مدلسازی، شبیه سازی و بهینه سازی فرایند جذب سطحی جهت ذخیره سازی گاز طبیعی

مزایای فراوان گاز طبیعی در مقایسه با سایر سوخت های متداول مایع و جامد، این منبع عظیم انرژی را به عنوان یکی از مهمترین منابع تامین کننده انرژی مورد نیاز جهان معرفی می نماید. روش جذب سطحی (ang) با توجه به مزایای متعدد در مقایسه با سایر روش های مرسوم انتقال و ذخیره سازی گاز طبیعی مانند cng، در چند دهه اخیر بسیار مورد توجه بوده است. بخش اصلی فرایند مذکور، جاذب های آن می باشد که نقش تعیین کننده ای در موفقیت فرایند ang ایفا می نمایند. در این پایان نامه، هدف دستیابی به جاذب یا جاذب هایی بهینه به منظور استفاده در فرایند ang می باشد. به دلیل معیارهای عملی مناسب مانند ظرفیت جذب، ظرفیت کاری جاذب، اندازه حفرات و گرمای جذب، جاذب های متخلخل پیشرفته نظیر mof، cof و ppn نقش گسترده ای در ذخیره سازی گاز طبیعی ایفا می نمایند. هر چند این دسته از مواد از لحاظ گرمای جذب و اندازه حفرات دارای شرایط مطلوبی هستند اما اغلب از ظرفیت جذب متوسطی در حدود vstp/v 160 برخوردار می باشند که لزوم اتخاذ راهکارهایی مناسب جهت افزایش ظرفیت در آن ها را روشن می سازد. ایجاد سایت های فعال فلزی و همچنین استفاده از روش های پیشرفته شبیه سازی مولکولی از جمله موثرترین این راهکارها شناخته می شوند. در این رساله، ابتدا به صورت آزمایشگاهی اثر افزودن فلز لیتیوم به ساختار جاذب mg-mof-74 بکار گرفته شد که نتایج به دست آمده در دماهای مختلف، نشان دهنده افزایش 25 تا 35 درصدی ظرفیت جذب متان در جاذب مذکور می باشد. در گام بعدی با استفاده از روش شبیه سازی مولکولی مونت کارلو، اثر فلزات و اتصال دهنده های آلی مختلف بر عملکرد جذب دو دسته از جاذب های خانواده mof-74 و pcn مورد بررسی قرار داده شد. جاذب fe-mof-74 به عنوان یکی از بهترین جاذب های متان برای اولین بار از نتایج مطالعات شبیه سازی این رساله، معرفی گردید. جاذب مذکور ضمن دارا بودن ظرفیت جذبی فراتر از استاندارد سازمان انرژی امریکا ( doe)، یعنی vstp/v 25/186، دارای گرمای جذب بسیار مناسب در حدود kj/mol 50/14 می باشد. علاوه بر این، با انجام آزمایشات مختلف و با سنتز جاذب zif-7 از دو طریق متداول مایکروویو و حلال-گرمایی، در این رساله مقایسه جامعی در مورد خصوصیات جاذب های تولیدی انجام شد که معلوم گردید روش مایکروویو با توجه به کاهش چشمگیر زمان تولید، برتری قابل توجهی نسبت به روش حلال-گرمایی در تولید جاذب های متخلخل پیشرفته دارد. در بخش دیگری از این رساله، با ارائه دو روش نوین به نام های shn1 و shn2 بر مبنای تئوری های رگولاریزاسیون و معکوس، دقت روش های مذکور در محاسبه دقیق یکی از کلیدی ترین خصوصیات جاذب ها یعنی اندازه متوسط حفرات، در مقایسه با سایر روش های متداول ارزیابی گردید. نتایج به دست آمده از انجام آزمون های مختلف، برتری قابل توجه دو روش پیشنهادی فوق را در مقایسه با روش های پرکاربردی نظیر dft، bjh و nd اثبات می کند. در پایان نیز با ارائه معیاری جدید با نام muc بر مبنای اصلاح روش uc، امکان محاسبه دقیق تر و سریع تر پارامتر بهینه رگولاریزاسیون، به عنوان اصلی ترین عامل روش های مبتنی بر تئوری رگولاریزاسیون، مورد ارزیابی واقع گردید. عملکرد مثبت روش پیشنهادی muc، از طریق به کارگیری آزمون های مختلف نمایان گردید و در نهایت نشان داده شد که به کارگیری روش مذکور در کنار دو روش shn1 و shn2 دارای نتایج مطلوبی در تعیین اندازه متوسط حفرات انواع جاذب های مرسوم (مانند کربن فعال) و نوین (مانند انواع مواد متخلخل پیشرفته) می باشد.