شماره ركورد
34704
پديد آورنده
كسري كريمي دخرآباد
عنوان
شبيه سازي فرآيند برج جذب كربن دياكسيد بر پايه جاذبهاي زئوليتي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي گرايش طراحي فرآيند
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/12/19
استاد راهنما
دكتر احد قائمي
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مهندسي شيمي، نفت و گاز
چكيده
پژوهش حاضر با هدف ارزيابي دقيق عملكرد جاذب زئوليتي K CHA در دو مقياس نانو و ميكرون براي جذب كربن دياكسيد و همچنين طراحي يك سيكل عملياتي بهينه بر پايه تحليلهاي آماري و الگوريتمهاي هوشمند انجام شده است. نوآوري اصلي اين تحقيق، تركيب همزمان شبيهسازي ديناميكي، طراحي آزمايش آماري و يادگيري ماشين براي ارائه يك چارچوب جامع پيشبيني و بهينهسازي فرآيند جذب سطحي است. در گام نخست، مدل ديناميكي فرآيند جذب در نرمافزار Aspen Adsorption توسعه داده شد. اعتبارسنجي دقيق مدل از طريق مقايسه منحنيهاي شكست شبيهسازيشده با دادههاي تجربي در دماهاي 20، 40 و 60 درجه سانتيگراد انجام گرفت كه ميانگين خطاي كمتر از 5 درصد را نشان داد. اين دقت بالا، توانايي مدل در بازنمايي رفتار واقعي انتقال جرم و گرما در بستر را تأييد كرد. تحليل پروفايلهاي دما و بارگذاري نيز آشكار ساخت كه جاذب نانوساختار با ايجاد ناحيه انتقال جرم باريكتر و منحني شكست تندتر، عملكردي برتر نسبت به جاذب ميكروني ارائه ميكند؛ نتيجهاي كه اهميت مهندسي ابعاد ذرات را بهروشني نشان ميدهد. در گام دوم، يك طراحي آزمايش بر پايه روش سطح پاسخ با پنج متغير كليدي شامل دما، فشار، درصد مولي دياكسيدكربن در خوراك، ضريب انتشار محوري و نوع جاذب انجام شد. تحليل آماري، مدل چندجملهاي درجه دوم با ضريب تعيين پيشبينيشده 9822/0 را بهعنوان بهترين مدل معرفي كرد. نوآوري مهم اين بخش، استفاده ساختارمند از طراحي آزمايش براي ايجاد يك چارچوب كمّي جهت طراحي مجموعه شبيهسازيهاي ديناميكي بود. در مرحله بعد، سه مدل يادگيري ماشين شامل تابع پايه شعاعي، رگرسيون بردار پشتيبان و رگرسيون فرآيند گاوسي توسعه يافت. ارزيابي عملكرد اين مدلها نشان داد كه رگرسيون فرآيند گاوسي با ضريب تبيين 9875/0 و RMSE برابر با 0708/0 بهترين دقت پيشبيني را دارد. نوآوري اصلي اين بخش، بهكارگيري تركيبي يادگيري ماشين و مدلسازي ديناميكي براي تحليل دقيق اثر پارامترهاي عملياتي و فراهمسازي يك ابزار تصميمسازي قابلاعتماد است. يكي ديگر از نوآوريهاي اساسي اين پژوهش، انجام تحليل حساسيت دوگانه براي نخستين بار در اين نوع سامانه است. نتايج نشان داد كه دما مهمترين عامل تعيينكننده ظرفيت كل سيستم است، در حالي كه فشار نقش اصلي را در تغييرات لحظهاي فرآيند ايفا ميكند. اين يافته، مبناي علمي طراحي سيكل عملياتي جديد و تركيبي جذب نوسان دما-خلأ شد. شبيهسازي اين سيكل نشان داد كه تركيب افزايش دما و اعمال خلأ موجب تخليه عميقتر جاذب و حفظ ظرفيت جذب در سيكلهاي متوالي ميشود. ارزيابي نهايي عملكرد سيكل تركيبي، خلوص 70/70 درصد و بازيابي 50/88 درصد را براي محصول كربن دياكسيد نشان داد كه بهبود قابلتوجهي نسبت به سيكلهاي تكبعدي به شمار ميرود و كارآمدي عملي روش پيشنهادي را تأييد ميكند. اين مجموعه نتايج نشان ميدهد كه پژوهش حاضر با ارائه يك رويكرد يكپارچه شامل مدلسازي دقيق، تحليل آماري، يادگيري ماشين و طراحي سيكل تركيبي، چشمانداز جديدي براي بهبود فرآيندهاي جذب گاز و توسعه جاذبهاي پيشرفته فراهم كرده است.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/05
عنوان به انگليسي
Simulation of CO2 Adsorption Bed Process Based on Zeolite Adsorbents
تاريخ بهره برداري
3/10/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
كسري كريمي دخراباد
چكيده به لاتين
The present study was conducted with the aim of rigorously evaluating the performance of the zeolitic adsorbent K-CHA at both nano and micron scales for CO_2capture, as well as designing an optimal operational cycle based on statistical and intelligent analyses. The primary novelty of this research lies in the simultaneous integration of dynamic simulation, statistical design of experiments (DoE), and machine learning to provide a comprehensive framework for the prediction and optimization of the adsorption process. In the first step, a dynamic model of the adsorption process was developed using Aspen Adsorption software. The rigorous validation of the model, conducted by comparing the simulated breakthrough curves with experimental data at 20, 40, and 60 °C, demonstrated an average error of less than 5%. This high precision confirmed the model’s capability to faithfully represent the actual mass and heat transfer behaviors within the bed. Analysis of the temperature and loading profiles also revealed that the nanostructured adsorbent, by forming a narrower mass transfer zone and generating a breakthrough curve with a steeper slope, exhibited considerably superior performance compared to its micron-sized counterpart; a result that clearly highlights the importance of particle size engineering. In the second step, a design of experiments based on the Response Surface Methodology (RSM) was conducted using five key variables: temperature, pressure, CO_2mole fraction in the feed, axial dispersion coefficient, and adsorbent type. Statistical analysis identified a second-order polynomial model with a predicted coefficient of determination (R^2) of 0.9822 as the best-fitted model. A significant novelty of this section was the structured application of DoE to establish a quantitative framework for designing the set of dynamic simulations. Subsequently, three machine learning algorithms, including Radial Basis Function (RBF), Support Vector Regression (SVR), and Gaussian Process Regression (GPR), were developed. Performance evaluation of these models demonstrated that the GPR model yielded the highest prediction accuracy, with an R^2value of 0.9875 and a Root Mean Square Error (RMSE) of 0.0708. The main innovation here was the combinatorial use of machine learning and dynamic modeling to meticulously analyze the impact of operational parameters and provide a reliable decision-making tool. Another fundamental novelty of this research is the execution of a dual sensitivity analysis, performed for the first time on such a system. The results highlighted the decisive role of temperature as the dominant factor determining the overall system capacity, while pressure acts as the primary driving force for instantaneous process fluctuations. This finding provided the scientific basis for designing a novel and combined Temperature-Vacuum Swing Adsorption cycle. Simulation of this cycle demonstrated that the integrated application of heating and vacuum leads to a deeper regeneration of the adsorbent and preserves its adsorption capacity over successive cycles. The final performance evaluation of the hybrid cycle yielded a CO_2product purity of 70.70% and a recovery of 88.50%, representing a significant improvement over single-mode adsorption cycles and validating the practical efficacy of the proposed method. Collectively, these results indicate that the present study, by offering an integrated approach encompassing precise modeling, statistical analysis, machine learning, and hybrid cycle design, provides a new perspective for enhancing gas adsorption processes and developing advanced adsorbents.
كليدواژه هاي فارسي
شبيهسازي ديناميك , الگوريتمهاي يادگيري ماشين , تحليل حساسيت , كربن دياكسيد , جذب نوسان دما-خلأ
كليدواژه هاي لاتين
Dynamic Simulation , Machine Learning Algorithms , Sensitivity Analysis , CO2 , Temperature-Vacuum Swing Adsorption
Author
Kasra Karimi Dakhrabad
SuperVisor
Dr. Ahad Ghaemi