بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به گسترش روز افزون مطالعات در خصوص گازهای گلخانه ای و اثر این گازها در گرمایش زمین به شبیه سازی فرآیند جذب دی اکسید کربن پس از احتراق1، به عنوان یک گاز گلخانه ای ، در یک واحد نیمه صنعتی اجرایی در دانشگاه اشتوتگارت آلمان با نرم افزار اسپن پلاس نسخه 8/8 پرداختیم. شبیه سازی را بر مبنای سرعت واکنش2 انجام داده و شرایط عملیاتی و نوع برج ها ، پرکن ها و حلال را مانند واحد نیمه صنعتی مذکور انتخاب کردیم.[1]
با استفاده از یک مدل که قبلا توسط شرکت اسپن تکنولوژی برای برج جذب و دفع پیشنهاد شده بود[2] و انتخاب مدل ترمودینامیکی ELEC-NRTL که طبق مطالعات انجام شده مدل خوبی برای سیستم های الکترولیتی است[3] ، نتایج شبیه سازی خود را با کار پیشین انجام شده توسط باو هونگ-لی و همکاران[3] و همچنین نتایج تجربی حاصل از واحد نیمه صنعتی [1]مقایسه کردیم. نتایج قابل قبول بود و اغلب کمتر از ±7 درصد خطا داشت و با توجه به اینکه این مدل به واقعیت نزدیکتر است، نتایج جذب بهتری را پیش بینی کرد بطوری که دی اکسید کربن خروجی با خلوص % 99/58 از برج دفع بدست آمد و مقدار ضبط کربن دی اکسید خروجی نسبت به مدل قبلی تا % 6/5 به نتایج تجربی نزدیک تر شد. همچنین موازنه جرم و بار الکتریکی این شبیه سازی با استفاده از جریان جبرانی با دقت بالا همگرا شد و این مدل % 35 تلفات حلال آمین مصرفی را کاهش داد.
-1 مقدمه
امروزه در سراسر دنیا اقدامات علمی و صنعتی متعددی در جهت کنترل انتشار گازهای گلخانه ای انجام می شود که یکی از مهمترین این گازها دی اکسید کربن می باشد. دی اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه ای اگرچه جزو گازهای سمی محسوب نمی شوند با این حال در دراز مدت مشاهده شده است که باعث گرمایش زمین شده و طبق پژوهشی که در سال 2010 میلادی در موسسه ماساچوست ایالات متحده آمریکا انجام شده است [4] غلظت دی اکسید کربن به عنوان یک گاز گلخانه ای در پنجاه سال گذشته حدودا 90mg − افزایش داشته است که این میزان تا حدودی در افزایش 0/6 درجه سانتی گرادی دمای جو زمین موثر بوده است.
روش های متعددی برای ضبط و ذخیره دی اکسید کربن بررسی شده است، بعنوان مثال اخیرا گوانگرن یو و همکاران [5] به بررسی عملکرد ترکیب مونواتانول آمین با یک مایع یونی در جذب کربن دی اکسید پرداختند و اعلام کردند که این محلول به دلیل اینکه عاری از آب می باشد مشکلات فراریت آب را حذف کرده است اما بازده جذب کربن دی اکسید خیلی کمتری نسبت به محلول های آمین معمول دارد ، همچنین استفاده از فرآیند های غشایی مختلف مانند استفاده از یک غشای سرامیکی آب گریز که توسط چینهای یو و همکاران اخیرا بررسی شد[6] و بازده جداسازی کمی نسبت به محلول های آمین داشت ما را به این مهم رهنمود می سازد که هنوز هم بهترین روش برای ضبط دی اکسید کربن استفاده از محلول های آمین می باشد.
در مدلسازی و شبیه سازی فرآیند جذب و دفع دی اکسید کربن با محلول های آمین پژوهش های مختلفی صورت گرفته است که از جمله آنها میتوان به شبیه سازی این فرآیند با نرم افزار اسپن پلاس توسط با هونگ لی و همکاران اشاره کرد [2] که فرآیند جذب دی اکسید کربن از گاز دودکش در این واحد نیمه صنعتی را با این فرض که واحد شستشوی جریان گاز خروجی از برج جذب بطور کاملا جداگانه باشد شبیه سازی کردند و نتایج را با این فرضیات ارائه دادند اما در حقیقت قسمت شستشوی جریان گازی درون خود برج جذب می باشد و نیاز می باشد رفتار آب سرد ورودی برای شستشو ، محلول آبی آمین و گاز بالای برج با هم بررسی شود، بهمین علت به شبیه سازی مدل برج یکپارچه پرداختیم، بطور کلی هدف از این پژوهش بهبود نتایج حاصل از شبیه سازی مدل قبلی و کاهش میزان تلفات حلال آمین می باشد.
2 متن اصلی مقاله
1-2 روش ها
1-1-2 مدل های ترمودینامیکی
با توجه به اینکه سیستم الکترولیتی می باشد برای پیش بینی رفتار مایع-مایع ، مایع-بخار و ترکیبات یونی درون فرآیند از مدل ELEC-NRTL استفاده کردیم که این مدل بخوبی می تواند ضرایب برهمکنش دو جزیی آمین را با دی اکسید کربن و آب تخمین بزند ، همچنین برای فاز گازی نیز مدل PC-SAFT انتخاب شده است که طبق مطالعات انجام شده خصوصا برای سیستم های جذب و دفع نتایج قابل قبولی دارند.[4,7]
2-1-2 مروری بر داده های تجربی
واحد نیمه صنعتی مورد نظر واقع در دان شگاه ا شتوتگارت آلمان می با شد که با هدف ضبط دی اک سید کربن پس از احتراق و بررسی عملکرد حلال های مختلف در جذب دی اکسید کربن راه اندازی شده است. این مجموعه شامل یک برج جذب و یک برج دفع بهمراه تجهیزات فرآیندی مورد نیاز از جمله سه مبدل حرارتی و یک پمپ می باشد که برخی اطلاعات مورد نیاز در جدول1 آورده شده است . این واحد برای دبی گاز ورودی در محدوده 30 تا 110 کیلوگرم بر ساعت و دبی حلال 50 تا 350 کیلوگرم بر ساعت طراحی شده ا ست.[1]م شخ صات حلال ورودی و خوراک گازی ورودی به برج جذب نیز به ترتیب در جدول های 2 و 3 آمده اند. همچنین نمودار جریان فرآیند به همراه داده های عملیاتی مورد نیاز شبیه سازی در شکل 1 آورده شده است.[1]
3-1-2 فرضیات شبیه سازی
در شبیه سازی انجام شده از فرضیاتی جهت سهولت کار استفاده کردیم که به شرح زیر می باشند :
· هر دو برج را آدیاباتیک در نظر گرفتیم و از هرگونه تلفات انرژی نیز صرف نظر کردیم.
· افت فشار در مبدل های حرارتی را ناچیز فرض کردیم.
· از تشکیل شدن هیدرات و نمک در برج ها صرف نظر کردیم.
· از پدیده کف زایی با توجه به اینکه این شبیه سازی مربوط به واحد نیمه صنعتی بوده ا ست و در آنجا تو ضیح داده شده است که از مواد ضد کف استفاده شده صرف نظر کردیم.[1]
4-1-2 نحوه شبیه سازی
برای شبیه سازی برج جذب از مدل Radfrac استفاده کردیم بطوری که کل برج جذب از پرکن پرشده است و ریبویلر و کندانسور ندارد. در مورد برج دفع نیز مجددا از مدل Radfrac استفاده کردیم با این تفاوت که در این برج مرحله اول و آخر به ترتیب مربوط به کندانسور کامل و ریبویلر می باشند و باقی مراحل از پرکن پرشده اند. لازم به توضیح است که برج جذب در نهایت به 20 ق سمت تق سیم شد که دو ق سمت بالای آن به ارتفاع 0/42 متر برای ش ست شو در نظر گرفته شد و 18 ق سمت دیگر به ارتفاع 4 /2 متر در نهایت برای جذب در نظر گرفته شد ، تعداد 21 مرحله نیز برای برج دفع استفاده شده است با این تفاوت که ارتفاع برج دفع 2/5 متر ا ست. همچنین جریان بازگ شتی نیاز به سرد شدن و جریان حلال غنی ورودی به برج دفع نیاز به گرم شدن دارد که برای این مهم از مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده شده است.
5-1-2 واکنش های شیمیایی
بطور کلی یکسری واکنش های شیمیایی در جذب دی اکسید کربن وجود دارد که تعادلی بوده و عبارتند از :
+ + ↔ + + - 1 -
− + ↔ + − - 2 -
↔ + + − - 3 -
+ ↔ − + + - 4 -
− + ↔ − + + - 5 -
که واکنش یک مربوط به پروتوناسیون آمین ، واکنش دوم مربوط به تشکیل کربامات، واکنش سوم مربوط به تجزیه آب ، واکنش های چهارم و پنجم به ترتیب تشکیل بی کربنات و کربنات را نشان می دهند.
