SUPERVISOR
Rohallah Hashemi,Mohsen Mohammadi,Mohammad Reza Ehsani
روح اله هاشمی (استاد راهنما) محسن محمدی (استاد راهنما) محمدرضا احسانی (استاد مشاور)
STUDENT
Erfan Khanmohammadian
عرفان خانمحمدیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Experimental investigation of CO2 removal from a CO2/CH4 gas mixture using gas hydrate formation in the presence of modified nanoparticles
The formation of gas hydrates is known as one of the main problems in natural gas traortation pipelines in the industry. The subject of main researches in this area relates to the equilibrium conditions of gas hydrate formation and the effect of inhibitors on the P-T curve of gas hydrate. However, in recent years, the positive features of hydrate for storing and traorting of gases as well as separating the mixture of gases have been considered in the scientific researches. Regarding to the difference of thermodynamic conditions of hydrate formation for various gases, the gas mixtures can be separated by providing the conditions for the formation of hydrate of one of the components of a gas mixture. In this study, the separation of CO 2 from the mixture of CO 2 and CH 4 is investigated using the formation of gas hydrates. Generally, the separation factor has a low value for this mixture, as a result of close values of equilibrium conditions of hydrate formation in the presence of CO 2 and CH 4 . Therefore, increasing the separation efficiency and the process's selectivity is one of the issues that is being investigated. The main objective of this study is related to the investigation of the influence of adding nanoparticles to the aqueous phase on the various parameters such as initial pressure (driving force), gas to liquid ratio and nanoparticle concentration on gas consumption ( n H ), separation factor (S.F) and recovery factor (R) of CO 2 in the process of hydrate based separation of CO 2 from the CO 2 and CH 4 gas mixture. In this work, the process of hydrate based CO 2 capture from CO 2 and CH 4 gas mixture (74 mol% CH 4 and 26 mol% CO 2 ) was studied in the presence of silica nanoparticles (both in pure form and in the presence of KOH) and modified silica. To this purpose, a high pressure vessel was prepared for the gas hydrate formation and dissociation. In order to achieve this aim, all experiments were carried out at a fixed temperature (277.15 K) and two pressures of 30 and 40 bar. It was observed that the presence of nanoparticles enhance the gas consumption, separation factor and recovery factor in all systems, except for the modified silica. The optimum condition was observed for the nanofluid silica + KOH system which in this case, gas consumption, separation factor and recovery factor were improved 36%, 29% and 38%, respectively, compared to the pure water. According to the results of the experiments, the optimum concentration for all systems, including silica and modified silica nanoparticles, was 0.1 weight% and the best results were achieved in this concentration. In the case of the effect of the gas to liquid ratio, it was found that with increasing this ratio, the amount of gas consumption increased and the relative gas consumption (as compared to the amount of feed gas) and the recovery factor decreased, but the separation factor had an optimal amount. On the other hand, the gas consumption is directly related to the initial pressure, but the separation factor and the recovery factor are inversely proportional.
تشکیل هیدرات های گازی به عنوان یکی از مشکلات اصلی در خطوط لوله انتقال گاز در صنعت شناخته می شوند. تحقیقات اصلی در این زمینه مربوط به شرایط تشکیل هیدرات و تأثیر استفاده از بازدارنده ها در به تأخیر انداختن آن است؛ اما در سال های اخیر ویژگی های مثبت هیدرات برای ذخیرهسازی و انتقال گاز و جداسازی مخلوط گازها به عنوان یک فناوری جدید و پیشرفته مورد توجه قرار گرفته است. به همین دلیل در سال های اخیر تحقیقات در زمینه هیدرات های گازی و کاربردهای آن بهخصوص جداسازی گازها بسیار گسترش یافته است. با علم به این موضوع که شرایط ترمودینامیکی تشکیل هیدرات برای گازهای مختلف با یکدیگر متفاوت است، با فراهم کردن شرایط برای تشکیل هیدرات یکی از اجزاء مخلوط، می توان آن جز را از سایر اجزاء مخلوط جدا کرد. در این پروژه جداسازی گاز CO 2 از مخلوط CO 2 و CH 4 به وسیله هیدرات گازی مورد نظر بوده و با توجه به این که مولکول های دی اکسیدکربن و متان تقریباً هم اندازه هستند و شرایط تعادلی آن ها به هم نزدیک است (نسبت به سایر فرایندهای جداسازی انجامگرفته به وسیله هیدرات)، هر دو مولکول شانس تقریباً برابری برای قرار گرفتن در قفس های هیدرات دارند و متعاقباً ضریب جداسازی آن ها کم می باشد. بنابراین افزایش بازده جداسازی و همچنین انتخاب پذیری فرایند از مواردی بوده که در تحقیقات در حال بررسی است. هدف اصلی از انجام این پروژه تحقیق در مورد تأثیر افزودن نانوذرات به فاز آبی و همچنین پارامترهای دیگری همچون فشار اولیه (نیروی محرکه)، نسبت گاز به مایع و غلظت نانوذرات بر روی میزان مصرف گاز ( )، ضریب جداسازی (S.F) و فاکتور بازیابی (R) گاز CO 2 در فرایند جداسازی گاز CO 2 از مخلوط گازی CO 2 و CH 4 و متعاقباً میزان جداسازی و همچنین دست یافتن به درک و بینشی در بهبود فرایند جداسازی گازها به وسیله هیدرات برای حذف CO 2 از مخلوط گازی CO 2 و CH 4 است. در این مطالعه جداسازی گاز CO 2 از مخلوط گازی CO 2 و CH 4 (شامل 74% مولی متان و 26% مولی دی اکسیدکربن) به وسیله تشکیل هیدرات گازی در حضور نانوذرات سیلیکا (به دو صورت خالص و در حضور ماده بازی پتاسیم هیدروکسید) و سیلیکا اصلاح شده به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته و برای این منظور یک راکتور الاکلنگی ناپیوسته برای آزمایش های تشکیل و تجزیه هیدرات گازی آماده سازی و در آزمایشگاه بالادستی نفت دانشکده مهندسی شیمی راه اندازی شد. به منظور دست یابی به این هدف تمامی آزمایش ها در دمای K 15/277 و دو فشار bar 30 و 40 انجام شده و مشاهده شد که حضور نانوذرات تأثیر مثبتی بر میزان مصرف گاز دارد و همچنین ضریب جداسازی و فاکتور بازیابی را در تمامی سیستم ها، به جز نانوسیلیکا اصلاح شده، افزایش می دهد. اما در این میان مناسب ترین دریافتی ها مربوط به نانوسیال شامل سیلیکا و پتاسیم هیدروکسید بود که در بهترین حالت میزان مصرف گاز، ضریب جداسازی و فاکتور بازیابی را به ترتیب 36%، 29% و 38% نسبت به آب خالص بهبود داد. مطابق نتایج حاصل از آزمایش ها غلظت بهینه برای همه سیستم ها، شامل نانوذرات سیلیکا و سیلیکا اصلاح شده، 1/0 درصد وزنی بوده و در این غلظت بهترین نتیجه ها به دست آمد. در مورد تأثیر نسبت گاز به مایع مشخص شد که با افزایش این نسبت، میزان مصرف گاز افزایش، میزان مصرف نسبی گاز (نسبت به مقدار گاز خوراک) کاهش و همچنین فاکتور بازیابی کاهش می یابد اما مقدار ضریب جداسازی دارای مقداری بهینه است. از سوی دیگر در این فرایند میزان مصرف گاز با فشار اولیه رابطه مستقیم دارد ولی ضریب جداسازی و فاکتور بازیابی دارای رابطه معکوس هستند.