بهینه‌سازی و تحلیل عملکرد فرایند رطوبت‌زدایی گاز با غشاهای فیبری توخالی

مقدمه

رطوبت موجود در گازهای طبیعی و صنعتی می‌تواند مشکلات متعددی ایجاد کند که از جمله آن‌ها می‌توان به خوردگی تجهیزات، کاهش راندمان انتقال، و تشکیل هیدرات‌ها اشاره کرد. بنابراین، رطوبت‌زدایی گاز به‌منظور بهبود کیفیت و افزایش طول عمر تجهیزات صنعتی اهمیت فراوانی دارد. روش‌های مختلفی برای انجام این فرآینشد وجود دارد که در این میان، استفاده از غشاهای فیبری توخالی (Hollow Fiber Membrane Contactors – HFMC) به‌عنوان یک روش نوین و کارآمد، توجه بسیاری از پژوهشگران و صنعتگران را به خود جلب کرده است. در این بخش، مروری جامع بر فناوری HFMC و مزایای آن در مقایسه با روش‌های سنتی ارائه خواهد شد.

اهمیت رطوبت‌زدایی از گازهای صنعتی

در صنایع مختلف، حضور بخار آب در جریان گاز می‌تواند مشکلات جدی ایجاد کند. برخی از چالش‌های ناشی از رطوبت بالا در گازهای فرآیندی عبارتند از:

• خوردگی تجهیزات و خطوط لوله: رطوبت در حضور گازهای اسیدی مانند H₂S و CO₂ می‌تواند باعث تسریع خوردگی شود که منجر به کاهش عمر مفید تجهیزات می‌گردد.
• تشکیل هیدرات‌های گازی: در دماهای پایین، بخار آب موجود در گاز طبیعی می‌تواند به‌همراه گازهای سبک، هیدرات‌هایی تشکیل دهد که مسیرهای انتقال را مسدود کرده و باعث افت فشار و عملکرد نامناسب فرآیندهای پایین‌دستی شود.
• کاهش ارزش حرارتی گاز: وجود رطوبت در ترکیب گاز طبیعی می‌تواند موجب کاهش ارزش حرارتی آن شده و بر عملکرد سیستم‌های احتراق تأثیر منفی بگذارد.

روش‌های رایج رطوبت‌زدایی

برای حذف بخار آب از گاز، روش‌های متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرند که مهم‌ترین آن‌ها شامل موارد زیر هستند:

1. جذب سطحی (Adsorption): در این روش، از مواد جامد جاذب رطوبت مانندسیلیکاژل، آلومینای فعال و غربال‌های مولکولی استفاده می‌شود. این مواد به‌دلیل سطح فعال بالا و قابلیت احیای آسان، برای خشک‌کردن گاز در فشارهای بالا و حجم‌های زیاد مناسب هستند. غربال‌های مولکولی به‌ویژه برای دستیابی به نقطه شبنم بسیار پایین (تا ۱۰۰- درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌شوند.
2. جذب مایع (Absorption): در این روش، از مایعات جاذب رطوبت مانندگلایکول‌ها برای جداسازی آب از گاز طبیعی استفاده می‌شود. گلایکول‌ها موادی هستند که خاصیت جذب آب بالایی دارند و می‌توانند تا ۹۹٪ آب را از گاز جدا کنند. دو نوع رایج گلایکول‌ها عبارتند از دی‌اتیلن گلایکول (DEG) و تری‌اتیلن گلایکول (TEG). TEG به‌دلیل نقطه جوش بالا و پایداری حرارتی، بیشترین کاربرد را در صنعت گاز دارد.
3. خنک‌سازی و چگالش (Condensation): در این روش، گاز طبیعی با استفاده از کمپرسور فشرده شده و سپس سرد می‌شود. با کاهش دما، بخار آب به مایع تبدیل شده و از گاز جدا می‌شود. این روش معمولاً در ترکیب با سایر روش‌ها مانند جذب در مایع استفاده می‌شود تا کارایی فرآیند افزایش یابد.
4. استفاده از غشاهای فیبری توخالی (HFMC): در سال‌های اخیر،فرآیندهای غشایی به‌عنوان یک روش نوین و کارآمد برای جداسازی گازها مورد توجه قرار گرفته‌اند. غشاها به‌دلیل حجم کم، نیاز نداشتن به انرژی برای احیا و سادگی در عملیات، جایگزین مناسبی برای روش‌های سنتی هستند. غشاها بر اساس جنس به دو دسته پلیمری و سرامیکی تقسیم می‌شوند و در مدول‌های مختلفی مانند فیبر توخالی، لوله‌ای و مارپیچی استفاده می‌شوند.

معرفی فناوری غشاهای فیبری توخالی (HFMC)

غشاهای فیبری توخالی نوعی سیستم انتقال جرم هستند که در آن‌ها یک غشاء نازک، فاز گاز و مایع را از یکدیگر جدا کرده و امکان انتقال انتخابی بخار آب از فاز گازی به فاز مایع را فراهم می‌کند. از مزایای کلیدی این فناوری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• جلوگیری از تماس مستقیم گاز و مایع: این ویژگی مانع از افت کیفیت گاز خروجی و کاهش میزان جذب حلال جاذب می‌شود.
• کاهش مصرف انرژی: در مقایسه با روش‌های سنتی، HFMC به انرژی کمتری نیاز دارد و بهره‌وری بالاتری دارد.
• افزایش سطح انتقال جرم: ساختار فیبری توخالی غشاء منجر به افزایش سطح تماس و بهبود انتقال جرم می‌شود.
• امکان کنترل بهتر فرآیند: استفاده از این سیستم امکان کنترل دقیق پارامترهای فرآیند مانند دبی جریان و غلظت حلال را فراهم می‌کند.

کاربردهای غشاها

غشاها در صنایع مختلفی مانند پالایش گاز طبیعی، تصفیه فاضلاب و تولید هیدروژن استفاده می‌شوند. در صنعت گاز، غشاها برای جداسازی گازهای اسیدی مانند دی‌اکسید کربن و سولفید هیدروژن از گاز طبیعی کاربرد دارند.

هدف پروژه

با توجه به پتانسیل بالای HFMC در رطوبت‌زدایی گازها، هدف این مطالعه بررسی عملکرد این فناوری با استفاده از محلول TEG است. برای این منظور، یک مدل ریاضی دقیق توسعه داده شده و با استفاده از نرم‌افزار COMSOL Multiphysics حل گردیده است. همچنین، داده‌های تجربی برای صحت‌سنجی مدل محاسباتی در شرایط مختلف آزمایشگاهی جمع‌آوری شده است. یافته‌های این مطالعه می‌توانند در بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی رطوبت‌زدایی و کاهش هزینه‌های عملیاتی مورد استفاده قرار گیرند.

روش‌شناسی

۱. تعریف مسئله و مدل‌سازی

مدل‌سازی در فرآیندهای مهندسی شیمی به دلیل پیچیدگی‌های موجود، اغلب نیازمند حل عددی است. در این مطالعه، مدل ریاضی توسعه‌یافته برای شبیه‌سازی جذب بخار آب توسط TEG در یک ماژول غشایی مورد استفاده قرار گرفته است. ماژول مذکور شامل تعداد زیادی فیبر توخالی است که درون یک پوسته استوانه‌ای قرار دارد. به دلیل پیچیدگی بالای مدل‌سازی این سیستم، برای ساده‌سازی، هر فیبر توسط یک حجم محصور شده در نظر گرفته شده است و در خارج از این حجم، هیچگونه انتقال جرم و حرکت لحاظ نشده است. این رویکرد باعث کاهش پیچیدگی مدل و افزایش کارایی محاسباتی آن می‌شود.

۲. معادلات مدل‌سازی

مدل ریاضی این مطالعه شامل سه معادله موازنه جرم برای بخش‌های مختلف ماژول است:

• معادله سمت لوله: توصیف انتقال بخار آب از جریان گاز به سطح داخلی فیبرها.
• معادله غشاء: بیان فرآیند نفوذ بخار آب درون ساختار غشایی.
• معادله سمت پوسته: مدلسازی انتشار و جذب بخار آب در ناحیه خارجی غشاء.

این معادلات در مختصات استوانه‌ای تدوین شده‌اند و هر سه ناحیه مدل‌سازی شامل نفوذ، جداسازی و جذب بخار آب در نظر گرفته شده است. در این مدل، فرضیات متعددی از جمله شرایط پایا، جریان آرام و غیر واکنشی در نظر گرفته شده‌اند تا تحلیل دقیق‌تری از فرآیند ارائه شود.

۳. روش حل عددی

به دلیل پیچیدگی معادلات، روش عددی تفاضلات محدود برای حل آن‌ها به‌کار گرفته شد. فرآیند گسسته‌سازی مدل در دو راستای شعاع و طول انجام گرفت:

• در جهت شعاع، شمارنده i از صفر تا M متغیر است.
• در جهت طول، شمارنده j از صفر تا N متغیر است.

روش تفاضل محدود مرکزی برای تقریب مشتقات اول و دوم استفاده شد که دقت بالاتری نسبت به روش‌های ساده‌تر عددی دارد. این روش ضمن کاهش خطای محاسباتی، امکان تحلیل بهتر تغییرات غلظت و انتقال جرم را فراهم می‌آورد.

۴. شروط مرزی مدل‌سازی

برای تضمین صحت حل عددی، شروط مرزی زیر در مدل اعمال شدند:

• در Z=0 : مقدار اولیه غلظت بخار آب در گاز ورودی تعیین شد.

• در Z=L : شرط مرزی خروجی بر اساس تعادل جرم لحاظ شد.

 

• در r=0 : تقارن مدل اعمال شد تا دقت حل عددی افزایش یابد.

• در r=r1 : پیوستگی غلظت بخار آب بین بخش لوله و غشاء لحاظ شد.

• در r=r2 : شرط پیوستگی بین غشاء و پوسته اعمال شد تا صحت مدل افزایش یابد.

• در r=r3 : شار جرمی صفر در لبه پوسته لحاظ شد که نشان‌دهنده نبودن انتقال بخار آب از این مرز است.

این شروط مرزی، مدل را به یک مسئله‌ی کاملاً معین تبدیل کرده و امکان اجرای حل عددی را با دقت بالاتر فراهم کرده است.

۵. کدنویسی و پیاده‌سازی عددی

برای اجرای مدل، ناحیه حل به‌صورت ماتریسی تعریف شد:

• لوله: سطرهای ۱ تا M
• غشاء: سطرهای M+1 تا 2M
• پوسته: سطرهای 2M+1 تا 3M

در پیاده‌سازی کد، روش عددی توسعه‌یافته براساس ارزیابی خطا و مقایسه نتایج عددی با داده‌های تجربی تنظیم شد. برای حل دستگاه معادلات حاصل از گسسته‌سازی، از الگوریتم‌های عددی پایدار و دقیق مانند گاوس-سایدل و تفاضل محدود ضمنی استفاده گردید. این روش‌ها تضمین می‌کنند که حل عددی مدل همگرا بوده و دارای دقت بالایی باشد. علاوه بر این، برنامه‌نویسی در نرم افزار MATLAB به‌گونه‌ای انجام شد که امکان تغییر آسان پارامترهای ورودی برای تحلیل حساسیت و بررسی بهینه‌ترین شرایط عملیاتی فراهم باشد.

این رویکرد ترکیبی از تحلیل تئوری، حل عددی و ارزیابی تجربی است که امکان پیش‌بینی دقیق رفتار فرآیند و بهینه‌سازی عملکرد ماژول غشایی را فراهم می‌سازد.

نتایج و بحث

۱. صحت‌سنجی مدل

برای بررسی اعتبار مدل عددی توسعه‌یافته، نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تجربی مقایسه شد. مقایسه این نتایج نشان داد که اختلاف کمتر از ۲٪ بین مقادیر پیش‌بینی شده و داده‌های تجربی وجود دارد که حاکی از دقت بالای مدل در شبیه‌سازی جذب بخار آب توسط محلول TEG در ماژول غشایی است. این هم‌خوانی بالا، کارایی مدل را برای تحلیل حساسیت و طراحی بهینه سیستم تأیید می‌کند.

۲. اثر دبی جریان گاز

افزایش دبی گاز منجر به افزایش شار انتقال جرم در ماژول غشایی شد. این افزایش به دلیل کاهش ضخامت لایه مرزی گاز و افزایش نیروی محرکه انتقال جرم در فاز گازی است. در شرایطی که دبی جریان گاز افزایش می‌یابد، مقاومت اصلی در فاز مایع یا غشاء محدودکننده فرآیند نخواهد بود، بلکه فاز گازی بیشترین تأثیر را بر راندمان جذب دارد. این نتیجه نشان می‌دهد که طراحی بهینه سیستم باید به نحوی باشد که تعادلی میان دبی جریان گاز و انتقال جرم برقرار شود تا حداکثر کارایی جذب حاصل شود.

۳. اثر دبی جریان مایع

برخلاف دبی جریان گاز، تغییر دبی جریان مایع تأثیر قابل‌توجهی بر میزان جذب بخار آب نشان نداد. این مشاهده بیانگر آن است که مقاومت اصلی در فاز گاز یا غشاء قرار دارد و نه در فاز مایع. بنابراین، استفاده از دبی‌های کم مایع در طراحی صنعتی، امکان کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی را فراهم می‌کند بدون آنکه عملکرد سیستم تحت تأثیر قرار گیرد. همچنین، افزایش دبی جریان مایع می‌تواند موجب افزایش افت فشار در فیبرها شود که ممکن است مشکلات عملیاتی در مقیاس صنعتی ایجاد کند.

۴. اثر غلظت TEG

غلظت TEG در محلول جاذب تأثیر مستقیمی بر کارایی جذب بخار آب دارد. نتایج حاصل نشان دادند که افزایش غلظت TEG موجب افزایش نیروی محرکه انتقال جرم شده و میزان جذب بخار آب را به طور محسوسی افزایش می‌دهد. با این حال، باید توجه داشت که احیای TEG با افزایش غلظت آن پیچیده‌تر و انرژی‌برتر می‌شود. بنابراین، برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و افزایش راندمان کلی سیستم، انتخاب غلظت بهینه TEG امری ضروری است. بررسی‌های بیشتر در این زمینه می‌تواند به تعیین شرایط بهینه عملیاتی منجر شود.

۵. تأثیر جهت جریان

دو پیکربندی جریان همسو و ناهمسو در ماژول بررسی شدند. نتایج نشان دادند که در دبی‌های بالای گاز، جریان ناهمسو عملکرد بهتری دارد. این امر به این دلیل است که نیروی محرکه انتقال جرم در طول غشاء حفظ شده و در نتیجه، میزان جذب بخار آب بهبود می‌یابد. در مقابل، در دبی‌های پایین گاز، اختلاف عملکرد بین این دو حالت کمتر است. بنابراین، در شرایط صنعتی که دبی جریان گاز بالا است، استفاده از پیکربندی جریان ناهمسو توصیه می‌شود.

۶. تأثیر ترشوندگی غشاء

یکی از مهم‌ترین چالش‌های استفاده از ماژول‌های غشایی، ترشوندگی غشاء توسط محلول جاذب است که می‌تواند منجر به افزایش مقاومت انتقال جرم شود. نتایج نشان دادند که حتی درصد کمی از ترشوندگی می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی باعث کاهش میزان جذب بخار آب شود. این امر به این دلیل است که در شرایط ترشوندگی، مسیرهای نفوذ درون غشاء با مایع پر شده و میزان نفوذ بخار آب به محلول جاذب کاهش می‌یابد. برای جلوگیری از این مشکل، کنترل شرایط عملیاتی و جلوگیری از ورود بیش از حد محلول جاذب به ساختار غشاء ضروری است.

بررسی پارامترهای مختلف نشان داد که در فرآیند رطوبت‌زدایی گاز با استفاده از ماژول غشایی، مقاومت اصلی انتقال جرم در فاز گازی قرار دارد و انتخاب دبی بهینه جریان گاز نقش تعیین‌کننده‌ای در افزایش کارایی سیستم دارد. از سوی دیگر، دبی جریان مایع تأثیر چندانی بر عملکرد جذب ندارد، اما غلظت TEG به عنوان یک فاکتور کلیدی بر فرآیند جذب مؤثر است. همچنین، نتایج نشان دادند که پیکربندی جریان ناهمسو در شرایط دبی بالای گاز عملکرد بهتری دارد و جلوگیری از ترشوندگی غشاء یک چالش مهم در بهینه‌سازی این سیستم محسوب می‌شود.

جمع‌بندی کلی

این پروژه به بررسی کارایی ماژول غشایی فیبری توخالی در رطوبت‌زدایی گاز پرداخته است. شبیه‌سازی عددی و مقایسه آن با داده‌های تجربی نشان داد که مدل ارائه‌شده دقت بالایی در پیش‌بینی عملکرد جذب بخار آب دارد.

نتایج نشان دادند که دبی جریان گاز نقش کلیدی در نرخ انتقال جرم دارد، در حالی که تغییر دبی جریان مایع تأثیر قابل‌توجهی بر جذب بخار آب ندارد. افزایش غلظت TEG نیز عملکرد جذب را بهبود می‌بخشد، اما احیای آن در غلظت‌های بالا نیاز به بررسی بیشتری دارد. بررسی تأثیر جهت جریان نشان داد که جریان ناهمسو در دبی‌های بالای گاز کارایی بهتری دارد. یکی از چالش‌های اصلی در این فرآیند، ترشوندگی غشاء بود که می‌تواند باعث افزایش مقاومت انتقال جرم شود. کنترل شرایط عملیاتی برای جلوگیری از این مشکل ضروری است.

به‌طور کلی، استفاده از ماژول‌های غشایی فیبری توخالی یک روش کارآمد برای رطوبت‌زدایی گاز است. تنظیم دبی گاز، انتخاب غلظت بهینه TEG و طراحی مناسب جهت جریان می‌توانند به بهینه‌سازی این فرآیند کمک کنند. یافته‌های این مطالعه می‌توانند مبنای طراحی سیستم‌های صنعتی رطوبت‌زدایی مبتنی بر این فناوری باشند.

مراجع

• Fakharnezhad, A., Masoumi, S., & Keshavarz, P. (2019). Analysis of design parameter effects on gas dehumidification in hollow fiber membrane contactor: Theoretical and experimental study. Separation and Purification Technology, 226, 22-30.
• Fakharnezhad, A., & Keshavarz, P. (2016). Experimental investigation of gas dehumidification by tri-ethylene glycol in hollow fiber membrane contactors. Journal of industrial and engineering chemistry, 34, 390-396