عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی فرآیند تجاری حذف مرکاپتان از گاز طبیعی به روش جذب سطحی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندهای جداسازی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1536.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66609
- تاریخ دفاع
- ۱۵ دی ۱۳۹۳
- دانشجو
- امید طاهری قزوینی
- استاد راهنما
- شهره فاطمی
- چکیده
- در این رساله مدلسازی و شبیه سازی فرآیند صنعتی سیکلی جذب سطحی با تناوب توامان فشار و دما برای حذف مرکاپتان از گاز طبیعی انجام شد. هدف واحد کاهش مرکاپتان های خروجی همراه گاز طیعی به مقدار استاندارد زیرppmv 10 می باشد. این واحد صنعتی از شش بستر دو لایه که آلومینا در بالای بستر و زیولیت X13 در پایین بستر تعبیه شده است، تشکیل می شود. خوراک در فشار بالا به صورت یک گاز متشکل از متان، بخار آب، مرکاپتان ها،کربن دی اکسید، و هیدروکربن های سنگین به عنوان پروپان در نظر گرفته شد. سیکل فرایندی شامل مراحل جذب در فشار بالا، کاهش فشار بستر، احیا بستردر دو مرحله گرمایش با بخشی از جریان محصول، سرد سازی بستر و افزایش فشار با خوراک می باشد. بسترها در شرایط ادیاباتیک کار می کنند و جهت گرمایش وسرمایش از جریان گاز گرم و سرد استفاده می شود. در شبیه سازی این فرآیند در شرایط دینامیک با در نظر گرفتن مدل یک بعدی با پراکندگی محوری برای رژیم جریان گاز در داخل بستر معادلات موازنه جرم و انرژی و افت فشار برای فاز گاز در نظر گرفته شد. موازنه جرم و انرژی دانه ها به صورت توده ای درنظر گرفته شد و حدتعادل جذب برای اجزاء بر اساس معادله توسعه یافته لانگمیر به صورت تابعی ازدما برای مخلوط گازها در جاذب در نظر گرفته شد. مدل سینتیک جذب در دانه ها همراه با نیروی محرکه خطی برای فاز جامد در نظر گرفته شد. افت فشار با معادله ارگن و تغییر سرعت حرکت گاز در اثر موازنه جرم کلی گاز در بستر به علت جذب مواد مورد توجه قرار گرفت. در این رساله از شبیه ساز Aspen Adsorption, V.7.2 برای شبیه سازی سیکلی این واحد استفاده شد. فرایند سیکلی پس از 7 مرحله اجرای سیکل جذب- دفع به حالت پایا رسید و سپس نتایج خروجی شامل غلظت اجزاء گاز در خروجی در مرحله جذب و گرمایش و همینطور منحنی غلظت زمان مرکاپتان در خروجی بستر، با داده های تجربی برگرفته از مقادیر صنعتی مقایسه و صحت مدل تایید شد. اثرعوامل اغتشاش غلظت و دمای خوراک، و نیز اثر شرایط عملیاتی شامل دبی جریان احیا کننده، دمای جریان گرمایش درمرحله اول و در مرحله دوم، فشار مرحله جذب و اثر لایه آلومینا در این شبیه سازی بر روی خلوص گاز خروجی و راندمان فرایند بررسی شد. در این پروژه نتیجه شد که در صورت کاهش فشار گاز در مرحله جذب از bar 68 به bar 60، کم شدن نسبت دبی جریان احیاکننده به خوراک از 0.06 به 0.04، کاهش دمای مرحله اول گرمایش از C 180به C 165 و دمای مرحله دوم گرمایش از C290 به C 245، هنوز میتوان به جداسازی مورد نظر برای مرکاپتان (زیرppmv 10) دست یافت. در نهایت جهت بهینه سازی شرایط عملیاتی برای دستیابی به مقدار بهینه دو تابع هدف شامل جداسازی تا حد مجاز مرکاپتان و نیز کمینه کردن هزینه های مصرفی، اثرکلیه پارامترهای عملیاتی به طور همزمان با استفاده از روش آماری رویه پاسخ و با در نظر گرفتن دو اثر اغتشاش در غلظت مرکاپتان ورودی و دمای خوراک انجام شد و محدوده کنترل پارامترهای عملیاتی بهینه جهت رسیدن به حد استاندارد و کاهش هزینه ها پیشنهاد شد.
- Abstract
- Simulation and optimization of Pressure-Temperature Swing Adsorption (PTSA) process was performed in a commercial two-layer six-bed adsorption system during six sequential steps of cyclic operation to remove mercaptans from natural gas. The feed is a mixture of methane with water vapor, carbon dioxide, heavy hydrocarbons (C3+) and mercaptan impurities. The process is working in the cyclic operational mode to continuously reduce the mercaptan content from 134 to less than 10 ppmv which is determined as the standard level in the environmental regulations. The bed consists of two layers of activated alumina to effectively remove water vapor and 13X zeolite to remove mercaptan, respectively, from natural gas. The cycle steps i.e. adsorption at high pressure, depressurization to the lower pressure, two steps heating with purging hot purified natural gas, cooling the column and pressurization by feed were simulated sequentially. The dynamic model equations were constructed from four mole balances; model molecule of mercaptans (C2), model molecule of heavy hydrocarbons (C3), carbon dioxide and water vapor in natural gas, a total mass balance, a pressure drop equation and two energy balances of solid and gas phases in the adiabatic column. It was observed that the cyclic adsorption was approached to the steady conditions after seven cycles running the program. The predicted molar fractions out of the process were compared with the real results and good agreement was observed between the real data and simulated results. The influential parameters of the process were investigated through a parametric analysis of the process efficiency. Pressure of adsorption stage, purge to feed ratio at regeneration step and temperature of the 1st and 2nd heating steps were found to be the most influential parameters affecting the natural gas purification efficiency. The results revealed that with reduction of adsorption pressure from 68 bar to 60 bar, changing purge/feed ratio from 0.06 to 0.04, and reducing regeneration temperatures from 180 C to 165 C in first heating stage and 290 C to 245 C in second heating stage, the product would still be purified to allowed mercaptan amount. The optimization of the processe with two objective functions of minimum operating cost and mercaptan concentration under allowed amount was performed. In addition the effect of two disturbance parameters of mercaptan input concentration and feed temperature was simultaneously investigated based on Design of Experimental Method (RSM). Finally optimum conditions of operating parameters were suggested.
