بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي جذب H2S بر روي زئولیت 13X در فرآیند خالصسازي گاز طبیعی
چکیده
از جمله منابع اصلی آلودگی هوا میتوان به سولفیدهیدروژن اشاره نمود؛ که به سبب فرآیند شیمیایی بر روي موادي از قبیل زغال سنگ، گاز طبیعی و گازهاي سنتزي تولید میگردد. فرآیند جذب سطحی یکی از انواع فرآیندهاي جداسازي است که طی آن، مولکولهاي یک گاز یا بخار روي سطح داخلی و خارجی یک ماده جامد متخلخل به عنوان جاذب، جذب و تغلیظ میگردد. در عملیات جذب سطحی، از قابلیت جذب انتخابی برخی مواد موجود در مخلوط، روي سطح جاذب استفاده میگردد. از فرآیند جذب سطحی به طور گسترده در صنعت براي جداسازي و خالصسازي گازها استفاده میگردد؛ که روشی اقتصادي و پذیرفته میباشد. در این فرآیند بعضی از گازها جدا شده و بر روي سطح جاذب به طریق شیمیایی یا فیزیکی جذب میگردند. در سالهاي اخیر جذب فیزیکی توسط جاذبهاي متخلخل بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به طور مثال میتوان به آلومینا سلیکات، سلیکاژل، زئولیتها و ... اشاره نمود. با انتخاب یک جاذب مناسب و زمان تماس کافی بین جاذب و جریان گاز، میتوان راندمان جداسازي را تا حد قابل توجهی افزایش داد. زئولیتها جاذبهاي متخلخلی هستند که ساختار و اندازه حفره هاي آن مشابه میباشد. مهمترین حسن استفاده زئولیت توانایی بالاي این جاذب براي احیا و نیز انتخابپذیر بودن این جاذب میباشد. در این کار به مدلسازي و شبیهسازي جذب گاز بر روي جاذب زئولیت 13X پرداخته شده است.
کلمات کلیدي: جذب سطحی، زئولیت 13X، بازیابی H2S، ایزوترم توسعه یافته لانگمویر
مقدمه
چسبندگی (اتصال) مولکولهاي گازها یا مایعات به سطح یک جامد، adsorption نامیده میشود که نباید با پدیده absorption که مولکولهاي گاز یا مایع در جامد یا مایع دیگري وارد میگردد اشتباه گرفته شود. در فرآیند جذب سطحی جهت انتقال جرم از فاز سیال به فاز جامد میباشد و عکس این جهت انتقال در فرآیند دفع سطحی مشهود میباشد.[1] از جمله جاذبهاي تجاري میتوان به زغال چوب، سیلیکاژل هیدروکسیدآلومینیوم و کربنفعال اشاره نمود که در کنترل آلودگی هوا مورد استفاده قرار میگیرند.[2] در فرآیند جذب سطحی، به موادي که روي سطح جامد جمع میشوند، جذب شونده و به موادي که در آن جذب شونده تجمع پیدا میکند جاذب گویند. جاذبها داراي خاصیت جذب انتخابی میباشند بدین معنی که بسته به ساختمان و نوع جاذب، میتوانند یک ماده مشخص را جذب کنند.[3] زئولیتها، گروهی از آلومینو سیلیکاتهاي فلزي دراتههی هستند که عموماَ ساختاري کریستالی دارند و به شکل طبیعی نیز یافت میشوند.[4] در دهه1980، فرایند جذب سطحی با نوسان فشار (PSA) به طور وسیعی در مقیاس تجاري مورد توجه قرار گرفته است.[5] امروزه تجاريسازي فرآیندهاي جداسازي برپایه جذب سطحی از قبیل (PSA) نیاز به طراحی بهتر این فرآیندها را تشدید کرده است.[6] دلیل اصلی پیشرفت، این تکنولوژي انعطافپذیر و پر بازده بودن این شیوه براي جداسازي و خالصسازي گاز میباشد. این روش میتواند انرژي و قیمت جداسازي را در مقایسه با فرآیندهاي جداسازي تبدیلی از قبیل تقطیر و جذب (absorption) کاهش دهد.[7] تاثیراتی که متغییرهاي فرآیندي متفاوت بر روي عملکرد فرآیند PSA دارد نمیتواند به صورت فیزیکی و ساده یک مدل مناسب این است که به حقیقت بسیار نزدیک بوده و استفاده از آن روابط مشکل ریاضی را ایجاد نکندمسلماً.
اگر مدلی انتخاب شود که با وجود نزدیکی به حقیقت بسیار پیچیده باشد، استفاده چندانی نخواهد داشت.[9] اما مدلسازي و شبیهسازي جذب گاز در بسترهاي molecularsive و همچنین مطالعه انتقال جرم و حرارت و نیز حل ریاضی آنها کمک شایانی به توسعه این بسترها کرده است.[10] دادههاي زیادي براي جذب سولفید هیدروژن و دياکسیدکربن از مخلوط گازها توسط زئولیت 4A، 5A، 13X وجود دارد که این ایزوترمها در محدوده وسیعی از دما و فشار میباشند.[11] آزمایشات مختلفی براي نشان دادن تاثیر پارامترهاي عملیاتی نظیر سرعت، دما، فشار، غلظت، خوراك و ... توسط Ruthven و همکارانش صورت گرفته است.[4] در این کار فرآیند PSA بر روي زئولیت 13X مورد بررسی قرار گرفته است. این جاذب انتخابپذیر بوده و براي جذب سولفیدهیدروژن و دياکسیدکربن مناسب میباشد. در این کار تلاش شده است، پارامترهاي موثر بر فرآیند جذب سطحی از قبیل سرعت، قطر جاذب و نیز تخلخل بر روي غلظت خروجی مورد بررسی قرار گیرد.
-1 شرح روش آزمایش
بستر جذب سطحی که در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفته شده، از جنس Stainless Steal میباشد. این بستر استوانهاي شکل بوده که طول آن (ft) 4 و شعاع داخلی آن (in) 3 میباشد. جاذب مورد استفاده در این فرآیند از نوع غربالمولکولی بوده که مشخصات آن در جدول - 1 آورده شده است.[11]
فرضیات مدل
براي آنالیز بهتر رفتار دینامیکی بسترهاي جذب و فرآیند جذب سطحی، نیاز به مدلسازي ریاضی فرآیند مشهود میباشد. براي قابل درك بودن مدل ریاضی به دست آمده، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است.
• سیستم عملیاتی در شرایط همدما در نظر گرفته شده است. دماي گاز در اطراف جاذب و سطح جاذب یکی در نظر گرفته شده است.[12]
• گرادیان غلظت در جهت شعاعی و زاویهاي نادیده گرفته شده است (ID method) فرض نادیده گرفتن گرادیان غلظت در جهت شعاعی با توجه به مطالعات زیادي که در این زمینه صورت گرفته قابل قبول میباشد که از جمله این گزارشات میتوان به[15 14 13] اشاره نمود.
• افت فشار در طول بستر نادیده گرفته شده است.[16]
• سرعت جریانی که از بستر عبور میکند میتوان ثابت در نظر گرفته شود. زیرا مقدار گاز جذب شده در مقابل کل جریان ورودي به بستر ناچیز می باشد. هم چنین افت فشار در بستر نیز ناچیز در نظر گرفته شده است.[17]
• براي محاسبه تمامی ضرایب نفوذ در لایه هاي مرزي و نفوذ بین ذرات متخلخل از مدل نیرو محرکه خطی استفاده گردیده است.[18]
• فرض تعادل گرمایی بین جاذب و جریان توده در نظر گرفته شده است.[19]
• الگوي جریان در جهت محوري به صورت Plug در نظر گرفته شده است.[20]
• تعادل بین جذب سطحی توسط ایزوترم Extented Langmuir توصیف شده است.
• رفتار گاز توسط معادله حالت PR توصیف شده است.[21]
-3 موازنه بقاي جرم در طول بستر
با برقراري معادله کلی بقا، رابطه بقاي جرم براي هر یک از اجزاي گاز ورودي در طول بستر بدین شکل تشکیل میگردد :
شرایط مرزي و اولیه براي بقاي جرم در طول بستر براي هر یک از اجزاي گاز ورودي به شرح زیر میباشد.
مدل خطی نیروي محرکه براي انتقال جرم به صورت معادله (5) بیان شده است.[22]
در مدل حاضر نفوذ در حفرهھاي جاذب متخلخل انجام میپذیرد و نفوذ شامل دو نفوذ مولکولی و نودسن میباشد که به صورت موازي در انتقال جرم تأثیر گذار میباشند. یک تئوري دقیق براي محاسبه نفوذ نودسن توسط Ruthven و ھمکارانش ارائه گردیده است.[23]
ضریب نفوذ مولکولی در گازھا، یکی از خواص سیستم است که بستگی به درجه حرارت، فشار و طبیعت سازنده سیستم خواھد داشت. براي حل مدل ریاضی حاضر از معادلات زیر استفاده گردیده است.[24]
پس از بدست آوردن نفوذ مولکولی و نفوذ نودسن ضریب نفوذ موثر از رابطه زیر به دست می آید: [24]
براي محاسبه ضریب نفوذ محوري از رابطه زیر استفاده گردیده است [4]
براي محاسبه ضریب انتقال جرم از رابطه زیر استفاده شده است.[9]
ایزوترم لانگمویر توسعه یافته براي پیشبینی دادهھاي تعادلی براي جذب چندجزئی مناسب میباشد.. رابطه ایزوترم تعادلی لانگمویر توسعه یافته به شرح زیر میباشد.[25]
پس از استخراج دادهھاي تعادلی که توسط Maddox و ھمکارانش ارائه گردیده ضرایب ایزوترم لانگمویر توسعهیافته در جدول-2 آورده شده است.[26]
-4 حل عددي معادلات
به علت پیچیده بودن معادلات به دست آمده در بخش قبل، و ممکن نبودن حل تحلیلی آن ها، ناگزیر براي حل این معادلات از روشهاي عددي استفاده میگردد. از روشهاي عددي معمول میتوان به روش تفاضل محدود، روش صریح، روش ضمنی و کرانک نیکلسون اشاره نمود. در این کار از روش ضمنی و نرم افزار Matlab استفاده شده است.
-5 بحث و نتیجه گیري
در این کار، نمودارهاي لازم براي عملیات جذب سطحی در شرایط مختلف بدست آمده که با دادههاي تجربی[11] همخوانی دقیقی داشته است. تغییرات غلظت دياکسیدکربن و سولفیدهیدروژن درdامتداد بستر در مکان و زمانهاي مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در یک مکان مشخص، تأثیر پارامترهاي ، ε، غلظت اولیه و سرعت بر روي نتایج مدل جذب سطحی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
-1-5 مقایسه نتایج حاصل از مدل ریاضی با دادههاي تجربی
در شکل-1 نتایج حاصل از مدل ریاضی با دادهھاي تجربی مقایسه شده است. ھمان طور که در شکل-1 مشخص شده است مدل ریاضی با دادهھاي تجربی [11] تطابقپذیري مناسبی دارد.
-2-5 تغییرات غلظت دياکسیدکربن و سولفیدهیدروژن در یک مکان مشخص از بستر
از مهمترین نتایج مدل جذب سطحی بررسی تغییرات غلظت دياکسیدکربن و سولفیدھیدروژن در یک مکان مشخص از بستر در طول زمان انجام فرآیند جذب سطحی میباشد که در این بخش این تغییرات با نمودارھاي مربوطه نشان داده شده است.
