شبیه سازی و بررسی اثرات جذب سطحی H2S توسط غربال مولکولی 4A برای جداسازی از گاز طبیعی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده

یکی از روش های پرکاربرد، حذف گاز اسیدی بر پایه جذب سطحی با استفاده از غربال های مولکولی جامد می‌باشد. مزایای جذب H2S با غربال مولکولی را می‌توان در بازگشت‌پذیری فرآیند، ثبات شیمیایی و حرارتی، عدم تولید محصول ثانویه، قدرت گزینش پذیری بالای H2S در این جاذب‌ها دانست. لذا در این پژوهش به منظور بررسی اثر عوامل مختلف بر جذب سطحی H2S بر روی جاذب غربال مولکولی 4A از نرم‌افزار Aspen-Adsim استفاده شده است. بستر موردنظر به صورت عمودی و یک بعدی در نظر گرفته شده است. نتایج مربوط به نمودارهای شکست و مدت زمان اشباع نشان داد که بیشترین میزان جذب در زمان‌های اولیه اتفاق می‌افتد و هر چه زمان جذب افزایش می‌یابد، نرخ جذب H2S کاهش پیدا می‌کند. نتایج بررسی اثر پارامترهای عملیاتی نشان داد که افزایش فشار برج از bar90 تا فشار bar104، محتوی H2S خروجی را به میزان ppm 21 کاهش می‌دهد. همچنین کاهش دمای خوراک، نتایج چشم‌گیری بر میزان جذب H2S و کاهش میزان H2S خروجی نشان داد، به طوری‌که به ازای هر یک درجه کاهش دما در گاز ورودی، مقدار ˚C6/1 از دمای نقطه شبنم خروجی کاسته شد. به دلیل بالا بودن میزان جاذب و ظرفیت گرمایی آن در مقایسه با میزان H2S موجود در فاز گاز، افزایش دمای ناچیزی در طول برج رخ می‌دهد به نحوی که اختلاف دمای ورودی و خروجی از ˚C1 تجاوز نمی‌کند. همچنین با توجه به نمودار شکست مشخص گردید که پس از گذشت 7920 ثانیه، کل بستر برج از مولکول‌های H2S اشباع می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] S. Mokhatab, W.A. Poe, and J.Y. Mak (2019) Handbook of Natural Gas Transmission and Processing Principles and Practices. 4th Edition, Gulf Professional Publishing, United States.
 
[2] A.J. Kidnay, W.R. Parrish, and D.G. McCartney (2019) Fundamentals of Natural Gas Processing, 3rd Edition, Boca Raton: CRC Press.
 
[3] A.L. Kohl and R. Nielsen (1997) Gas Purification. 5th Edition, Gulf Professional Publishing.
 
[4] J.D. Seader, E.J. Henley and D. K. Roper (2012) Separation Process Principles, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Inc.
 
[5] Y.-H. Cho, M. Mofarahi, K.-M. Kim and C.-H. Lee (2023) “Adsorptive removal of ultra-low concentration H2S and THT in CH4 with and without CO2 on zeolite 5A and 13X pellets”, Separation and Purification Technology. 322, 124200.
 
[6] R. Hubbard (2009) “The Role of Gas Processing in the Natural Gas Value Chain”, Journal of Petroleum Technology, 61(8), 65–71.
 
[7] D. D. Do (1998) Adsorption Analysis: Equilibria And Kinetics, Series on Chemical Engineering: Volume 2, Imperial College Press.
 
[8] J.M. Prausnitz (1999) Molecular thermodynamics of fluid- Phase Equilibria, 3rd Edition, Prentice Hall.
 
[9] P.A. Schweitzer (1996) Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers. New York: McGraw Hill.
 
[10] M. Suzuki (1990) Adsorption Engineering, Tokyo: Kodansh Ltd.
 
[11] Y.C. Lee, L.C. Weng, P.C. Tseng and C.C. Wang (2015) “Effect of pressure on the moisture adsorption of silica gel and zeolite 13X adsorbents”, Heat and Mass Transfer Journal, 51, 441–447.
 
[12] W. Kast (1988) Adsorption in the Gas phase, Weinheim.
 
[13] T. Yu, Z. Chen, Z. Liu, J. Xu and Y. Wang (2022) “Review of hydrogen sulfide removal from various industrial gases by zeolites”, Separations, 9(9), 229.
 
[14] O.T. Qazvini and S. Fatemi (2014) “Modeling and simulation pressure–temperature swing adsorption process to remove mercaptan from humid natural gas; A commercial case study”, Separation and Purification Technology, 139, 88-103.
 
[15] J.S. Ahari, Z. Shafiee, Kh. Mohammadbeigy, S. Pakseresht, M. Kakavand, M. Kolivand (2016) “Modeling and investigation of the operational parameters in the process of mercaptan and water removal from natural gas by adsorption on zeolite 13X”, Petroleum and Coal, 58(3): 307-320.
 
16] P. Cosoli, M. Ferrone, S. Pricl and M. Fermeglia (2008) “Hydrogen sulphide removal from biogas by zeolite adsorption Part I. GCMC molecular simulations”, Chemical Engineering Journal, 145(1), 86-92.
 
[17] G. Monteleone, M. D. Francesco, S. Gall, M. Marchetti and V. Naticchioni (2011) “Deep H2S removal from bjogas for molten carbonatefuel cell (MCFC) systems”, Chemical Engineering Journal, 173(2), 407-414.
 
[18] T. Kopaç (1999) “Non-isobaric adsorption analysis of SO2 on molecular sieve 13X and activated carbon by dynamic technique”, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 38 (1), 45-53.
 
[19] W. Lutz, M. Suckow and M. Bulow (1990) “Adsorption of hydrogen sulphide on molecular sieves: No enrichment in the presence of carbon dioxide”, Gas Separation and Purification, 4(4), 190-196.
 
[20] J. Nastaj and B. Ambrozek (2015) “Analysis of gas dehydration in TSA system with multi-layered bed of solid adsorbents”, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 96, 44–53.
 
[21] K. Kmetty, A. Lorant, G. Horvath and L. Aranyi (1996) “Production of high purity CH products by liquid adsorption on molecular sieve materials”, Computers and Chemical Engineering, (20), S1521-S1525.
 
[22] H. Heck, M.L. Hall, R.d. Santos and M.M. Tomadakis (2018) “Pressure swing adsorption separation of H2S/CO2/CH4 gas mixtures with molecular sieves 4A, 5A, and 13X”, Separation Science and Technology, 53(10), 1490-1497.
 
[23] A.G. Georgiadis, N. D. Charisiou, S. Gaber, K. Polychronopoulou, I.V. Yentekakis and M.A. Goula (2021) “Adsorption of Hydrogen Sulfide at Low Temperatures Using an Industrial Molecular Sieve: An Experimental and Theoretical Study”, ACS Omega, 6(23), 14774–14787.
 
[24] N. Lorpradit, Y. Khunatorn, N. Jaruwasupant and S. Shimpalee (2022) “Binary gas dehydration using molecular sieve 4A within the pressure-vacuum swing adsorption” , Energy, 239, Part B, 122137.
 
[25] M. Rahmani, B. Mokhtarani and N. Rahmanian (2023) “High pressure adsorption of hydrogen sulfide and regeneration ability of ultra-stable Y zeolite for natural gas sweetening”, Fuel, 343, 127937.
 
[26] M. Abdirakhimov, M. H. Al-Rashed and J. Wójcik (2022) “Recent Attempts on the Removal of H2S from Various Gas Mixtures Using Zeolites and Waste-Based Adsorbents”, Energies, 15(15), 5391.
 
[27] A. Afshardoost and M. A. Fanaei (2023) “A simulation study of reducing carbon dioxide and hydrogen sulfide adsorption in dehydration beds”, Chemical Engineering Research and Design, 196, 158-170.
 
[28] Adsorption reference guide, Aspen adsim 2004.1, Aspen Technology, Inc.
 
[29] A.L. Kohl and R. Nielsen (1997) Gas Purification, 5th Edition, Gulf Publishing Company, Houston, TX.
 
[30] M.A. Granato, V.D. Martins, J.C. Santos, M. Jorge and A.E. Rodrigues (2014) “From Molecules To Processes: Molecular Simulations Applied to The Design Of Simulated Moving Bed For Ethane/ethylene Separation”, Canadian Journal of Chemical Engineering, 92(1), 148–155.
 
[31] I.A. Kakavandi, E.J. Shokroo, M. Baghbani and M. Farniaei (2017) “Dynamic modeling of Nitrogen adsorption on Zeolite 13X bed”, Fluid Mechanics Research International Journal, 1(1), 20-24.
 
.
 
 [32] M. Megawati, D. Wicaksono and M.S. Abdullah (2017)  “Experimental study on the adsorptive-distilation for dehydration of Ethanol-Water mixture using natural and synthetic Zeolites”, Engineering International Conference `A(EIC), Proceedings of the 5th International Conference on Education, Concept, and Application of Green Technology, Semarang, Indonesia.
 
[33] B. Shirani, T. Kaghazchi and M. Beheshti (2010) “Water and Mercaptan adsorption in 13x Zeolite in Natural gas purification process”, Korean Journal of Chemical Engineering, 27, 253–260