مقدمه
امروزه کاربرد های وسیع هیدروژن در صنعت به خصوص نقش آن به عنوان حامل انرژی، این گاز را مورد توجه گسترده محققین قرار داده است. بیش از 80 درصد از واحد های امروزی تولید هیدروژن، از روش تغییر فرم هیدروکربن ها استفاده می کنند. مخلوط گازی خروجی از فرآیند تغییر فرم هیدروکربن ها گاز سنتز نام دارد. غالبا در کنار هیدروژن ناخالصی هایی مثل کربن دی اکسید، کربن منو اکسید، متان و نیتروژن به همراه دارد. جذب تناوبی فشار یکی از مقرون به صرفه ترین روشهای خالص سازی هیدروژن از این مخلوط گازی در مقیاس صنعتی به شمار می رود. اما با این وجود، هزینه های عملیاتی و محدودیت های آزمایشگاهی فرآیند جذب تناوبی فشار باعث شده است، شبیه سازی این فرآیند دارای اهمیت بالایی باشد. در این پروژه به شبیه سازی فرایند جداسازی هیدروژن در برج TSA می پردازیم.
فرآیند TSA
جـذب بـا تغییـرات متنـاوب دمـا یـا TSA از متداولتریـن روشهــای جداســازی جــذب ســطحی میباشــد. جــذب سـطحی فرآینـدی گرمـازا اسـت و بنابرایـن بـا افزایـش دمـا میـزان جـذب کاهـش مییابـد. در روش TSA دمـا در مرحلــه جــذب پاییــن آورده شــده و در مرحلــه دفـع افزایـش مییابـد. مرحلـه احیـاء معمـولا بـا عبـور بخشـی از جریـان محصـول گازی کـه قابلیـت پاکسـازی بسـتر را دارد و یـا جریانـی از یـک گاز دیگـر کـه مقـدار جـذب آن در بســتر ناچیــز اســت، انجــام میشــود. جریــان احیـاء قبـل از ورود بـه داخـل بسـتر، پیشگـرم شـده و ســپس وارد بســتر میشــود. معمــولا بــا انجــام عملیــات احیــاء در دمــای بــالا، بســتر بــه خوبــی پاکســازی شــده و میتوانــد آمــاده ورود بــه ســیکل بعــد باشــد. شکل زیر واحد جداسازی هیدروژن در برج های TSA را نشان می دهد.
مزایای فرآیند TSA
- انتخاب‌پذیری بالا: با انتخاب جاذب مناسب، می‌توان هیدروژن را با خلوص بسیار بالا از مخلوط‌های گازی جدا کرد.
- انعطاف‌پذیری: فرآیند TSA برای جداسازی طیف وسیعی از گازها قابل استفاده است.
- سادگی نسبی: تجهیزات مورد استفاده در این فرآیند نسبتاً ساده و کم هزینه هستند.
- دوستدار محیط زیست: این فرآیند از نظر زیست محیطی سازگار است و از مواد شیمیایی مضر استفاده نمی‌کند.
کاربردهای فرآیند TSA
- جداسازی هیدروژن: مهمترین کاربرد TSA جداسازی هیدروژن از مخلوط‌های گازی مانند گاز سنتز است.
- جداسازی گازهای نجیب: جداسازی گازهای نجیب مانند هلیوم و نئون از هوا
- خشک کردن گازها: حذف رطوبت از گازها
- تصفیه گازهای صنعتی: حذف ناخالصی‌ها از گازهای صنعتی
عوامل موثر بر عملکرد TSA
- نوع جاذب: انتخاب جاذب مناسب برای هر گاز خاص بسیار مهم است.
- دما: دمای جذب و دفع بر میزان جذب و دفع گازها تاثیرگذار است.
- فشار: فشار نیز بر میزان جذب گازها تاثیر دارد.
- سرعت جریان گاز: سرعت جریان گاز بر زمان تماس گاز با جاذب و در نتیجه راندمان فرآیند تاثیرگذار است.
روش جذب سطحی نوسان فشار (PSA)
جذب سطحی نوسان فشار (Pressure Swing Adsorption یا PSA) یکی دیگر از روشهای پرکاربرد برای جداسازی گازها است که مکمل روش TSA (جذب سطحی با نوسان دما) است. در این روش، از تغییرات فشار برای جذب و دفع گازها استفاده می‌شود.
اصول کار PSA
در فرآیند PSA، از خاصیت جذب سطحی مواد جامد (جاذب‌ها) برای جداسازی اجزای مختلف یک مخلوط گازی تحت فشار استفاده می‌شود. مراحل اصلی این فرآیند به شرح زیر است:
- جذب (Adsorption): مخلوط گازی تحت فشار بالا وارد یک بستر پر از جاذب می‌شود. در فشار بالا، مولکول‌های گاز به سطح جاذب چسبیده و جذب می‌شوند. میزان جذب هر گاز به نوع گاز و فشار بستگی دارد.
- دفع (Desorption): پس از اشباع شدن جاذب، فشار کاهش می‌یابد. با کاهش فشار، پیوند بین مولکول‌های گاز و جاذب ضعیف شده و گازهای جذب شده از سطح جاذب جدا شده و به صورت گاز خالص یا با خلوص بالا جمع‌آوری می‌شوند.
- احیا (Regeneration): پس از دفع گاز، جاذب برای چرخه بعدی جذب آماده می‌شود. این کار معمولاً با کاهش فشار و عبور یک گاز بی‌اثر از بستر انجام می‌شود.
تفاوت بین PSA در مقابل TSA
PSA به طور گسترده ای برای جداسازی گازها استفاده می شود ، در روش خشک کردن گاز به روش جذب در فشار بیشتر و دفع تحت فشار کاهش یافته PSA متغیر نیز می گویند ، دفع عموماً تحت فشار اتمسفر انجام می شود، برخی از تخلیه برای کاهش فشار استفاده می کنند، به سادگی ماده خشک کننده ای که آب را تحت فشار بالا در برج جذب کرده است، کاهش به فشار اتمسفر تقریباً دفع نیست، پس از کاهش فشار، باید به داخل برج منتقل شود.
گاز مجدد با رطوبت نسبی کمتر، حتی اگر فشار جزئی فشار بخار آب گاز مجدد کمتر از فشار بخار آب تعادلی کمتر از فشار بخار آب تعادلی در سطح ماده خشک‌کننده باشد، دفع می تواند تکمیل شود. بنابراین PSA از این اصل استفاده می کند که وقتی دفع تحت فشار کاهش یافته انجام می شود، فشار جزئی بخار آب کاهش می یابد و ظرفیت جذب کاهش می یابد.
شبیه سازی فرایند جداسازی هیدروژن در برج TSA
در این پروژه فرایند جداسازی هیدروژن در برج دما متناوب به کمک نرم افزار Aspen Adsim شبیه سازی شده است. همچنین این پروژه دارای فیلم آموزشی می باشد. جهت خرید پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر در مورد آن، از طریق لینک زیر اقدام نمایید.