مواد، تعیین شرایط مرزی و اولیه و حل عددی معادلات را فراهم می‌کنند.
تفسیر نتایج:
-
- توزیع غلظت: با حل عددی معادلات، توزیع غلظت هر جزء در داخل بستر جذب در طول زمان به دست می‌آید.
- پروفایل خروجی: با استفاده از نتایج شبیه‌سازی، پروفایل غلظتی خروجی از بستر جذب به دست می‌آید که با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه می‌شود.
- تأثیر پارامترهای مختلف: با تغییر پارامترهای مدل، تأثیر هر یک از پارامترها بر روی عملکرد سیستم جذب بررسی می‌شود.
نتیجه‌گیری کلی
پژوهش “ارزیابی عملکرد کربن فعال در جذب ترکیبات گوگردی از سوخت دیزل و توسعه مدل‌های شبیه‌سازی دقیق برای این فرآیند” تحت توسعه شرکت آنیل پارس و در حال انجام است. محققان با انجام آزمایش‌های تجربی و شبیه‌سازی‌های عددی، نشان داده‌اند که کربن فعال یک جاذب کارآمد برای حذف ترکیبات گوگردی از سوخت دیزل است. همچنین، تأثیر عوامل مختلفی مانند نوع کربن فعال، اندازه ذرات، دبی جریان سوخت و غلظت اولیه گوگرد بر روی راندمان جذب بررسی شده است. با استفاده از مدل‌های ریاضی توسعه داده شده، قادر به پیش‌بینی رفتار فرآیند جذب و تعیین شرایط بهینه برای انجام این خواهیم شد. این پروژه قیمت ندارد و قابل فروش نیست.