عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی فرایند جذب و جداسازی مخلوط گازهای سبک (دی اکسید کربن - متان) بر روی جاذب هسته - پوسته سرامیکی- زئولیتی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندهای جداسازی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1095.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 51795
- تاریخ دفاع
- ۳۰ بهمن ۱۳۹۰
- دانشجو
- سعید محزون
- استاد راهنما
- شهره فاطمی
- چکیده
- در این پروژه عملکرد غربال مولکولی SAPO-34 لایه¬نشانی¬شده، در فرآیندهای سیکلی پیوسته جذب سطحی (PSA و TPSA) برای جداسازی CO2 از گاز طبیعی بررسی شده است. به این منظور ابتدا مدل¬سازی ریاضی فرآیند جذب سطحی انجام شده است و بسته نرم¬افزاری در محیط MATLAB، برای آن تهیه شده است. بسته نرم¬افزاری موجود قابلیت شبیه¬سازی بسترهای جذب پرشده با جاذب¬های معمولی و نیز جاذب¬های هسته- پوسته را دارا می¬باشد. شبیه¬سازی فرآیندهای سیکلی پیوسته جذب سطحی (PSA و TPSA) از دیگر توانایی¬های این بسته نرم¬افزاری است. ارزش¬گذاری و تبیین صحت مدل با استفاده از نتایج آزمایشگاهی جذب و جداسازی دی¬اکسیدکربن از مخلوط گازی CH4/CO2 توسط غربال مولکولی SAPO-34 لایه¬نشانی¬شده بر روی پایه بی¬اثر سرامیکی مورد بررسی قرار گرفت و تأیید شد. به کمک مدل ارائه¬شده، عملکرد، کارآمدی و چالش¬های پیش¬رو در استفاده از جاذب¬های هسته- پوسته در فرآیندهای جذب سطحی مورد مطالعه قرار گرفت؛ و با مشاهده پتانسیل فوق¬العاده این نوع جاذب¬ها در افزایش راندمان فرآیندهای جذب سطحی، پیش-بینی می¬گردد در آینده نزدیک، جاذب¬های رایج صنعتی جای خود را به جاذب¬های هسته- پوسته بدهند. دلیل بهبود عملکرد جاذب¬های هسته- پوسته را می¬توان کاهش عمق نفوذ و افزایش سطح در دسترس جاذب بیان کرد. همچنین مشاهده شد که برای جاذب¬های هسته- پوسته، یک بازه مؤثر برای ضخامت لایه جاذب وجود دارد که کاهش ضخامت لایه در این بازه، عملکرد بستر را به¬شدت بهبود می¬بخشد؛ این بازه تابعی از ضریب نفوذ مؤثر جاذب لایه¬نشانی¬شده و شعاع پایه می¬باشد. نکته قابل توجه دیگر در این مشاهدات را می-توان چنین بیان کرد که استفاده از جاذب¬های دارای مقاومت نفوذ سطحی بیشتر به¬صورت هسته-پوسته، مؤثرتر و ضروری¬تر می¬نماید. در انتهای این پروژه، به¬منظور استفاده از غربال مولکولی SAPO-34 به¬صورت هسته- پوسته جهت جداسازی CO2 از گاز طبیعی در یک فرآیند TPSA در مقیاس پایلوت، افزایش مقیاس انجام پذیرفت؛ و برای دست¬یابی به خلوص 5/98%، به کمک روش ¬آماری رویه پاسخ و با استفاده از نرم¬افزار Design Expert 7.0.0، بهینه¬سازی شرایط عملیاتی فرآیند از جمله دما، فشار و نسبت جریان دفع به خوراک انجام شد، و مقدار بازیابی 90% برای شرایط بهینه فرآیند (دمای320 کلوین، فشار 34/8 اتمسفر و نسبت جریان دفع به خوراک برابر با 02/0) برآورد شد.
- Abstract
- In the present work, modeling of dynamic adsorption of CO2 and CH4 mixture was studied by the SAPO-34 core-shell adsorbent and a TPSA process was proposed, modeled and optimized numerically for separation of the so-called gases. The dynamic adsorption of the gas mixtures was studied comparatively in packed bed of conventional and core-shell SAPO-34 adsorbent. Mathematical model approved higher performance and efficiency of core-shell adsorbent made by a shell of SAPO-34 on the inert core of ceramic in dynamic adsorption. This high efficiency was observed in both sections of adsorption and desorption steps of the gases. The core-shell adsorbent influenced on both shape of mass transfer zone and breakthrough time because of decreasing the intraparticle resistance and it could decrease the useless length of the adsorbent bed, especially for the systems which the intraparticle diffusion resistance is significant. It was observed that there would be an effective layer thickness as a function of the intraparticle diffusion resistance and core radius which could better improve the performance of the dynamic adsorption. Validation of the model was investigated and approved using experimental results of CO2 separation from CO2/CH4 gas mixture by micrometer-sized core-shell particles containing an inert ceramic core and a thin perm-selective SAPO_34 shell. Finally the dynamic model was applied for modeling the cyclic adsorption process of PSA and TPSA, comparatively. Both methods showed good performance, however TPSA presented higher purity but the same recovery. The optimization of TPSA process was carried out using the model to approach to the targeted purity with higher recovery. The operational parameters such as desorption temperature, adsorption pressure, and purge to feed ratio were analyzed and optimized by the statistical design study. It was concluded that at 320 K, 8.34 atm and 0.02 purge to feed ratio, CO2 impurity was reduced from 10% to 1.5% in methane mixture, as required by the fuel grade of natural gas and the optimal recovery of outlet methane was determined 90%.
