مقاله کاهش آلاینده های سولفور و دی¬اکسید کربن از گاز طبیعی با استفاده از غشا

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله عملکرد یک غشای فیبر توخالی را به منظور حذف همزمان کربن دیاکسید و هیدروژن سولفید از گاز طبیعی، مورد بررسی قرار دادیم و تاثیر پارامترهای مختلف را بر عملکرد سیستم را بررسی کردیم. عملکرد سیستم را در حضور غشای PVDF بررسی کردیم، سپس با افزودن نانوذرات CaCO3 به غشا بهبود عملکرد سیستم را دیدیم.

افزودن نانو ذرات به غشا تا میزان جرمی = 20% سبب بهبود عملکرد سیستم در حذف ذرات کربن دیاکسید و هیدروژن سولفید به اندازه %9 نسبت به زمانی که از غشای PVDF خالص استفاده کردیم شد. دلیل این امر را میتوان اینگونه شرح داد که افزودن نانو ذرات به غشا به دلیل افزایش تخلخل غشا ، افزایش زاویه تماس سطح گاز و جاذب و همچنین افزایش سطح تماس مابین گاز و جاذب ، سبب افزایش حذف ذرات هیدروژن سولفید و کربن دی اکسید از مخلوط گازی میشود. همچنین نشان دادیم افزایش سرعت و غلظت جاذب ورودی به سیستم سبب افزایش راندمان سیستم در جهت حذف ذرات هیدروژن سولفید و کربن دیاکسید میشود و افزایش سرعت گاز ورودی به سیستم کاهش راندمان سیستم در جهت حذف ذرات هیدروژن سولفید و کربن دیاکسید را به دنبال دارد.

.1مقدمه

با توجه به رشد مصرف جهای انرژی در سده گذشته در صنعت ، بهره گیری از سوخت های فسیلی ، به عنوان منبعی سرشار از انرژی ،اجتناب ناپذیر می باشد . از جمله سوخت های فسیلی مورد استفاده می توان به منابع گازی اشاره کرد که با توجه به وجود منابعی عظیم از ذخایر گاز در مناطقی نظیر روسیه، خاورمیانه ، آمریکای شمالی ،استفاده از این منبع انرژی رو به افزایش است. علاوه بر تجدید ناپذیر بودن که ویژگی اصلی سوخت های فسیلی است، تغییرات آب و هوایی و گرم شدن جهانی یکی دیگر از مشکلاتی است که استفاده از سوخت های فسیلی ایجاد کرده است. تحقیقات نشان می دهد

نزدیک به 80 درصد گازهای گلخانه ای را کربن دی اکسید تشکیل می دهد .بر پایه گزارش ها نزدیک به نیمی از کربن دی اکسید آزاد شده در جو کره زمین ، از صنایعی است که از سوخت های فسیلی به عنوان خوراک خود استفاده میکنند

گاز سمی دیگری که اثرات مخرب زیادی دارد هیدروژن سولفید می باشد که علاوه بر سمی بون ، خورنده قوی می باشد .این گاز مهمترین عامل ایجاد باران های اسیدی و همچنین خورندی تجهیزات استفاده شده در صنایع با سوخت های گازی ناخالص است. با توجه به اینکه عمده ناخالصی موجود در گاز خوراک پالایشگاه ها ، کربن دی اکسید و هیدروژن سولفید می باشد ، به منظور استفاده بهینه تر از منابع موجود سوخت های گازی، باید این دو جز از سوخت جدا شوند. موارد ذکر شده در بالا و همچنین حساسیت رو به افزایش نهاد های مربوط به محیط زیست ، نیاز به تکنولوژی های موثر برای حذف و جذب آلاینده از سوخت های فسیلی را نشان میدهد.

یکی از تکنولوژی هایی که با حضور جاذب شیمیایی، فرایند جذب ذراتی نظیر کربن دی اکسید ، هیدروژن سولفید و جداسازی گازهایی چون متان و هوا را انجام می دهد تماس دهنده های غشایی فیبری توخالی1 هستند - شکل. - 1 که محققین مطالعاتی را بر روی آن انجام داده اند.

طراحی اصلی این سیستم به گونه ای می باشد که به کمک غشا ، یک تماس مستقیم بدون پخش شدگی ، به منظور انتقال جرم بین گاز و جاذب مایع برقرار می شود. در تماس دهنده غشایی، گاز در یک طرف غشا و مایع جاذب در طرف دیگر غشا در جریانند. سطح تماس به منظور انتقال جرم در حفارت غشا بین گاز و مایع ایجاد می شود.گاز با نفوذ به محیط متخلخل در سطح تماس با جاذب، جذب می شود.

کنترل دبی جریان های ورودی گاز و مایع به سیستم، سطح تماس ویژه بالا بین گاز و مایع به دلیل حضور غشا به طوری که با تغییر سرعت های ورودی گاز و مایع جاذب، سطح تماس بین دو فاز تابت می ماند[2] ، از جمله ویژگی هایی است که استفاده از این تکنولوژی را سبب شده است. می توان پارامترهایی چون خیس شدگی غشا ، نوع غشا ، نوع مایع جاذب و پارامترهای عملیاتی نظیر دما و فشار را مهمترین عوامل تاثیر گذار بر عملکرد سیستم دانست.

تحقیقات بسیار به منظور بهبود عملکرد غشاهای فیبر توخالی انجام پذیرفته است، از جمله مندال و همکارانش[3] جداسازی هیدروژن سولفید از یک مخلوط گازی حاوی دیاکسیدکربن و هیدروژن سولفید با استفاده از محلولهای آبی MDEA و AMP در یک ستون مرطوب را بررسی کردهاند.

تحقیقاتی که در سال 2004 توسط دیندور[4] انجام گرفت نشان داد در کنار جاذب های مختلف غشاهای PP و PVDF سازگاری بهتری نسبت به سایر غشاها دارند. از دیگر تحقیقات صورت گرفته در زمینه عملکرد غشاها می توان به تحقیقات کیزری[5] اشاره کرد.او عملکرد سه غشا آبگریز پرکاربرد PP , PVDF , PTEF را به منظور جذب CO2 به کمک غشای MEA موزد مطالعه قرار داد که نشان داد عملکرد جذب کربن دی اکسید در برای غشای PTFE از دو غشای دیگه بالاتر است و این غشا پایداری بهتری در طول فرایند دارد .در این مقاله سعی شده است عملکرد یک غشای فیبر توخالی را به منظور حذف همزمان کربن دی اکسید و هیدروژن سولفید از گاز طبیعی بررسی شود و تاثیر پارامترهای مختلف را مورد مطالعه قرار دهیم.

شکل.-2شماتیک 3 بعدی تماس دهنده غشایی

.3معادلات

سمت پوسته:

از ترکیب قانون فیک با معادله پیوستگی ، موازنه جرم کلی به دست می آید.

معادله پایستگی جرم پایا برای اجزا شامل کربن دی اکسید و هیدرژن سولفید در سمت پوسته که مخلوط گازی در جریان است و هیچ گونه واکنشی در سمت پوسته رخ نمی دهد. از رابطه های 2و3 به دست می آید.

.2شرح مدل

مدل دو بعدی از تماسدهنده غشایی به منظور حذف کربن دی اکسید و هیدروژن سولفید مورد بررسی قرار گرفت .نفوذ محوری و شعاعی در داخل غشا، سمت گاز درون پوسته و مایع درون لوله مورد توجه قرار گرفت. با توجه به اینکه مقاومت نفوذ از میان فاز گاز کمتر از مقاومت نفوذ در فاز مایع است، لذا بهتر است حفرات غشا از فاز گاز پر شوند و غشا هیچ گونه خیس شدگی نداشته باشد، لذا معادلات مدل را براساس غشای خشک[6] توسعه دادیم تا بازده عملکردی مدل بالاتر باشد. جاذب مورد استفاده در مدل را محلول MEA انتخاب کردیم. همانطور که در مدل سه بعدی نشان داده شده - شکل 2 - ، کنتاکتور غشایی مورد بررسی از سه قسمت پوسته ، غشا و لوله تشکیل شده است که حلال از سمت لوله در خلاف جهت مخلوط گازی وارد شده از

معادلات قسمت غشا :

با توجه به اینکه به منظور افزایش بازده سیستم غشا را بدون خیس شدگی در نظر گرفتیم لذا تنها مخلوط گاز در درون غشا حضور دارد. بنابراین، معادله پایستگی جرم پایا برای انتقال CO2 و H2S در داخل غشا شامل ترم نفوذ بوده و به فرم زیر است

شرایط مرزی مربوط به غشا :

ضریب m برای هر جز گازی بر مبنای قانون هنری محاسبه می شود.[7]

سمت تیوب :

در معادلات 8 الی 13 منظور از i اجزا گازی هیدروژن سولفید و کربن دی اسید می باشد.

-3,1سینیتیک واکنش ها

معادله واکنش CO2 با جاذب MEA به صورت زیر می باشد.[7]
CO2 + 2MEA → MEA+ + MEACOO−×     - 14 -

-3-2حل عددی

خصوصیت تماس دهنده غشایی مورد بررسی در جدول 1 آورده شده است. یک مدل ریاض2D جهت پیشبینی حذف ذرات CO2 و H2S از گاز متان با استفاده از یک روش CFD بر اساس روش المان محدود - FEM - شبیه سازی شد. معادلات مدل با شرایط مرزی مناسب و معادلات سرعت واکنش اعمال شد. فرضیات اصلی مدل برای شبیه سازی را می توان اینگونه نام برد.

.1فرض آرام بودن جریان در پوسته و لوله

.2غشا کاملا خشک باقی بماند.

معادله پایستگی جرم پایا برای انتقال CO2 و H2S، در حالی که با MEA در داخل تیوب واکنش میدهد، به همراه گونههای جدید تشکیل شده از واکنش شامل ترم نفوذ، کنوکسیون و واکنش بوده و به فرم زیر است:

.3فشار سمت لوله ثابت در نظر گرفته شده است.

.4شرایط فیزیکی سیال ثابت در نظر گرفته شد

جدول-.1مشخصات فیزیکی غشاهای مورد استفاده در مدل