توضیحات

پروژه شبیه سازی فرآیند گازیفیکاسیون یا گازی سازی زیست توده(biomass gasification) پوسته برنج در نرم افزار اسپن پلاس(ASPEN PLUS)

گازی سازی(gasification):

گازی سازی تبدیل خوراک جامد یا مایع به سوخت گازی مفید و مناسب یا مواد خام شیمیایی با ارزش حرارتی بالا است که می تواند جهت آزادنمودن انرژی بسوزد و یا به عنوان ماده اولیه در صنعت شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند. گازی سازی و احتراق دو پروسة ترموشیمیایی نسبتاً نزدیک به هم می باشند که یک تفاوت مهم دارند:

گازی سازی انرژی را در غالب پیوندهای شیمیایی گاز تولیدی نگه می دارد درحالیکه در احتراق پیوندهای شیمیایی شکسته می شوند تا انرژی آزاد گردد. در گازی سازی هیدروژن به محصول گازی اضافه و کربن آزاد می شود تا نسبت(H/C) در گاز تولیدی افزایش یابد، در حالیکه در احتراق هیدروژن و کربن اکسید می شوند تا آب و دی اکسید کربن تولید شود. یک فرآیند گازی سازی معمولی شامل مراحل زیر است:

• خشک کردن
• تجزیه حرارتی یا پیرولیز
• احتراق جزئی مقداری گاز، بخار و Char
• گازی سازی محصولات تجزیه شده

گازی سازی را نمی توان به شکل معمولی جزو فرآیندهای جدید دانست و سابقه ای بیش از ۳۰ سال را در میان محققین دارد، اما روش توسعه یافته و جدید آن در سالهای اخیر توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. گازی سازی فرآیند تبدیل ماده آلی(در اینجا زیست توده) از طریق اکسیداسیون جزئی به گاز سنتز می باشد که این گاز عمدتاً شامل کربن دی اکسید، متان، کربن مونواکسید و هیدروژن با مقدار بسیار اندکی بخار آب و هیدروکربن های دو یا سه کربنه می باشد. علاوه بر این گازی سازی مقدار هیدروکربن بلند زنجیر به صورت قیر و زغال به جا می گذارد که از ترکیبات کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده، در صورتی که احتراق کامل این ماده در راکتور گازی ساز اتفاق بیافتد. محصولات احتراق شامل دی اکسید کربن، بخار آب و هیدروژن مازاد خواهد بود.

در یک فرآیند نمونه، ابتدا زیست توده در معرض گرما خشک شده و سپس وارد فاز تجزیه حرارتی یا پیرولیز می شود. محصولات پیرولیز(گاز، مایع یا جامد)، در کنار یکدیگر به واسطه گازی سازی واکنش داده و منجر به تولید محصولات گازی می شود. در اکثر گازی سازی های تجاری، انرژی مورد نیاز بخش خشک کردن، پیرولیز و واکنش های گرماگیر از طریق میزان مشخصی از فرآیندهای احتراق تامین می شود.

به طورکلی فرآیند پیرولیز، شامل حرارت دادن زیست توده یا هر خوراک دیگری در غیاب هوا یا اکسیژن با نرخ مشخص درجه حرارت، در زمان مشخص می باشد. محصولات پیرولیز به چندین پارامتر بستگی دارد که شامل دمای پیرولیز و نرخ حرارت است. محصول اولیه پیرولیز از گازهای تراکم پذیر و چار( Char) جامد تشکیل یافته است. گازهای تراکم پذیر می توانند بیشتر شکسته شده و به گازهای تراکم ناپذیر (CO، H2، CO2، CH4)، مایع و چار(Char) تبدیل شوند. بخشی از این تجزیه ها در واکنش های همگون فاز گازی و بخشی در واکنش های ناهمگون فاز جامد- گاز صورت می گیرد.

جهت انجام فرآیند گازی سازی باتوجه به نوع محصول به یک سیال واسطه که عمدتا هوا، بخار آب و یا اکسین موجود در هوا است (در صورتیکه هدف تولید هیدروژن باشد ) نیاز است. سیال واسطه یا عامل گازساز به سیالی گفته می شود که به دورن رآکتور گازساز(Gasifier)، دمیده می شود تا دو وظیفه مهم را انجام دهد؛ یکی فراهم نمودن شرایط بهتر جهت تماس مواد خام با ماده سیال در مجاورت حرارت تا واکنش های ترموشیمیایی رخ دهند، و دیگری جابجایی و انتقال آسانتر محصولات واکنش های ترمو شیمیایی به بیرون از رآکتور. معمول ترین سیال واسطه در فرآیند گازی سازی بخار است.

زیست توده(biomass):

به طورکلی زیست توده شامل تمامی موادی در طبیعت می شود که در گذشته نزدیک جاندار بوده یا از موجودات زنده به عمل آمده اند و یا ضایعات، زائدات و یا فضولات آنها می باشند. براساس تقسیم بندی مورد قبول جهانی، منابع اصلی زیست توده عبارتند از: ضایعات کشاورزی و جنگلداری، فضولات دامی و حیوانی، ضایعات و زائدات صنعتی، فاضلاب ها و زباله های شهری و انسانی. انرژی زیست توده شامل انرژی تولیدی از کلیه ضایعات و زائدات حاصل از موجودات زنده می باشد و بعد از انرژی خورشیدی بالاترین پتانسیل را دارا است. در حال حاضر باتوجه به مزایای ویژه ای نظیر: مزایای اقتصادی، زیست محیطی، پراکندگی و دسترسی آسان بالاترین سهم را در میان تجدیدپذیرها به خود اختصاص داده است.

پوسته برنج(rice straw):

در بیش از ۷۵ کشور جهان از برنج به عنوان یک مادة غذایی مهم یاد می شود. همراه برنج دو فرآورده جانبی تولید می شود که یکی سبوس و دیگری ساقه آن است. سبوس برنج که همان پوسته خارجی مغز برنج است کاربرد گوناگونی دارد. اگرچه ۲۰ درصد برنج تولیدی را پوسته آن تشکیل می دهد، ولی پوسته برنج بازماندة بلااستفاده محصول کشاورزی است،  این فرآورده با ارزش درواقع یک ماده صنعتی با قابلیت های متنوعی محسوب می شود. اگر این پوسته را تحت شرایط دمایی کنترل شده بسوزانند علاوه بر آنکه در حین سوختن انرژی حرارتی در حدود 3.6 کیلوکالری بر گرم تولید می کند، خاکستر حاصله را می توان در صنایع مختلف استفاده کرد. از موارد کاربرد خاکستر پوستة برنج می توان: اصلاح ساختمان خاک، کنترل آسیب حشرات در انبارهای مواد غذایی، تصفیه آب، جذب روغن، صنعت فولاد و… را نام برد. لذا میتوان از این فناوری در راه اندازی پروژه های ارزان قیمت، آلودگی کمتر محیط زیست و تولید انرژی مداوم(تجدیدپذیر) و بکارگیری افراد محلی و درنهایت تولید ثروت در کشور بهره جست. تبدیل پسماندهای کشاورزی به منابع انرژی مانند بریکت(سوخت جامد) و یا گاز زیستی(گاز سوختی) باعث صرفه جویی زیاد در هزینه شده و فاقد تأثیر منفی سوزاندن مزارع بر محیط زیست و سلامت انسان است.

نرم افزار اسپن پلاس(ASPEN PLUS):

باتوجه به رشد روزافزون صنایع شیمیایی و فرآیندهای نفت، گاز و پتروشیمی استفاده از نرم افزارهای مهندسی برای شبیه سازی و ارزیابی واحدها گریز ناپذیر است. به کمک این نرم افزارهای شبیه ساز می توان واحدهای پیچیده ای همچون پالایشگاه ها را نیز مدل سازی و شبیه سازی کرد. از کاربردهای نرم افزار اسپن پلاس در صنعت می توان به طراحی، توسعه، بهبود شرایط عملیاتی و بهینه سازی فرآیندهای پتروشیمیایی و پالایشگاهی اشاره کرد. یکی از مهم ترین و جامع ترین نرم افزارها در این زمینه، نرم افزار اسپن پلاس می باشد که بخش عمده ای از نیازهای مهندسین شیمی را برطرف می کند. نقطه قوت نرم افزار اسپن پلاس نسبت به سایر نرم افزارهای شبیه سازی، بانک اطلاعاتی قوی این نرم افزار در زمینه خواص فیزیکی و شیمیایی جامدات، مایعات و گازها می باشد. همچنین امکان طراحی و شبیه سازی واحدهای فرآیندی پلیمری و فرآیندهای جامد، ویژگی دیگری می باشد که اسپن پلاس را نسبت به سایر نرم افزارها متمایز می کند. عمدتا اسپن پلاس به دلیل پایگاه اطلاعاتی مناسب برای مواد جامد نامتعارف پیشگام است.

قابلیت های نرم افزار اسپن پلاس:

• دقت و سرعت بالا در محاسبه پیچیده ترین مسائل فرآیندهای شیمیایی
• پشتیبانی از اکثر فرآیندهای نفت، گاز، پتروشیمی، فرآیندهای الکترولیتی، دارویی و …
• طراحی دقیق و پیشرفته تجهیزات فرآیندی همچون برجها، راکتورها، مبدل های حرارتی و …
• قابلیت شبیه سازی فرآیندهای پلیمری
• قابلیت شبیه سازی فرآیندهای مربوط به مواد جامد
• امکان شبیه سازی تجهیزات و فرآیندهای غیر ایده آل
• امکان شبیه سازی فرآیند به صورت پایا و دینامیک
• امکان تغییر در شرایط و پارامترهای عملیاتی فرآیند و بهبود آنها
• امکان آنالیز و تحلیل و پارامترهای مختلف فرآیند توسط نمودارهای مختلف و بهینه سازی آن پارامترها
• امکان کدنویسی در تمامی قسمت های نرم افزار توسط زبان برنامه نویسی فورترن.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی فرآیند گازیفیکاسیون یا گازی سازی زیست توده(biomass gasification) پوسته برنج در نرم افزار اسپن پلاس(ASPEN PLUS) انجام شده است.

فلوشیت(FLOWSHEET) و شبیه سازی فرآیند:

نتایج فرآیند شبیه سازی: