پردیس فناوری کیشطرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریتگروه مهندسی شیمی

مقدمه

تصفیه آب توسط بشر سابقه طولانی و قدیمی دارد. مورخین بر این عقیده هستند که سابقه تصفیه آب به  حدود دو هزار سال پیش از میلاد مسیح می رسد.این مراحل تصفیه ای شامل جوشاندن و صاف کردن آب بوده است. وسایل اولیه تصفیه آب در منازل افراد مورد استفاده قرار می گرفت و تا حدود سده نخست میلادی هیچ نشانه ای دال بر وجود عملیات تصفیه ای بر روی آب مصرفی جامعه وجود نداشت . برخی از آبراه های رومیان به حوضچه هایی متصل می شد که در آن ها عمل ته نشینی آب صورت می گرفت و مجهز به کانال آبگیر شنی بود.این آبراه ها دارای تعدادی شیر بودند که برای مصرف عمومی توسط مردم مورد استفاده قرار می گرفتند.در شهر ونیز که بر روی جزیره ای بدون آب شیرین قرار گرفته است ،آب حاصل از بارندگی از طریق حیاط ها و بام ها که متصل به آب انبار های بزرگ بودسرازیر میشد ودر مسیر حرکت خود از فیلترهای شنی عبور میکرد.اولین نوع از این آب انبارها در حدود پنج قرن پس از میلاد مسیح برای تهیه آب جهت مصارف خصوصی و عمومی ساخته شد. این آب انبارها حدود 13 قرن مورد استفاده قرار گرفت .در قرون وسطی عملیات تصفیه آب  دچار رکود گردید تا این که  دوباره در قرن18 مورد توجه قرار گرفت .در فرانسه وبریتانیا امتیازاتی انحصاری برای وسایل صافی کردن صادر گردید.در آغاز سده 19 میلادی تصفیه منابع آب برای مصرف عموم در مقیاس بزرگ آغاز گردید.شهر بیزلی اسکاتلند به عنوان نخستین شهری  که آب مصرفی آن مورد تصفیه قرار گرفت شناخته می شود؛سیستم تصفیه آب بر پایه ی تهنشین سازی و سپس فیلتراسیون بود .به تدریج در اروپا استفاده از این سیستم متداول گشت و در پایان قرن 19 میلادی بیشتر منابع اب شهری فیلتر می شد.نرم کردن آب سخت در قرن 19 در اروپا انجام میگرفت .اما تا آغاز قرن بیستم میلادی برای مصارف عمومی آب گسترش نیافت .ظرفیت ذغال برای جداسازی مواد آلی محلول در آزمایش های مربوط  به فیلتراسیون مورد توجه قرار گرفت ،اما برای مصرف عمومی آب  استفاده نشد .اصلاح این ماده و تبدیل آن به کربن فعال همراه با استفاده آن در واحد های تصفیه آب اخیرا مورد استفاده قرار گرفته است.همانطور که استفاده از غشاهای مصنوعی برای عملیات  فوق فیلتراسیون و جداسازی مواد معدنی محلول به تازگی انجام شده است.پیشرفت های انجام شده در فرآیندهای تصفیه آب در طول قرن حاظر از آن چه که قبلا در طی تمام تاریخ رخ داده بیشتر است. به استثنای چند مورد فرآیندهای تصفیه بدون اتکا به اطلاعات علمی در مورد اصول عملکردشان و تنها با وسایل اندک برای ارزیابی کمی میزان تاثیر آن ها توسعه یافته اند .فهم مبانی علمی سبب بهترشدن فرآیندها و توسعه جامع تر وسایل و افزایش کل راندمان راهبردی تصفیه آب گردیده است.

روش های تصفیه آب

روش های حرارتی ،غشایی و هیبریدی سه روش متداول شیرین سازی آب در دنیا هستند.با توجه به وجود نیروگاه های  متعدد برق و سواحل طولانی در مناطق جنوبی کشور و مزایای روش هیبریدی،بهترین گزینه برای تولید آب شیرین در این مناطق استفاده از روش هیبریدی است . به اختصار درزیر هر یک از سه روش مذکور را  معرفی میکنیم:

1-فرآیندهای حرارتی شیرین سازی آب

در این فرایند با استفاده از انرژی حرارتی آب شور تبخیر و سپس بخار تولید شده را تقطیر و به آب تقریبا خالص  تبدیل می شود.با توجه به این که در این روش آب مقطر تولید می شود در صورت نیاز طی فرآیند تصفیه ی تکمیلی ،به این آب املاحی اضافه می شود تا به آب قابل شرب یا آب قابل مصرف تبدیل شود.فرآیندهای حرارتی نسبت به سایر فرایندها به انرزی حرارتی بیشتر نیاز دارد اما برق کمتری مصرف می کند.منبع این حرارت ،بخار آبی است که میتواند  مستقیما توسط سوزاندن سوخت یا با استفاده از حرارت مازاد نیروگاه های برق تولید شود.

یکی از مزایای آب شیرین کن های حرارتی این است که می توان با تاسیس این  واحدها کنار نیروگاه های برق، از حرارت تلف شده در نیروگاه ها برای تبحیر آب استفاده کرد که به آن واحد تولید هم زمان برق و آب گفته می شود.در این صورت بدون نیاز به انرژی حرارتی جدید ،بازده حرارتی افزایش و هزینه نمک زدایی کاهش می یابد.

2-فرآیند های غشایی

از قرن هجدهم مفهوم غشا شناخته شده است اما تا پایان جنگ جهانی دوم  در بیرون از آزمایشگاه این واژه خیلی کم مورد استفاده قرار گرفت .در زمان جنگ اروپا ذخایر آب آشامیدنی به خطر افتاد به همین دلیل از فیلتر غشا برای تست ایمنی مورد استفاده قرار گرفت. با توجه به  عدم اطمینان  و همچنین هزینه های بالا موجب گشت  که از غشا به طور گسترده ای استفاده نشود .اولین استفاده از غشا در مقیاس وسیع در استفاده از فن آوری میکرو فیلتراسیون  و تصفیه به طور پیشرفته ای بود از سال 1980 این فرایند جداسازی همراه الکترودیالیز در کارخانجات بزرگ  و امروز نیز در شرکت های بزرگ از آن استفاده می کنند .این فرآیند در سال های اخیر پیشرفت وسیعی داشته است.سابقه استفاده از غشا برای صافی کردن به اوایل قرن بیستم باز میگردد. در دهه سوم قرن بیستم غشاها برای جداسازی خالص سازی  ویا غلیظ سازی محلول ها به ویژه سیال های حاوی میکرووار گانیزم مورد استفاده قرار گرفت .سیر تکامل این  پدیده با انجام پژوهش های متعدد بر روی انواع غشاها  و شناخت فرآیند به گونه ای ادامه یافت که اکنون این فرآیند یکی از روش های اصلی شیرین سازی آب محسوب می شود.

فرآیند غشایی به شیوه های فیزیکی برای جداسازی  حلال از نمک های محلول در آن با استفاده از غشاهای نیمه تراوا اطلاق می شود. در این فرآیندها آب شور با اعمال فشار  از غشاهای نانومتری عبور داده می شود .این غشاها مانند یک فیلتر عمل می کنند  وبا جدا کردن ذرات ناخالصی موجود در آب ،آن را شیرین می کند .آب تولیدی در این فرآیند کیفیتی نزدیک به آب شرب دارد .

در یک فرآیند غشایی به طور معمول دوفاز به وسیله فاز سوم که غشا می باشد از یکدیگر جدا می شوند. غشا تعیین کننده پدیده انتقال جرم است. هر کدام از دو فاز به صورت محلولی از جزهای مختلف می باشد که برخی از این جزء های عبوری مخفی و دیگری تهی میگردد.

دو ویژگی اصلی در انتقال که توسط غشا اعمال می شود

1- نفوذپذیری یا تراوایی

2- انتخاب گری یا گزینش پذیری

مزایای فرآیند های غشایی

1-صرفه جویی در مصرف انرژی به دلیل  عدم تغییر فاز

2-کاهش فضای موردنیاز به علت کم حجم بودن مدول های غشایی

3-سریع تر بودن فرایند به دلیل نازک بودن غشا و بالا بودن سرعت انتقال جرم در آن

4-توانایی انجام در دمای پایین که مزیت بالایی برای محلول های حساس به گرما است.

5-پایین بودن هزینه سرمایه گذاری در مقایسه با سایر روش ها در سطح جهانی

6- سهولت در گسترش دادن سیستم

3-روش های هیبریدی

در روش هیبریدی سعی شده است که با ترکیب روش های حرارتی و غشایی،از مزایای هر کدام استفاده شود .از جمله مزایای این روش میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1-اطمینان از تولید آب در مواقعی که به دلیل خارج از مدار بودن بخشی از نیروگاه امکان استفاده از فرآیند حراری نیست،در این مواقع از روش های غشایی برای تولید آب استفاده می شود.

2-کاهش چشم گیر املاح افزودنی در فرایندهای حرارتی به دلیل امکان ترکیب آب تولیدی از فرآیندغشایی با آب تولیدی از فرایند حرارتی.

3-دمای پایین ترآب و پساب تولیدی در روش هیبریدی نسبت به روش حرارتی.

4-بهره گیری از برق مازاد در شبکه برای فرآیند غشایی در مواقعی که نیاز به آب ضروری است.

از این روش در کشورهای حاشیه خلیج فارس بسیار استفاده شده است. واحد نمک زدایی جده ،الجبیل و ینبوع در عربستان سعودی و فجیره در امارات متحده عربی از این نوع هستند. در کشور ما نیز مدتی هست که استفاده  از این روش در دستور کار قرار گرفته است.

مراحل  تصفیه آب

1-هوادهی

اجرام آلی موجود در فاضلاب در مخزن هوادهی با باکتری های هوازی که به طور معلق وجود دارند در تماس قرار میگیرند .محیط هوازی مخزن هوادهی با استفاده از هواده های عمقی یا هواده های مکانیکی سطحی ایجاد می شوند که علاوه بر این عملکرد اختلاط فاضلاب را نیز ایجاد می کند.بعد از گذشت زمان مشخصی مخلوط سلول های جدید و قدیمی به داخل تانک ته نشینی جایی که سلول ها از پساب تصفیه شده جدا می گردند هدایت می شود.یک بخش از سلول های ته نشین شده جهت به دست آوردن غلظت مناسب و دلخواه ارگانیزم ها در مخزن هوادهی  به این راکتور بازگردانده می شوند و بخش دیگر آن از سیستم خارج می شود .

2-ته نشینی

ته نشینی عبارت است از جداسازی ذرات معلق از آب سنگین تر می باشد. از این  واحد به طور وسیعی در تصفیه فاضلاب استفاده می شود . از ته نشینی جهت حذف دانه ،حذف اجرام ویژه در مخزن  ته نشینی اولیه ،حذف لخته های بیولوژیکی در مخازن ته نشینی لجن فعال و حذف لخته های شیمیایی زمانی که لخته سازی شیمیایی صورت می گیرد استفاده می شود.

3-ضدعفونی کردن

پس از ته نشین شدن فاضلاب در مخزن ته نشینی ثانویه و پیش از وارد نمودن آن به منابع طبیعی آب باید به میکروارگانیزم های بیماری زا از قبیل باکتری ها، ویروس ها،کیسه های آمیبی موجود در آن ازبین رود ضدعفونی فاضلاب با استفاده از مواد شیمیایی ، عوامل فیزیکی،وسایل مکانیکی و تابش اشعه انجام می پذیرد.

4-نگه داری و هضم لجن اضافی

لجن مازاد فرآیند بیولوژیکی لجن فعال توسط واحد پمپاژ لجن برگشتی  به این مخزن  منتقل می گردد تا با یک زمان توقف طولانی لجن  مذکور هجاضم و تغلیظ می گردد این لجن در دوره های هر چند ماه یک بار تخلیه و بیرون شهر منتقل می گردد.

پردیس فناوری کیش-طرح مشاوره متخصصین صنعت ومدیریت-گروه شیمی

مقدمه

در جهان میلیون‌ها مادهٔ شیمیایی وجود دارد. بعضی از آنها دارای خاصیت اسیدی و بعضی دیگر دارای خاصیت بازی هستند.شناخت ترکیبات اسیدی و بازی از یکدیگر اهمیت ویژه ای دارند. مواد اسیدی و بازی هر کدام دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند که در ادامه به بیان این ویژگی ها خواهیم پرداخت.

معرفی اسید وباز

برای اسید و باز تعاریف متعددی بیان شده است که به اختصار به بررسی هر کدام میپردازیم:

تعریق اسید وباز از دیدگاه آرنیوس

در دهه 1890 میلادی شیمی دانی به نام آرنیوس طی آزمایشات و مطالعات خود حول رسانایی و برقکافت ترکیبات محلول در آب ، تعریفی از اسید و باز به صورت زیر را ارائه کرد:

• محلول های آبی  اسید و باز هر دو رسانای جریان الکتریکی  هستند .
• از دیدگاه آرنیوس اسید ماده ای است که هنگام حل شدن در آب یون هیدروژن _( ⁺(H(aq) تولید یا آزاد می کند.

^–HCL(g) → H(aq)⁺+CL

• از این دیدگاه باز (قلیا) ماده ای است که هنگام حل شدن در آب یون ( ^–(OH(aq)  تولید یا آزاد می کند.

  ⁺KCL(s) → OH(aq)^–+K

ایرادات دیدگاه آرنیوس درباره اسید و باز

ایراد مدل آرنیوس این بود که اسید وباز را به محیط آبی محدود کرده بود در حالی که یک اسید و یک باز در میحیط غیر آبی و در فاز غیر محلول میتواند اثر یکدیگر را خنثی کند.

تعریق اسید وباز از دیدگاه لوری-برونستد

در دهه 1920 یوهان برونستد و توماس لوری تعریفی نوین از اسید و باز را به صورت زیر ارائه کردند :

• اساس این نظریه بر انتقال پروتون در واکنش ها می باشد.
• بر طبق این نگرش اسید ماده ای است که طی واکنش ،پروتون (⁺H) از دست می دهد  .
• بر طبق این نگرش باز ماده ای است که طی واکنش ، پروتون (⁺H) بگیرد.
•  به اسیدی که نسبت به باز لوری – برونستد مربوط به خود، یک پروتون (H⁺)  بیش تر دارد،اسید مزدوج گویند.
•  به بازی  که نسبت به اسید لوری – برونستد مربوط به خود، یک پروتون (H⁺)  کمتر دارد،باز مزدوج گویند.

            ₄^-2 GHSO₄ (aq)+HPO₃  (aq)_→ H₂PO₃^–  (aq)+SO

تعریق اسید وباز از دیدگاه لوییس 

در سال 1923 شیمیدان مشهور آمریکایی ،گیلبرت لوویس نظریه ای نوین در مورد اسید و باز ارائه کرد؛ این دیدگاه نسبت به دو دیدگاه دیگر جامع تر و کامل تر می باشد و به صورت زیر تعریف می شود.

• مولکولی که بتواند جفت الکترون غیر پیوندی ازمولکول دیگری دریافت کند اسید محسوب می شود.
• مولکولی که طی فرآیند ،جفت الکترون غیر پیوندی آزاد میکند باز محسوب می شود.

(پیوند کوئوردینانس کوالانسی) A—B   →(باز لویس دهنده الکترون)^–B+(اسیدلویس پذیرنده الکترون)⁺A

خواص اسیدی

• ترش مزه
• بازها را خنثی می‌کنند.
• شامل هیدروژن (H) هستند که می‌تواند با یک فلز جایگزین شود.
• رنگ شناساگرها را تغییر می دهند.

خواص بازی

• بازها مزه تند و تیز و تلخ می دهند.
• اسیدها را خنثی می کنند.
• شامل ترکیبی از اتم های اکسیژن و هیدروژن هستند که هیدروکسیل (OH) نامیده می شوند.
• رنگ شناساگرها را تغییر می دهند.

عامل PH

PH یک کمیت لگاریتمی است که میزان اسیدی یا بازی بودن مواد شیمیایی مختلف را مشخص میکند . شاخص مورد استفاده محدوده‌ای بین ۰ تا ۱۴ دارد. موادی که PH پائین‌تر از ۷ دارند اسید‌، آنهایی که PH مساوی ۷ دارند خنثی و آنهایی که PH بالاتر از ۷ دارند را باز می‌نامند.موادی که PHنزدیک به صفر دارند اسید قوی و موادی که PHنزدیک به 14 دارند باز قوی محسوب می شوند.در زیر PHبرخی ترکیبات مهم ذکر شده است:

شناساگر های اسد و باز

اغلب شناسایی اسید وباز با تست کردن مزه آن میتواند برای سلامتی انسان خطراتی داشته باشد. یکی از راه حل هایی که به واسطه آن میتوان اسیدی یا بازی بودن یک ماده را شناسایی کرد شناساگرها هستند .شناساگرها در محیط‌های اسیدی یا بازی به رنگ‌های متفاوتی درمی آیند. از جمله شناساگرهای معروف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• گلبرگ گل سرخ
• کاغذ تورنسل (لیتموس) که از درخت لیتموس به دست می‌آید.
• محلول فنول فتالئین (که اگر در یک محلول بازی ریخته شود به سرعت رنگ محلول را ارغوانی می‌کند)
• محلول متیل اورانژ (متیل نارنجی)
• محلول متیلن بلو

در جدول زیر نحوه تغییرات رنگ چند شناساگر در محیط های مختلف ذکر شده است :

پردیس فناوری کیشطرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریتگروه مهندسی شیمی

مقدمه

گازهای طبیعی که از جمله سوخت های فسیلی با آلایندگی زیست محیطی بسیار اندک (در مقایسه با سایر سوخت های فسیلی )هستند،از اهمیت ویژه ای در کشورهای نیازمند به انرژی برخوردار هستند؛در جهان امروز تولید و توزیع گازهای طبیعی نقش بسزایی در  اقتصاد جهانی ایفا می کنند.

گازهای طبیعی به دو صورت تولید می شوند:

1)به صورت مستقیم از ذخایر زیر زمینی گازی

2)به صورت گاز همراه بانفت از مخازن نفتی

این گازها معمولا حاوی ترکیبات اسیدی نظیر دی اکسید کربن (CO₂)، سولفید هیدروژن(H₂S)و مقادیر اندکی از سولفید کربونیل(COS)،دی سولفنید کربن(CS₂) و مرکلاپتانها(RSH) می باشند.

گاز یا نفت تولیدی بسیاری از چاه ها که شامل ترکیبات اسیدی می باشد را گاز ترش(Sour Gas) و یا نفت ترش (Sour Oil) می نامند.عملیاتی که درطی آن گازهای ترش از نفت یا گاز جدا می شود عملیات شیرین سازی نامیده می شود.این فرآیند در پالایش گازها در پتروشیمی کاربرد فراوان دارد.

ضرورت جداسازی ناخالصی ها از گاز

جداسازی ناخالصی های درون گازها و مايعات از نقطه نظر ايمني، كنترل خوردگی، تنظيم تركيب استاندارد محصولات گاز و مايع، پرهيز از تشكيل هيدرات در دماه اي پايين، كاهش هزينه هاي تقويت فشار گاز، جلوگيری از مسموميت كاتاليزورهای كارخانجات دريافت كننده محصولات گاز يا مايع و بالاخره رعايت حد مجاز انتشار مواد آلاينده محيط زيست، الزامی مي باشد. علاوه بر تركيبات هيدروكربونی سنگين و بخار آب، گاز طبيعی در اغلب موارد حاوی تركيبات مضری و تركيبات گوگردی  بوده و جداسازی آنها تا حد مطلوب ضروری می باشد . گازهای CO2 ،H2S نظير اسيدی تركيبات بسيار خورنده و سمی بوده و به تجهيزات و محيط زيست صدمات جدی وارد می سازند . با آب تركيباتی نظير اسيد سولفوريک و اسيدكربونيک توليد می گردد . از اين CO₂ و  H₂S از تركيبات رو، به آنها گازهاي اسيدی  اطلاق می شود.

روش های شیرین سازی

1)جذب شیمیایی(Chemical Absorption)

در این فرآیند حلال شیمیایی ترکیبات اسیدی را طی یک عملیات جذب در فشار کم و دمای بالا از گاز خوراک جدا کرده و سپس حلال غنی شده از گازهای اسیدی در یک فرآینددفع در دمای بالا و فشار کم احیا می گردد.رایج ترین فرآیند جذب شیمیایی «شیرین سازی آمین» می باشد.

آلکلانو آمین ها (یا به عبارت ساده تر آمین ها) ترکیباتی با پایه های ضعیفی می باشند که باز گاز های اسیدی تولید کمپلکسهای نمکی می کنند. این کمپلکس های نمکی در فرآیند دفع در دمای بالا و فشار پایین شکسته می شوند و در نهایت آمین احیا می گردد.

فرآیند شیرین سازی با آمین ها بسیار ساده است؛ گاز ترش در یک برج جذب با محلول آمین تماس داده می شود و در دمای پایین  و فشار بالا گاز های اسیدی با آن واکنش می دهند . محلول آمین حاوی گازهای اسیدی در یک فرآیند تقطیری احیا شده دوباره مورد استفاده قرار می گیرد.گازهای اسیدی  تولید شده از فرآیند احیا یا برای سوزاندن به مشعل هدایت می شود و یا در صورت محدودیت های زیست محیطی به سیستم بازیافت گوگرد هدایت    می شوند.در شکل زیر یک واحد شیرین سازی آمین مشاهده می کنید:

انواع مختلفی از حلال های آمین وجود دارد که به صورت مختصر هر کدام را معرفی  و مزیت و معایب آن را  بیان می کنیم:

• منو اتانول آمین MEA

منو اتانول آمین اولین حلالی است که در فرآیند شیرین سازی گازها مورد استفاده قرار گرفته است و  از آن همچنان استفاده می شود.محلول 15% وزنی آن بسیار رایج می باشد.

       مزایا استفاده از MEA

1. سرعت واکنش بسیار بالا
2. پایداری شیمیایی خوب
3. قیمت مناسب

      معایب استفاده از MEA

1. نیاز به بخار آب وسوخت (Utilities) زیادی دارد
2. قابلیت جداسازی مرکاپتان را ندارد.
3. در جذب H₂S و CO₂ به یک صورت عمل می کند و قابلیت انتخابی ندارد.
4. به علت سبک و فرار بودن مقدار قابل توجهی از آن در اثر تبخیر شدن هدر می رود.
5. در صورت حضور اکسژن به ترکیبات غیر قابل احیا تجزیه می گردد.
6. در صورت وجود ترکیبات گوگردی COS و CS₂ به ترکیبات خورنده ای تبدیل می گردد که غیر قابل احیا می باشد.

•  دی اتانول آمین DEA

استفاده از  محلول DEA  در شیرین سازی گاز متداول است.فرآیند شیرین سازی با DEA مشابه فرآند شیرین سازی با MEA است با این تفاوت که در فرآین شیرین سازی با DEA نیازی به استفاده از  Reclaimer  نمی باشد.

    مزایا استفاده از DEA

1. میزان افت آمین در اثر تبخیر کم است .
2. وجود CSO و CS₂ باعث تجزیه این حلال نمی گردد.
3. به خوبی مرکاپتان را جذب می کند .
4. پایداری شیمیایی بسیار خوبی دارد.
5. هیدروکربن ها را به میزان بسیار کمی جذب می کند.
6. نیاز به استفاده از Reclaimer ندارد.

   معایب استفاده از DEA

1. سرعت واکنش کمتر نسبت به MEA
2. در صورت تماس با اکسیژن به صورت برگشت ناپذیر تجزیه می گردد.
3. نیاز به بخار آب و  سوخت زیادی دارد.
4. قابلیت انتخاب CO₂ و H₂S ندارد.

• متیل دی اتانول آمین MDEA

آمین نوع سوم  MDEA فاقد گروه های فعال هیدروژن- نیتروژن در ساختار مولکولیش می باشد.به همین دلیل دارای یک ساختار شیمیایی پایدار و قابلیت انتخابی برای جذب می باشد. عامل اصلی تجزیه آمین نوع اول و دوم وجود گروه هیدروژن – نیتروژن فعال می باشد.آمین تجزیه شده معمولا بسیار خورنده می باشد.این پایداری آمین نوع سوم این امکان را می دهد که از غلظت های بالای آن (تا 50%) بدون توجه به شکل خوردگی بتوان استفاده کرد .

مزایای استفاده از MDEA

1. صرفه جویی در انرژی
2. افزایش ظرفیت
3. قابلیت انتخابی بالا
4. کم شدن شکل خوردگی

2)جذب فیزیکی ( Physical Absorption)

در این روش از حلال های آلی جهت جذب گازهای اسیدی به طور فیزیکی و بدون انجام واکنش شیمیایی استفاده می گردد .در این روش ،جداسازی گازهای اسیدی مانند H₂S و CO₂ بستگی به میزان حلالیت آن ها در حلال های آلی دارد و هر چه میزان فشار جزئی گازهای اسیدی بالاتر و دمای عملیات کمتر باشد جداسازی بهتر صورت می گیرد.احیا حلال مصرف شده نیز معمولا از طریق کاهش فشار در مخازن فلاش و استفاده از بخار آب یا یک گاز بی اثر در یک ستون دفع (Stripping)  انجام می شود.

فرآیندهای فیزیکی متفاوتی برای جداسازی گازهای اسیدی از گاز طبیعی وجود دارند که از جمله آنها فرآیند سلکسول و فرآیند رکتیسول می باشد که به اختصار هر یک را توضیح می دهیم:

• فرآیند سلکسول( Selexol Process)

در این فرآیند از حلال فیزیکی سلکسول کاربید(Carbide Selexol) که از دی متیل اتر پلی اتیلن گلایکول   {CH₃(CH₂CH₂O)nCH₃} ساخته شده استفاده می گردد.در این فرآیند حلال میتوان هم به صورت انتخابی و هم به طور همزمان ترکیبات گوگردی ،در اکسید کربن ،آب و ترکیبات آروماتیک (BTEX)را جدا کند.گاز خوراک قبل از ورود به واحد سلکسول باید آبزدایی شود.

مزایای فرآیند سلکسول

1. در این روش از آن جایی که واکنش شیمیایی صورت نمی پذیرد،میزان افزایش دمای حلال در اثر جذب نسبت به روش شیمیایی کمتر می باشد.
2. ویژگی آبدوستی زیاد حلال سلکسول باعث می گردد که گاز شیرین شده خروجی از برج جذب بسیار خشک باشد.
3. امکان انجام فعالیت در فشار کم هم ممکن است.
4. امکان استفاده از فولاد کربنی در ساخت تجهیزات به دلیل این که این فرایند به صورت محلول در آب استفاده نمی گردد و از نظر شیمیایی خنثی است .

معایب فرایند سلکسول

1. کاربرد موثرتر این فرآیند در فشارهای بالاتر است.
2. تمایل حلال سلکسول به جذب هیدروکربن ها،باعث هدر رفتن بخشی از هیدروکربن ها موقع دفع گازهای اسیدی می شود.

• فرآیند رکتیسول(Rectisol Process)

در این فرآیند از متانول به عنوان حلال استفاده می گردد.این فرایند زمانی بهینه می شود که در صد اتان و ترکیبات سنگین تر گاز طبیعی حداقل ممکن باشند.رکتیسول بدین گونه است  که متانول پس از تماس با خوراک گاز ترش و جذب گازهای اسیدی در برج جذب ،طی دو مرحله فلاش فشار کاهش میابد .در طی این دو مرحله ترکیبات گوگردی حلال تقریبا به طور کامل جدا می گردد اما مقداری CO₂  در حلال باقی می ماند .باقیمانده  CO₂  سپس در مرحله بعد که شامل یک برج دفع مجهز به ریبویلر است جدا می گردد.

مزیت فرایند رکتیسول

1. پایداری حرارتی و شیمیایی بالا دارد و مشکل تجزیه شدن ندارد.
2. حلال متانول کف نمی کند و به طور کامل در آب محلول می باشد لذا میزان هدر رفت حلال کم می باشد.
3. حلال خورنده نیست لذا می توان از فولاد کربنی برای ساخت تجهیزات به جای فولاد زنگ نزن استاده نمود.
4. در این روش حلال غنی شده از گازهای اسیدی به آسانی با کاهش فشار و بدون نیاز به ستون دفع احیا می گردد.

معایب فرآیند رکتیسول

1. دمای پایین عملیات باعث افزایش هزینه اولیه و عملیاتی واحد می گردد.
2. حلال متانول مورد استفاده قابلیت جذب مقادیر خیلی کم تر ترکیبات فلزی موجود مانند جیوه را داشته که باعث تشکیل آلیاژی از جیوه  و هدر رفتن حلال می شود

3)فرآیند هیبرید ( Hybrid SeparationProcess)

این فرآیند ترکیبی از دو فرایند جذب شیمیایی و جذب فیزیکی است که در آن گازهای اسیدی به صورت موثرتر و به صورت انتخابی ازگاز طبیعی جدا می شوند.یکی از متداول ترین فرآیندهای هیبرید در صنابع نفت و گاز ،فرایند سولفینول(Sulfinol)است که مخلوطی از سولفین ،آب و دی ایزو پروپانول آمین (DIPA)یا متیل دی اتانول آمین (MDEA) می باشد.بخش فیزیکی این حلال به آن این قابلیت را داده که بخش عمده ای از گازهای اسیدی خوراک را درخود حل کند  و بخش شیمیایی نیز باقی مانده آن را به طوری که این حلال مخلوط اثری به مراتب بیشتر از یک حلال شیمیایی تنها یا حلال فیزیکی تنها را دارد.

مزیت های استفاده از فرآیند هیبرید

1. نیاز کم به انرژی
2. حلال،خاصیت کف خورندگی و خورندگی ندارد.
3. برای خوراکی که میزان گاز اسیدی آن زیاد می باشد نیز  کارایی دارد.

معایب استفاده از فرآیند هیبرد

1. حلال خاصیت جذب هیدروکربن های سنگین را دارد.
2. نیاز به یک Reclaimer برای جداسازی اکسازلیدونز (Oxazolidones)که در اثر واکنش CO₂ با DIPA تولید می شود ،دارد.

4)جذب سطحی با استفاده از ستون جامد(Adsorption Process)

در این فرآیند گازهای اسیدی توسط جاذب های جامد جذب می شود.فرآیندهای رایج جذب سطحی شامل استفاده از اکسید آهن،اکسید روی ،آلومنیا فعال شده و غربال مولکولی (زئولیت) به عنوان جاذب های جامد دارای سطوح فعال می باشند.مواد جاذب دارای ساختاری با تخلخل های بسیار ریز بوده (Micro-Porous) که به طور انتخابی تعدادی از اجزای یک ترکیب را که بایستی از آن جدا گردند را در ساختار متخلخل خود نگه می دارد و هنگامی که ستون جاذب از این گازهای اسیدی اشباع شد ،گازهای جذب شده را از طریق عبور جریان داغ گاز شیرین (خلاف جهت فرآیند جداسازی )از آن جدا و ستون جاذب را احیا می کنند؛از آن جایی که غربال های مولکولی قادر به جذب H₂S ، آب و… در دماهای بالا نیستند،قبل از قرار گرفتن بستر در مدار عملیات جذب،دمای آن بایستی کاهش یابد.

مزیت های استفاده از جاذب های سطحی

1. عملیات این فرآیند بسیار ساده استت.
2. عملیات همزمان جداسازی آب و گازهای اسیدی  را فراهم می سازد.

معایب استفاده ازجاذب های سطحی

1. فرآیند محدود به میزان کمی از جریان گاز در فشار متوسط می باشد.
2. طراحی فرآیند بسیار پیچیده می باشد.
3. دمای بالا جهت احیا بستر( 300 الی 400 درجه فارنهایت)
4. غربال های مولکولی مقابل تجزیه شیمیایی و فیزیکی آسیب پذیر می باشند.

5)فر آینده استفاده از غشا(Membrane Process)

سیستم های غشا پلیمری جزو تکنولوژی های بروز و شناخته شده ای است که در فرآورش گاز طبیعی برای جداسازی انتخابی گازهای اسیدی مورد استفاده قرار می گیرد.امروزه از این تکنولوژی در صنعت گاز برای جداسازی CO₂ و بخارات آب تا حد مجاز خطوط انتقال لوله به طور رایج استفاده می گردد. یک گاز برای اینکه بتواند از یک غشا عبور کند ،ابتدا بایستی  در طرف پر فشار غشا روی غشا حل شده و به درون غشا نفوذ کند و در طرف کم فشار غشا دوباره به بخار تبدیل گردد.اساس جداسازی گازها برآن است که بعضی از گازها نسبت به گاز های دیگر بر روی سطح پرفشار غشا محلولیت بیشتری دارند و با سرعت بیشتری از جداره غشا به سمت کم فشار آن نفوذ می کند.

مزیت های استفاده از غشا

1. در آن از حلالی استفاده نمی شود که افت داشته باشد.
2. قابلیت فراورش مقادیر مختلف از غلظت هایCO₂ در خوراک را دارد.
3. وزن وفضای کمی اشغال می کند . انتخاب مناسبی برای سکوهای دریایی می باشد.

معایب استفاده از غشا

1. میزان افت هیدرو کربن بالاست.
2. گاز CO₂  جدا شده دارای فشار کمی بوده و نیاز به تقویت  مجدد دارد.
3. برای تامین نیروی رانش لازم نیاز به فشرده کردن گاز خوراک می باشد که هزینه عملیات فشرده سازی بالا می باشد.

پردیس فناوری کیشطرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریتگروه مهندسی شیمی

مقدمه

یک مهندس شیمی ،به هنگام طراحی یک واحد صنعتی ،ایده ها و افکار خود را در قالب نقشه های گوناگون ،که به آن ها <<نقشه های فرآیندی>> می گویند،به روی کاغذ می آورد.

انواع نقشه های فرآیندی عبارت اند از:

1) نمودار جعبه ای جریان   (Block Flow Diagram (BFD

2) نمودار جریان های فرآیند  (Process Flow Diagram  (PFD

3) نمودار لوله کشی و ابزاردقیق (Piping and Instrumentation Diagram (P&ID

4) نقشه ی جانمایی تجهیزات Plant Layout

1) نمودار جعبه ای جریان  (BFD)

این نقشه در اولین مرحله طراحی یک کارخانه شیمیایی یا هنگامی که بخواهند به ساده ترین شکل ،فرآیندهای مختلف یک واحد صنعتی بزرگ و پیچیده را نشان دهند رسم می شود.در این نمودارتعدادی از دستگاه ها ،که در مجموع یک فرایند را به وجود می آورند را به صورت یک جعبه یا بلوک نشان می دهند.در نمودار جعبه ای تقدم و تاخر عملیات حفظ شده است و با دنبال کردن خطوط(جریان ها) از چپ به راست می توان به یک شناخت کلی در خصوص فرآیند دست یافت. در یک نمودار جعبه ای معمولا مقدار (دبی جرمی یا حجمی )جریان های ورودی (مواد اولیه) و خروجی (محصولات) نوشته می شود. به کمک این اعدادمیتوان موازنه ی جرم کلی را برای کارخانه نوشت.

نمونه ای از نقشه BFD:

2) نمودار جریان های فرآیند  (PFD)

در این نقشه دستگاه های اصلی فرآیند و چگونگی جریان مواد بین آن ها نشان داده می شود.رآکتورها ،برج های جداسازی،مخازن،مبدل های حرارتی،فیلترها،خشک کن،    پمپ ها ،کمپرسورها و نظایر آن ها از مهمترین دستگاه های فرایندی هستند که در نمودار جریان های فرآیند نمایش داده می شوند.معمولا اعداد و ارقام مربوط به جریان ها ،نظیر دبی،ترکیب،دما،فشار و انرژی هر جریان به صورت جدول در زیر نقشه درج می شود.

اطلاعاتی که معمولا در یک PFD نمایش داده می شوند عبارت اند از:

• کلیه جریان های فرآیند
• بخشی از جریان سرویس های جانبی مانند آب سرد یا بخار آب
• لوله کشی فرآیند
• سمبل و نام و کد شناسائی تجهیزات اصلی
• شیرها و شیرهای کنترلی که بر روی عملکرد سیستم اثر مستقیم می گذارند
• ارتباط با سایر سیستم ها
• انشعابات فرعی
• مقادیر عملکردی متغیرهای فرآیند
• ترکیب مایعات

اطلاعاتی که PFD ارائه نمی کند:

• نوع لوله
• شماره خط لوله
• انشعابات فرعی غیر مهم
• شیرهای جداسازی و توقف
• شیرهای ایمنی
• اطلاعات مربوط به کدها
• اطلاعات مربوط به ارتعاشات

نمونه ای از نقشه PFD:

3) نمودار لوله کشی و ابزاردقیق (P&ID)

این نوع نقشه براساس PFD رسم می شود؛به عبارت دیگر P&ID تکمیل شده PFD می باشد. علاوه بر نمایش فرآیندی و مکانیکی ،خطوط لوله ها  و تجهیزات ابزار دقیق  شامل اندازه گیری ها و توابع کنترل ،ارتباط بین این تجهیزات براساس فرآیند واحد و نحوه کنترل آن ها را نمایش می دهد.

اطلاعاتی که یک P&ID ارائه می دهد:

• تجهیزات مکانیکی به همراه شماره شناسائی
• خطوط لوله فرایندی شامل شماره شناسائی و مشخصات آن
• تجهیزات ابزار دقیق به همراه شماره شناسائی Tag num  آنها
• شیرآلات
• خطوط راه انداز
• جهت جریان ها
• محل های نمونه برداری از فرآیند
• ثبات ها
• فیتینگ های ویژه
• ورودی  خروجی اینترلاک ها
• ارتباط بین تجهیزات
• ارتباط تجهیزات ابزار دقیق با سیستم کنترلی

نمونه ای از نقشه P&ID:

4) نقشه ی جانمایی تجهیزات Plant Layout

این نوع نقشه ضمن نشان دادن ابعاد دستگاه ها،محل استقرار آن ها و فاصله میان هر یک را نشان می دهد.اگر یک واحد صنعتی در چند طبقه طراحی شده باشد،نقشه ی جانمایی دستگاه ها برای هر طبقه به صورت جداگانه رسم می شود.

نمونه ای از نقشه Plant Layout