19565

۱۹۵۶۵

مدل‌سازي و شبيه‌سازي ستون بسترثابت جذب واكنش‌دار كربن‌دي‌اكسيد

كارشاسي ارشد

مهندسي شيمي مدل سازي، شبيه سازي و كنترل

۱۳۹۶

اسفند ماه ۱۳۹۶

دكتر احد قائمي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين تحقيق به مدل‌سازي و شبيه‌سازي جذب فيزيكي و شيميايي CO2 در ستون بسترثابت پرداخته شده است. در ابتدا جاذب‌ها در يك سيستم بسته مدل‌سازي شده است. در مدل‌سازي جاذب، گرانول‌ها به صورت كروي فرض شده و با نوشتن موازنه‌ي جرم حول يك المان شعاعي، معادله‌ي ديفرانسيل جزئي حاكم به دست مي‌آيد. با اعمال شرايط مرزي و شرط اوليه‌‌‌ي حاكم، با توجه به فيزيك هر مسئله مي‌توان اين معادله را حل كرد، ولي به دليل پيچيدگي حل تحليلي آن، براي شبيه‌سازي از زيربرنامه‌ي pdepe نرم‌افزار متلب استفاده شده است. براي مدل‌سازي بسترثابت نيز ستون را در راستاي ارتفاع المان‌بندي كرده و با نوشتن موازنه‌ي جرم حول آن معادله‌ي ديفرانسيل جزئي حاكم به دست مي‌آيد. براي حل از روش خطوط در نرم‌افزار متلب استفاده شد. براي به دست آوردن شدت جذب در ستون بسترثابت نيز در شرط مرزي سطح جاذب، غلظت تعادلي را كه توسط مدل به دست آمده، قرار داده و به اين صورت شدت جذب در راستاي شعاع و بر حسب زمان به دست مي‌آيد. براي صحت‌سنجي جذب فيزيكي و شيميايي درسيستم بسته به ترتيب از داده‌هاي تجربي موجود براي جذب تعادلي CO2 توسط زئوليت 13X و سديم‌هيدروكسيد استفاده شد. براي صحت‌سنجي جذب فيزيكي و شيميايي در بسترثابت نيز به ترتيب از داده‌هاي تجربي موجود براي جذب CO2 توسط آلوميناي اصلاح شده و پلي‌اسپارتاميد استفاده شد. شدت جذب فيزيكي و شيميايي در سيستم بسته و بسترثابت در طول شعاع جاذب و بر حسب زمان و هم‌زمان غلظت آن در طول بستر و بر حسب زمان به دست آمد. مقدار در مقدار CO2 جذب شده روي جاذب زئوليت 13X بر حسب فشار، در منحني شكست CO2 روي پلي‌اسپارتاميد و در شدت جذب تعادلي تجربي و مدل‌سازي شده CO2 روي پلي‌اسپارتاميد بر حسب زمان ، 99/0 و RMSE براي آن‌ها تقريبا 10% است. نتايج بررسي اثر پارامترهاي مختلف مانند تاثير نرخ جريان خوراك، غلظت خوراك و ارتفاع بستر در جذب فيزيكي و شيميايي به اين صورت است كه با افزايش نرخ جريان خوراك، شيب منحني رخنه بيشتر مي‌شود و در نتيجه ميزان جذب كاهش يافته، با افزايش غلظت خوراك، منحني رخنه‌ي CO2 شيب بيشتري مي‌يابد. با افزايش ارتفاع بستر، شيب منحني رخنه كاهش مي‌يابد.

1397/07/10

Modeling and Simulation of Reactive Adsorption of CO2 in Fixedbed

3/10/2018 12:00:00 AM

In this research, modeling and simulation of the physical and chemical adsorption of CO2 in a closed system and fixed bed column are discussed. In the adsorbent modeling, the granules are supposed to be spherical and, by writing a mass balance around a radial element, a partial differential equation governing the variation of the intensity of adsorption along the radius and in terms of time is obtained. By applying the boundary condition and the initial condition, considering the physics of each problem, this equation can be solved, but because of the complexity of its analytical solution, the MATLAB pdepe sub-program is used for simulation. For the modeling of the fixed bed, the column is aligned along the height, and by writing the mass balance around it, the partial differential equation is obtained. The method of lines was used to solve in MATLAB. In order to obtain the adsorption rate in the fixed bed, also in the boundary condition of the adsorbent surface, the equilibrium concentration obtained by the model is obtained and thus the amount of adsorbate in the direction of the radius and in terms of time is obtained. To verify the physical and chemical adsorption in a closed system, the available experimental data for adsorbing of CO2 equilibrium by zeolite 13X and sodium hydroxide were used. In order to verify the physical and chemical adsorption in the fixed bed, the experimental data available for adsorbing CO2 by modifying alumina and polyaspartamide were used, and amount of adsorbate of physical and chemical adsorption in the fixed bed versus radius and time and simultaneously concentration of CO2 versus the length of the bed and time was obtained. Respectively the amount in the adsorption of CO2 on the zeolite 13X versus pressure, in the breakthrough curve of CO2 adsorption on polyaspartamide, and in the amount of CO2 adsorbed on the polyaspartamide versus time, are 0.99 and RMSE is approximately 10%. The results of the study of the effect of different parameters such as the effect of feed flow rate, feed concentration and bed height on physical and chemical adsorption. By increasing the flow rate of feed, the slope of breakthrough curve is increased, thus the amount of adsorbed decrease, the slope of Breakthrough curve is increased by increasing feed concentration, by increasing the bed height the slope of Breakthrough curve decreases.