مهندس  علی  تقی ذوقی ، دانشجوی دوره دکتری مهندسی‌شیمی ، 21 دی  ماه سال 90، از رساله خود با عنوان «بررسی ترمودینامیکی جذب دی­اکسیدکربن در مخلوط حلال­های آمینی» با راهنمایی دکتر فرزانه فیضی و دکتر سعید زرین پاشنه دفاع نمودند.

چکیده

حضور گازهای اسیدی از جمله دی­اکسیدکربن (CO₂) و سولفیدهیدروژن (H₂S) در گاز طبیعی و گازهای صنعتی مشکلات عملیاتی از جمله خوردگی و زیست محیطی را به­وجود می­آورند. یکی از متداول­ترین روش­های جداسازی آنها، جذب توسط حلال­های آمینی است. در سالیان اخیر، حلال متیل­دی­اتانول آمین (MDEA) به­ دلیل خواصی از جمله مصرف انرژی، نرخ خوردگی و نرخ فساد پایین­تر، نسبت به حلال­های دیگر، به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است. ساختار مولکولی MDEA به­گونه­ایست که نمی­تواند مستقیماً با دی­اکسیدکربن واکنش شیمیایی دهد و آن را به­سرعت جذب نماید. برای جبران این مشکل از مواد افزودنی به­عنوان تسریع کننده جذب استفاده می­شود. در این تحقیق حلال MDEA به­عنوان حلال پایه انتخاب شده و مجموعه­ای از مواد تسریع کننده آمینی شامل: پایپرازین(PZ) ، 2-(2-آمینواتیل)­آمینو اتانول (AEEA)، دی­ایزوپروپانول­آمین (DIPA)، دی­گلایکول­آمین (DGA)، 2-آمینو-2-متیل پروپانول (AMP) به آن اضافه شده­اند. برای انتخاب بهترین نوع ماده فعال­کننده و مناسب­ترین نسبت آن به MDEA مجموعه­ای از آزمایش­های غربال­گری طرح­ریزی و انجام شده است. برای تمامی آزمایش­ها کلیه شرایط دیگر از جمله: غلظت کل محلول، دما و فشار اولیه دی­اکسیدکربن ثابت درنظرگرفته شده است. نتایج آزمایش­های غربال­گری نشان داد که ماده AEEA با نسبت 125/0 مول به یک مول MDEA بهترین ماده فعال کننده است. براین اساس در مرحله بعدی برای محلول آبی AEEA و MDEA با غلظت 36/3 مولار و نسبت AEEA به MDEA برابر 125/0، آزمایش­های تعیین حلالیت تعادلی دی­اکسیدکربن در محدوده دمایی 2/308 تا 2/368 کلوین و محدوده فشار 100 تا 4400 کیلو پاسکال انجام شد. همچنین به­دلیل طبیعت مدل ترمودینامیکی استفاده شده، آزمایش­های تکمیلی دیگری نیز انجام شد. این آزمایش­ها شامل اندازه­گیری حلالیت تعادلی دی­اکسیدکربن در محلول آبی AEEA در محدوده دمای 2/313 تا 2/368 کلوین و محدوده فشار 100 تا 4400 کیلو پاسکال ، اندازه گیری تعادل بخار-مایع سیستم دوجزیی آب-AEEA در فشار ثابت 6/86 کیلو پاسکال و اندازه­گیری ثابت دی­الکتریک AEEA خالص در محدوده دمایی 298 تا 343 کلوین هستند. در این تحقیق برای مدل­سازی ترمودینامیکی حلالیت دی­اکسیدکربن در محلول­های آمینی از معادله حالت الکترولیتی استفاده شده است. موادی نظیر آب و آمین­ها جزء سیالات دارای همبستگی محسوب می شوند. در این تحقیق، برای درنظرگرفتن این پدیده، ترم همبستگی بر اساس تئوری ورتایم به معادله حالت الکترولیتی اضافه شده و همچنین معادله حالت پنگ-رابینسون اصلاح شده به­کارگرفته شده­است. این مدل را emPR-CPA نامیده­ایم. سیستم مورد مطالعه محلول چهار جزیی آب-دی­اکسیدکربن-MDEA-AEEA است. این مدل باید بتواند رفتار تعادلی اجزای خالص و زیر سیستم­های دو و سه جزیی را پیش­بینی نماید. برای این منظور، ابتدا برای اجزای خالص دارای همبستگی، پارامترهای مدل از طریق برازش داده­های فشار بخار و دانسیته مایع تنظیم شدند. مدل emPR-CPA این خواص را برای آب، MDEA و AEEA با متوسط قدر مطلق خطای به ترتیب برابر با 03/0%، 04/1% و1/0%  برای فشار بخار 43/0%، 35/1% و 031/0%  برای دانسیته مایع پیش­بینی می­نماید. سپس پارامترهای اثر متقابل زیر سیستم­های دوتایی که شامل: آب-دی­اکسیدکربن، آب-MDEA، آب-AEEA  و دی­اکسیدکربن-MDEA هستند از طریق برازش داده های تجربی بر روی مدل تنظیم شدند. متوسط قدر مطلق خطا برای سیستم­های دوجزیی اشاره شده به ترتیب: 1/2%، 58/1%، 55/0% و 87/1% است. علاوه بر سیستم­های دوجزیی فوق، به منظور بررسی دقیق­تر توانایی مدل، پارامترهای اثر متقابل حلالیت گازهای سبک موجود درگاز طبیعی شامل: سولفید هیدروژن، متان، اتان، پروپان و نرمال بوتان با برازش داده­های تجربی حلالیت، بر روی مدل تنظیم شدند. متوسط قدر مطلق خطا برای پیش بینی حلالیت گازهای فوق در آب به ترتیب:1/3%، 26/7%، 49/4%، 95/0% و 31/4% است. در مرحله بعدی با استفاده از پارامترهای تنظیم شده برای اجزای خالص و سیستم­های دوتایی، پارامترهای اثر متقابل یون-یون و یون-مولکول برای دو زیر سیستم سه جزیی شامل: آب-دی-اکسیدکربن-MDEA و آب-دی­اکسیدکربن-AEEA بهینه شدند. برای زیر سیستم اول، نتایج به­دست آمده نشان داد که دقت پیش­بینی به اندازه 6/6%، توسط مدل emPR-CPA نسبت به مدل­های مشابه بهبود یافته است. متوسط قدر مطلق خطای به­دست آمده برای این زیر سیستم­های سه جزیی به ترتیب 32/17% و 56/14%  هستند. در زیر سیستم دوم به­دلیل در اختیار نبودن ثوابت واکنش­های تعادلی AEEA، این ثوابت به­عنوان پارامتر تنظیم شونده درنظرگرفته شده­اند. همچنین این سیستم توسط مدل دشماخ-ماتر نیز مدل­سازی شد. متوسط قدر مطلق خطای این دو مدل به ترتیب2/8% و 56/14% است. در آخرین مرحله با استفاده از پارامترهای به­دست آمده برای کلیه زیر سیستم­ها، پارامترهای اثر متقابل مربوط به سیستم چهار جزیی آب-دی­اکسیدکربن-MDEA-AEEA از طریق برازش داده­های تجربی بر روی مدل تنظیم شدند. به ­منظور افزایش دقت مدل، مجدداً ثابت­های واکنش­های تعادلی AEEA هم­زمان با پارامترهای اثر متقابل تنظیم شدند. متوسط قدر مطلق خطا برابر 1/24% برای کل محدوده دما و فشار مورد مطالعه به­دست آمد.