بخشی از مقاله
چکیده
گاز طبیعی مشتمل بر ترکیباتی نظیر دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن می باشد که باعث ترشی گاز می باشند و ضرورت دارد تا برای ممانعت از خوردگی واحدهای فرایندی و انتقال توسط آلکانول آمین هاشیرین سازی صورت پذیرد از آنجا که بیشتر تاکید عملیات رایج بر جذب انتخابی ترشی دی سولفید هیدروژن میباشد در این مقاله به معرفی نمک های آمینواسید شامل پتاسیم گلیسین - PG - و پتاسیم سارکوزین - PS - ، که قابلیت انحلال و حذف دی اکسیدکربن از گاز طبیعی دارند پرداخته می شود.
از آنجا که طی عملیات جذب گاز توسط این محلول ها واکنش های برگشت ناپذیر و پیچیده ای همراه با نفوذ مولکولی رخ میدهد با هدف مدلسازی ریاضی این فرایندها از طریق کد نویسی در محیط مطلب با متد اسمیت که قبلا برای یک فیلم قطور غشاء استفاده شده بود عمل میشود که از تکنیک های خطی سازی برای حل عددی معادلات دیفرانسیل عادی و پاره ای پیچیده مدل بهره گرفته است. تا میزان تغییرات فشار جزیی دی اکسید کربن در طی مسیر جذب و همچنین فشار جزیی گاز و پروفایل های غلظت محاسبه گردد.
نتایج نشان میدهد که در غلظت ثابت پتاسیم گلسین با افزایش فشار ثابت تعادل به صورت نمایی کاهش مییابد و تقریبا پروفایل غلظت در فیلم سیال در اندازه میکرومتر ثابت میماند و تغییرات PH در داخل ضخامت 6 P از فیلم مایع در شرایط غلظت 3مولار PG، دمای 293کلوین، از حد صفر تا تا 6 افزایش مییابد و در با افزایش غلظت محلول پتاسیم گلیسین در شرایط دمای 293 کلوین فشار جزئی توده گاز CO2 برابر 0.15 اتمسفر و ظرفیت بارگیری توده مایع برابر 10 در غلظتهای مختلف پتاسیم گلیسین تغییرات سرعت مصرف CO2 در ضخامت 6 P از فیلم مایع کاهش مییابد.
واژه های کلیدی: نمک های آمینواسید ، ترشی گاز ،جذب ، مدل سازی ، واکنش
مقدمه
یکی از بزرگترین مسائل زیست محیطی جهان، افزایش بیش از حد گازهای گلخانه ای می باشد. در بین گازهای گلخانه ای دی اکسید کربن به دلیل دارا بودن بالاترین زمان ماند و بیشترین مقدار در اتمسفر مهمترین گاز گلخانه ای محسوب می شود. روش های متعددی جهت جداسازی دی اکسید کربن توسط محققین مختلف تاکنون ارائه شده است. این روش ها شامل جذب فیزیکی، جذب به وسیله محلول های شیمیایی، جداسازی بوسیله غشاء و چندین فرآیند دیگر می باشد.
بیشترین شیوه های جداسازی دی اکسید کربن بر اساس جذب فیزیکی یا شیمیایی این ماده در یک حلال مناسب استوار است. از آنجایی که در جذب فیزیکی راندمان عمل بستگی زیادی به مقدار دی اکسید کربن در گاز ورودی به فرآیند دارد و با کاهش مقدار دی اکسید کربن میزان جذب کاهش پیدا می کند، از این روش نمی توان به طور موثر برای جداسازی دی اکسید کربن از هوا که مقدار آن غالباً از حداکثر چند صدم درصد تجاوز نمی کند استفاده کرد. به همین دلیل استفاده از جذب شیمیایی دی اکسید کربن هوا با محلول های آمین راندمان بالاتر و کارایی مناسب تری از خود نشان می دهد. نتایج مطالعات پیشین نشان می دهند که به دلیل فعالیت شیمیایی بالا و ارزانی قیمت، محلول مونواتانول آمین مناسبترین محلول برای پاک کردن هوا از دی اکسید کربن موجود در آن است.
از معضلات استفاده از حلالهای با پایه آمینی رایج در سیستمهای حذف دی اکسید کربن می توان به مقدار زیاد مصرف آنها در یک هدف ثابت و هزینه بالای انرژی در اجیای آنها برای استفاده مجدد ، فراریت بالا و خوردگی فلزی بالای آنها اشاره کرد.لذا در چند سال اخیر نمکهای آمینو اسید - AAS - به عنوان یکی از گزینه های بالقوه در سیستمهای جذب دی اکسید کربن ،مورد توجه واقع شدهاند. از محاسن اصلی این حلالها، می توان از فراریت پایین و واکنشپذیری بالا، پایداری دمایی، ظرفیت بارگیری بالای CO2 در آنها نام برد.
بررسی سینتیک واکنش CO2 با نمکهای آمینو اسید
برای ارزیابی سینتیکی واکنش این نمک ها با دی اکسید کربن اطلاعات به اندازه مقالات منتشر شده در زمینه سینتیک آلکانول آمین ها در دسترس نمی باشد اما با این همه چون بین گروههای عاملی فعال آلکانول آمینها با گروه های آمینو اسیدها شباهت های فراوانی است،بنابراین به نظر می رسد مکانیسم واکنشی این دو عامل نیز با هیکدیگر متناظر باشند. حسن دیگر نمکهای آمینو اسید ، آن است که این مواد محلول یونی هستند و فشار بخار کمتری دارند به طوریکه به ویژه در شرایط برج احیاء - فشار پایین و دمای بالا - انرژی کمتری مصرف می کنند و از طرفی ایمنی بیشتری را می طلبند. خاصیت نمکی بودن AAS ها باعث افزایش نیروی کشش سطحی آنها شده و باعث می شود تااین ویژگی آنها را برای کاربردهای غشایی گاز مایع مناسب تر نشان دهد.
بر خلاف MEA که به خاطر معضل تر کنندگیاش تنها با غشاهای گرانقیمت قابل استفاده است، AAS را میتوان با غشاهای معمول و ارزانی از جمله پلی پروپن بکار گرفت که منجر به توجیه اقتصادی فرآیند می گردد؛ بنابراین بررسی سینتیک واکنش CO2 با AAS برای طراحی برجهای تماس گاز مایع مهم است. از همه انواع مختلف AAS ها، دو نوع از نمکهای پتاسیم بیشتر توصیه می شوند: نمک گلایسین پتاسیم - PG - که خواص مورد توجه فراوانی از جمله پایداری حرارتی بسیار خوب و سرعت واکنش پذیری بالا در مجاورت با CO2 دارد.
همچنین از لحاظ بازرگانیدر دسترس است و قیمت نسبتاً کمتری دارد. این ماده به خاطر محاسنیکه دارد، معمولاً به عنوان جاذب CO2 معرفی میشود. نمک آمینو اسید پتاسیمی دیگر، سارکوزین پتاسیم2 - PS - است و به خاطر ظرفیت بالای بارگیری و انحلال زیاد CO2 در آن، گزینه مطمئن دیگری برای این منظور به شمار می آید.سرعت کلی جذب CO2 در یک محلول آبی AAS از جمع سرعتهای معادلات سه گانه فوق الذکر به دست میآید.شناخت جزئیات مکانیزم واکنش CO2 برای آلکانول آمینها جهت درک بنیادی سیستمهای واکنشی ضروری است. عموماً سینتیک واکنشها را میتوان هم با مکانیزم دو مرحلهای زویتریونیا یون دوقطبی یا با مکانیزم تک مرحلهای ترمولکولار بیان کرد.
هر دو مکانیزم را میتوان برای محلولهای آبی AAS بکار برد.تفاوت اصول بکار رفته در مکانیزم زویتریون - یون دوقطبی - برای استفاده در محلولهای آبی آلکانول آمینی و AAS در بار یونی اضافی مربوط به واکنشدهنده، محصول و مواد واسطه است. این تفاوت، پایداری و سرعت پروتون زدایی زویتریون و در نتیجه مرتبهی کلی واکنش در محلولهای آبی AAS را به شدت تحت تأثیر قرار میدهد: باز میتواند آنیون آمینو اسید، آب یا یک یون هیدروکسیل باشد.
با فرض شرایط شبه پایا برای غلظت دی کربامات پروتون دار شده و رفتار درجه اول برای CO2 - این فرض با در نظر گرفتن برگشتناپذیر بودن مرحله انتقال پروتون دوم حاصل میشود، سرعت کلی واکنش رفت از رابطهی: به دست میآید که در آن NBJCBJ کسر تمام بازهای موجود در محلول برای حذف پروتون است. از آنجا که غلظت هیدروکسیل نوعاً پایین است، سهم آن در پروتون زدایی از یون دی کربامات پروتون دار شده معمولاً ناچیز در نظر گرفته میشود.
روش خطي سازي در حل عددي مدل مطالعات سابق در زمینه سینتیک واکنش CO2 با آمینهاAAS نشان می دهد که عملیات انتقال جرم طی چند واکنش برگشتناپذیر رخ می دهد. با نوشتن معادلات موازنه جرم به همراه معادلات سرعت واکنش یک دستگاه معادلات دیفرانسیلی غیرخطی حاصل می شود که در ادامه خواهد آمد ومتعاقباً، مدلسازی ریاضی جذب CO2 در محلول AAS در برجهای پر شده که نیازمند محاسبات زیاد و چندین مرحله حدس و خطاست ، آورده می شود. قویترین الگوریتم نوشتهشده برای مسئله بالا، روشهای آنالیز عددی را بکار میگیرد.
تقریبهای فرمِ بسته بر پایه فنون خطی سازی، با محاسبات کمتری مساله را به جواب می رساند و این برای محاسبات اولیه بسیار مفید هستند. ولی این محاسبات برای بازههای محدودی از شرایط عملیاتی معتبرند.به این ترتیب معادلات دیفرانسیل جزئی موازنه جرم از طریق این تقریبهای خطی سازی به چند رابطه جبری تبدیل شده که با حدس و خطا حل میشوند.
