مقدمه:
در سال‌های اخیر، توجه به بیومتان به عنوان یک سوخت پاک و تجدیدپذیر به شدت افزایش یافته است. یکی از روش‌های اصلی تولید بیومتان، تصفیه بیوگاز است. بیوگاز مخلوطی از گازها، عمدتاً متان (CH4) و دی‌اکسید کربن (CO2) است که در اثر تجزیه مواد آلی در شرایط بی‌هوازی تولید می‌شود. برای تولید بیومتان، ما دی‌اکسید کربن را از بیوگاز جدا می‌کنیم.
یکی از فناوری‌های موثر برای جداسازی گازها، جذب سطحی نوسانی فشار (PSA) است. این روش به دلیل مصرف انرژی پایین‌تر نسبت به روش‌های دیگر، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. در فرآیند PSA، از جاذب‌های جامدی مانند زغال فعال استفاده می‌کنیم که توانایی جذب گازها را دارند. با تغییر فشار،گازهای جذب شده را از سطح جاذب جدا کرده و گاز خالص (در این مورد، متان) تولید می کنیم.
در این پژوهش، ما از زغال فعال مشتق شده از خاک اره کاج برای تصفیه بیوگاز و تولید بیومتان با استفاده از فرایند PSA استفاده کرده‌ایم. هدف اصلی این تحقیق، توسعه یک مدل عددی برای پیش‌بینی عملکرد فرایند PSA و بهینه‌سازی شرایط عملیاتی است.
شرح فرآیند
در فرآیند PSA، یک مخزن حاوی جاذب جامد (زغال فعال) را به طور متناوب تحت فشار بالا و پایین قرار می‌دهیم. مرحله فشار بالا، گازهای موجود در جریان خوراک (بیوگاز) را با جاذب تماس می‌دهیم و مولکول‌های CO2 بیشتر از CH4 بر روی سطح جاذب جذب می‌شوند. مرحله فشار پایین، گازهای جذب شده را از سطح جاذب جدا کرده و گاز خروجی غنی از CH4 تولید کرده ایم. در زیر مراحل یک چرخه PSA شرح داده شده است:
- جذب: مخلوط گاز تحت فشار بالا را به داخل بستر جاذب وارد می‌کنیم. گازهای قابل جذب با جاذب برهمکنش کرده و بر روی سطح آن جذب می‌شوند. گازی که کمتر جذب می‌شود (گاز محصول) عمدتاً از بستر خارج می‌شود.
- تخلیه: فشار داخل بستر را کاهش می‌دهیم. گازهای جذب شده در مرحله قبل را، به دلیل کاهش فشار، از سطح جاذب جدا کرده و از سیستم خارج می‌کنیم.
- فشازایی: فشار داخل بستر را مجدداً افزایش می‌دهیم تا برای مرحله جذب بعدی آماده شود. این مرحله را معمولاً با استفاده از یک کمپرسور انجام می‌دهیم.
- تخلیه فشار (در برخی از سیستم‌ها): یک گاز بی‌اثر (مانند نیتروژن) با فشار کم را وارد بستر می‌کنیم تا باقی‌مانده گازهای جذب شده را از بستر خارج کنیم.
شبیه‌سازی فرآیند PSA
در این بخش، به بررسی دقیق شبیه‌سازی فرآیند PSA (جذب سطحی نوسانی فشار) برای تصفیه بیوگاز با استفاده از نرم‌افزار Aspen Adsorption می‌پردازیم. این نرم‌افزار ابزاری قدرتمند برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرآیندهای جداسازی گاز است که امکان تحلیل دقیق رفتار سیستم و بهینه‌سازی شرایط عملیاتی را فراهم می‌کند.
- مدل‌سازی سیستم: در ابتدا، اجزای سیستم شامل گازهای CO2، CH4 و He، جاذب زغال فعال و بستر جاذب با ابعاد مشخص را تعریف می‌کنیم. سپس، شرایط اولیه سیستم مانند فشار، دما و ترکیب گاز ورودی را وارد نرم‌افزار می‌کنیم.
- مدل‌سازی تعادل و سینتیک جذب: از مدل‌های ایزوترم Langmuir-Freundlich و IAST برای مدل‌سازی تعادل جذب و از مدل LDF برای مدل‌سازی سینتیک جذب استفاده می‌کنیم.
- شبیه‌سازی آزمایش‌های شکست: شرایط آزمایشگاهی را تعریف کرده و منحنی‌های شکست را شبیه‌سازی می‌کنیم و سپس با داده‌های تجربی مقایسه می‌کنیم.
- شبیه‌سازی چرخه PSA: چرخه PSA چهار مرحله‌ای را تعریف کرده و عملکرد آن را با محاسبه پارامترهای مختلف ارزیابی می‌کنیم.
- پارامترهای شبیه‌سازی و تحلیل نتایج: از طرح تفاضل محدود مرتبه اول برای گسسته‌سازی فضایی استفاده می‌کنیم و نتایج شبیه‌سازی را با داده‌های تجربی مقایسه می‌کنیم.
نتیجه‌گیری
در این پژوهش، با هدف تولید بیومتان به عنوان یک سوخت پاک و تجدیدپذیر، فرایند جذب سطحی نوسانی فشار (PSA) را برای جداسازی دی‌اکسید کربن از بیوگاز بررسی کردیم. با استفاده از زغال فعال مشتق شده از خاک اره کاج به عنوان جاذب و نرم‌افزار Aspen Adsorption برای شبیه‌سازی، توانستیم یک مدل عددی دقیق از این فرآیند ارائه دهیم. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که فرایند PSA با استفاده از زغال فعال می‌تواند به عنوان یک روش کارآمد برای تولید بیومتان با خلوص بالا مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، با بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی مانند فشار، دما و دبی جریان، می‌توان عملکرد فرآیند را بهبود بخشید و هزینه‌های تولید بیومتان را کاهش داد. این پژوهش گامی مهم در جهت توسعه فناوری‌های تولید انرژی پاک و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی محسوب می‌شود.