مطالعه بر روی طرح بهبود جذب نوسان فشار

معرفی

با توسعه سریع صنعتی شدن و شهرنشینی، فناوری جداسازی و تصفیه گاز نقش مهمی در بسیاری از زمینه ها ایفا می کند. جذب نوسان فشار (PSA)، به عنوان یک فناوری موثر جداسازی گاز، به دلیل عملکرد ساده، مصرف کم انرژی و دامنه کاربرد وسیع، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است. فرآیند سنتی PSA هنوز دارای محدودیت هایی در کارایی جداسازی و استفاده از انرژی است که محققان را بر آن داشته است که به طور مداوم به دنبال روش های بهبود برای بهبود عملکرد آن باشند. این مقاله یک روش بهبود یافته مبتنی بر فناوری PSA را با هدف بهینه‌سازی فرآیند سنتی PSA و بهبود کارایی کاربرد آن در زمینه جداسازی و تصفیه گاز پیشنهاد می‌کند. از طریق بهینه‌سازی جاذب‌ها، تنظیم پارامترهای عملیاتی و طراحی دستگاه‌های جذب جدید، متعهد به دستیابی به راندمان جداسازی بالاتر و مصرف انرژی کمتر، در نتیجه توسعه بیشتر فناوری PSA است.

 

 

 

 

1 اصل و فرآیند سنتی جذب نوسان فشار
جذب نوسان فشار (PSA) فناوری است که جداسازی گاز را بر اساس ویژگی‌های جذب انتخابی جاذب‌ها روی مولکول‌های گاز انجام می‌دهد. اصل اساسی استفاده از اختلاف ظرفیت جذب جاذب برای گازهای اجزای مختلف در فشارهای مختلف و دستیابی به فرآیند جذب و دفع گاز با تنظیم فشار [13-4] است. در فرآیند PSA، مخلوط گاز معمولاً از یک بستر جاذب پر از جاذب مناسب عبور داده می شود. در مرحله فشار بالا، جزء هدف در مخلوط گاز توسط جاذب جذب می شود، در حالی که جزء غیر هدف از بستر جاذب عبور کرده و پس از تصفیه از سیستم تخلیه می شود. متعاقباً در مرحله کم فشار، با کاهش فشار، جزء هدف موجود در جاذب دفع و جمع آوری می شود تا گاز هدف خالص به دست آید.
فرآیند سنتی PSA معمولاً شامل مراحل زیر است: جذب، آزادسازی فشار، تصفیه، بازیافت و افزایش فشار.
1) جذب: در مرحله فشار بالا، مخلوط گاز از بستر جاذب عبور می کند، جزء هدف به طور انتخابی توسط جاذب جذب می شود و جزء غیر هدف از بستر جاذب عبور می کند.
2) انتشار فشار: پس از مرحله جذب، جزء هدف با کاهش فشار بستر جاذب شروع به واجذب می کند و در نتیجه به واجذب جزء هدف می رسد.
3) خالص سازی: جزء هدف دفع شده بیشتر توسط دستگاه تصفیه پردازش می شود تا یک گاز هدف با خلوص بالا به دست آید.
4) گردش مجدد: گاز هدف تصفیه شده می تواند مجدداً به سیستم تزریق شود تا فرصتی برای جذب مجدد فراهم شود.
5) افزایش فشار: با افزایش فشار بستر جاذب، جاذب به حالت جذب بالا برمی گردد تا برای سیکل بعدی آماده شود.
برخی مشکلات در کاربرد عملی فرآیند سنتی PSA وجود دارد که بهبود بیشتر عملکرد و کارایی آن را محدود می کند. اولاً، فرآیند سنتی PSA دارای یک چرخه طولانی است که منجر به چرخه تولید طولانی و ظرفیت تولید محدود می شود. زمان جذب طولانی نه تنها مصرف انرژی سیستم را افزایش می دهد، بلکه کاربرد وسیع آن را در تولید صنعتی محدود می کند. ثانیاً، یک مشکل زمانی نامتعادل در فرآیند سنتی PSA15-6 برای هر مرحله عملیات وجود دارد. تخصیص نامعقول زمان مراحل مختلف منجر به راندمان پایین سیستم و کاهش اثر جداسازی و راندمان تصفیه می شود. علاوه بر این، طراحی ساختار جاذب و روش گردش در فرآیند سنتی PSA نیز تأثیر خاصی بر عملکرد سیستم دارد. ساختار غیر منطقی جاذب منجر به جریان ضعیف گاز می شود و بر اثر جداسازی تأثیر می گذارد. روش گردش سنتی ممکن است مشکلاتی مانند نوسانات فشار زیاد و مصرف انرژی بالا داشته باشد.
به طور خلاصه، فرآیند سنتی PSA دارای مشکلاتی مانند زمان چرخه طولانی، زمان مرحله عملیات نامتعادل، ساختار جاذب غیرمنطقی و طراحی حالت چرخه است که کارایی کاربرد آن را در زمینه جداسازی و تصفیه گاز محدود می کند. بنابراین، بهبود فناوری PSA ضروری و از اهمیت بالایی برخوردار است.

 

 

 

 

2 بهینه سازی جاذب
2.1 انتخاب جاذب و ارزیابی عملکرد
جاذب یک جزء حیاتی در سیستم PSA است و انتخاب و عملکرد آن نقش کلیدی در اثر جداسازی و مصرف انرژی سیستم دارد. از نظر انتخاب جاذب، عواملی مانند خواص فیزیکی و شیمیایی گاز هدف، ظرفیت جذب و گزینش پذیری جاذب باید در نظر گرفته شود. جاذب های رایج مورد استفاده عبارتند از کربن فعال، غربال های مولکولی و غیره.
برای ارزیابی عملکرد جاذب می توان از روش هایی مانند آزمایش ایزوترم جذب و آزمایش جذب دینامیکی استفاده کرد. آزمایش ایزوترم جذب می تواند مقدار جذب گازهای اجزای مختلف توسط جاذب را اندازه گیری کند و منحنی ایزوترم جذب را بدست آورد. آزمایش جذب پویا می‌تواند عملکرد جذب جاذب را تحت شرایط فرآیند واقعی، از جمله شاخص‌هایی مانند نرخ جذب و انتخاب‌پذیری، شبیه‌سازی کند.
2.2 تکنولوژی اصلاح سطح جاذب
اصلاح سطح جاذب ها یکی از ابزارهای مهم برای بهبود عملکرد جذب آنها است. با تغییر خواص شیمیایی و ساختار منافذ سطح جاذب، می توان سطح سطح آن را افزایش داد، اندازه منافذ را تنظیم کرد و ظرفیت جذب و گزینش پذیری را بهبود بخشید.
روش‌های متداول اصلاح سطح جاذب شامل اشباع، رسوب، تبادل یونی و اصلاح شیمیایی [17-8] است. روش اشباع عبارت است از غوطه ور کردن جاذب در محلول خاص و تغییر خواص سطحی جاذب با واکنش شیمیایی یا جذب فیزیکی بین جاذب و ماده موجود در محلول. روش رسوب گذاری به این صورت است که لایه ای از مواد خاص مانند اکسیدهای فلزی یا ترکیبات عامل آلی را بر روی سطح جاذب برای افزایش فعالیت و گزینش پذیری جاذب قرار می دهند. روش تبادل یونی، یون های خاصی را بر روی سطح جاذب معرفی می کند تا خواص بار سطحی را تغییر دهد و در نتیجه گزینش پذیری جاذب را تنظیم کند. اصلاح شیمیایی عبارت است از معرفی گروه های عاملی شیمیایی روی سطح جاذب برای تغییر خواص شیمیایی و میل ترکیبی آن.
2.3 طراحی و سنتز جاذب های جدید
علاوه بر بهبود عملکرد جاذب های سنتی، عملکرد سیستم های PSA را نیز می توان با طراحی و سنتز جاذب های جدید بهبود بخشید. جاذب های جدید می توانند مواد ابتکاری بر اساس اصول و مواد مختلف باشند. به عنوان مثال، چارچوب های فلزی-آلی (MOFs) نوع جدیدی از جاذب با تخلخل بالا و ساختار قابل تنظیم هستند. MOF ها دارای مساحت سطح و حجم منافذ بسیار زیادی هستند که می تواند مکان های جذب بیشتری را فراهم کند، ظرفیت جذب و گزینش پذیری را بهبود بخشد9-101. علاوه بر این، نانومواد مانند نانولوله های کربنی و گرافن نیز ارزش کاربردی بالقوه ای را به عنوان جاذب نشان می دهند. طراحی و سنتز جاذب های جدید مستلزم در نظر گرفتن همه جانبه عواملی مانند عملکرد جذب، پایداری و هزینه آماده سازی است. جاذب های جدید با عملکرد جذب عالی را می توان از طریق بهینه سازی ساختاری، اصلاح عملکردی و بهبود فرآیندهای آماده سازی به دست آورد.
با بهینه‌سازی انتخاب و عملکرد جاذب‌ها، از جمله انتخاب و ارزیابی عملکرد جاذب‌ها، فناوری اصلاح سطح جاذب، و طراحی و سنتز جاذب‌های جدید، راندمان جداسازی و اثر خالص‌سازی سیستم‌های PSA را می‌توان به طور قابل‌توجهی بهبود بخشید و به توسعه بیشتر کمک کرد. از فناوری PSA بخش بعدی تأثیر بهینه سازی پارامترهای عملیاتی بر عملکرد سیستم های PSA را مورد بحث قرار خواهد داد.