بررسی مطالعاتی تهیه و ساخت جاذب های کربنی جهت ذخیره سازی گاز طبیعی

استفاده از سوختهای جایگزین در بخش حمل و نقل ،یک انتخاب کوتاه مدت و میان مدت برای رفع آلودگی های شهری و وابستگی شدید به سوختهای فسیلی است. از میان گزینهای موجود،گاز طبیعی به جهت سازگاری با محیط زیست و به دلیل فراوانی در کشورما، قطعاً یک گزینه مناسب برای جایگزینی سوختهای فسیلی خواهد بود.بطور کلی می توان مزیتهای این سوخت جایگزین را به صورت زیر برشمرد: الف)سوختی پاک: گاز طبیعی یک احتراق پاک و با بازده بالا عاری از گوگرد ،اکسیدهای سرب، بنزن و ذارت جامدفراهممی کند.سطح انتشارco2در این سوخت 23%کمتر از سوختهای متداول است وسطح انتشار co نیز تا85 % کاهش می یابد. ب) ارزان تر از بنزین و گازوئیل: بررسی ها در کشورهایی که وسایل نقلیه با سوخت گاز طبیعی در آنها به خوبی گسترش یافته است نشان می دهد که قیمت گاز طبیعی در آنها حداقل نصف قیمت بنزین است. ج)بازده بالا:به دلیل مقدار بالای شاخص عدد اکتان گاز طبیعی نسبت به بنزین،عملکرد موتورهای پایه گازسوز، حداقل تا 15%به علت نرخهای بالاتر تراکم پذیری سوخت گازی ،افزایش می یابد. د)ایمنی و عدم سمیت در جدول زیر به کشورهایی اشاره شده است که از وسایل نقلیه گاز سوز استفاده می کنند. جدولa:ارزیابی تعداد وسایل نقلیه گازسوز(ngvs) و تعداد جایگاه های سوختی در چندین کشور]1[ refueling station ngvs country refueling station ngvs country 39 14 000 brazil 504 385 500 argentina 22 4600 colombia 280 290 000 italy 12 3000 indonesia 187 205 000 ussr 6 2500 india 1102 40 000 e.u.a 12 2500 pakistan 245 25 000 new zeland 55 2415 germany 120 17 220 canada total in 48 countries:1002625 ngvs , 2789 refuelling station تاریخچه استفاده از سوخت گاز طبیعی در جهان تاریخجه استفاده از گاز طبیعی شاید از آغاز مطابق با ارائه نظریه دکتر ان.ا-اتو در رابطه با سیکل ترمودینامیکی موتورهای احتراق داخلی جرقه ای بوده که وی نظریه مربوط به تئوری کارکرد این موتور هادر سال 1876ارائه نمود و 2 سال بعد اولین موتور ساخته شده خود را در سال 1878در نمایشگاه بین المللی پاریس به جهانیان معرفی نمود. با توسعه تکنولوژی بشرو فراهم نمودن سوخت های مایع به واسطه سهولت ذخیره سازی آنها استفاده از گاز طبیعی فشرده به بوته فراموشی کشیده شد تا اینکه در طی بحبوحه جنگ دوم جهانی بواسطه کمبود منابع نفتی جهت به حرکت در آوردن ماشین های جنگی آلمان سوخت گاز طبیعی مجددا مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از این گاز به واسطه فراوانی و ارزانی سوخت های مایع مجددا تا دو دهه به تعویق افتاد، تا اینکه به واسطه بحران نفتی 1974دنیا استفاده از این سوخت جایگزین بواسطه مسا ئل اقتصادی، زیست محیطی و فنی و موتوری مورد توجه قرار گرفت و امروزه به صورت گسترده به عنوان سوخت خودروها کاربرد پیدا کرده است . ]2[ گاز طبیعی گاز طبیعی در واقع ،مخلوطی از ترکیبات هیدرو کربنی به همراه مقادیر اندکی از ترکیبات غیر هیدروکربنی مختلف (ازقبیل co2، he، h2sوn2) می باشد که یا در فاز گاز بوده و یا به صورت محلول در ذخایر طبیعی زیززمینی نفت خام یافت می شود. در جدول a، ترکیب درصد اجزاء مختلف موجود در گاز طبیعی نشان داده شده است. جدولb : درصد اجزای موجود در گاز طبیعی]1[ amount chemical formula component 70-90 % ch4 methane 0-20 % c2h6 ethane 0-20 % c3h8 propane 0-20 % c4h10 butane 0-8 % co2 carbon dioxide 0-0.2 % o2 oxygen 0-5 % n2 nitrogen 0-5 % h2s hydrogen sulphide همانطور که ازجدول بالا مشخص است،ترکیبات هیدروکربنی موجود در گاز طبیعی، به طور عمده شامل متان(50تا90%)، پروپان و بوتان می باشد. مزایای جذب در فشار پایین گاز طبیعی یک سوخت طبیعی است که به علت حضور یک جزء اصلی یعنی مولکول متان، نمی توان در دمای محیط آن را مایع کرد. بنابراین محتوی انرژی آن بر یک پایه حجمی کم است. در حال حاضر گاز طبیعی می بایستی برای ذخیره سازی در محدوده فشاری بین 180تا 240 اتمسفر فشرده شود. ابزارهای بکار گرفته شده در این محدوده فشار در مقایسه با ابزارهای ذخیره سازی و توزیع سوختهای مایع،گران قیمت، حجیم،سنگین و پیچیده هستند. بنابراین ذخیره سازی در محدوده فشارهای بالا در بسیاری اوقات غیر اقتصادی تلقی می شود. اما در تکنولوژیang گاز طبیعی در محدوده فشار atm 40-35 ذخیره خواهد شد. حتی بعضی محققین استفاده از فشارatm 21را برای ذخیره سازی پیشنهاد کرده اند. ذخیره سازی در چنین رنجی هزینه های عملیاتی و سرمایه گذاری را به مقدار زیادی کاهش خواهد داد. از مزایای سیستم ang که در فشار پایین عمل می کند می توان به شکل مخزن غیر استوانه ای و هزینه عملیاتی و ایمنی بالا نسبت به فشرده سازی اشاره نمود ]1[. در شکل a ، یک ملکول متان را مشاهده می کنید که جزءاصلی گاز طبیعی است که اغلب نسبت آن بالای 90%است. این مولکول از 4 اتم هیدروژن و یک اتم کربن ساخته شده است . شکلa: مولکول متان ذخیره سازی بوسیله جاذب محتمل ترین روش برای ذخیره سازی گاز طبیعی در فشار های پایین، جذب بر روی یک جاذب است که مولکولهای گاز را در حفره های خود محبوس می کند. به جهت جاذبه سطحی قوی جاذب متخلخل، فاصله بین مولکولهای گاز در حفره های جاذب بسیار کمتر از مولکولهای گاز فشرده شده در همان فشار است. به این دلیل،دانسیته گاز در داخل حفره های جاذب بسیار بیشتر از دانسیته گاز فشرده است. شکل b نحوه جذب متان را نشان می دهد . شکلb ]1[: نحوه جذب متان (1): فاز گازی (cng)و (2): فاز گازی جذب شدهَ(ang) نیروی جذب سطحی اعمال شده بوسیله جاذب باعث کاهش فاصله بین ملکولهای گاز درون بستر متخلخل می شود. از این رو سبب افزایش بطور قابل ملاحظه ی دانسیته فاز جذب شده می شود. با این مکانیسم و با بکارگیری جاذب ها، می توان ظرفیت ذخیره سازی گاز طبیعی را افزایش داد. در این عملیات جاذب سطحی نقش تعیین کننده ای بر عهده دارند بطوریکه بایستی حداکثر ظرفیت جذب را داشته باشند. هر جامد متخلخلی که متوسط قطر حفره های آن کوچکتر از nm2 باشد، می تواند گاز را به مقداری متناسب با حجم حفره هایش جذب کند.کربنهای فعال به جهت حجم بالای تخلخل ،توانایی موثر فشرده سازی آن و هزینه کم تولید،به عنوان جاذب، یک انتخاب مناسب برای جذب گاز طبیعی خواهند بود. همچنین فولرین ها و نانوتیوپ کربن به عنوان ترکیب کربنی نوین در این زمینه ظرفیت جذب ویژه ای از خودشان داده اند. هم اکنون تعدادی کربن فعال تجاری شده موجود است که می تواند در فشار atm35 همان مقدار از گاز را که جذب کند که با فشرده سازی طبیعی ، فقط در فشاری 5/2برابر بیشتر از این فشار امکان پذیر خواهد بود. ]2[ در فصل اول: به بررسی کربن فعال به عنوان یک جاذب ،مراحل تولید و فعالسازی ، انتخاب کربن فعال بهینه و نانو اکتیو کربن ، نحوه اندازه گیری bet ،کربن های فعال پیشرفته ، نالوله های کربنی و فولرین ها برای جذب گاز طبیعی می پردارزیم. در فصل دوم :به ساخت نانوکربن اکتیو ، بررسی جذب سطحی گاز بر روی نانو کربن اکتیو، تحلیل فرآیند جذب گاز طبیعی و معادلات حاکم برسیستم (ang) ،بررسی معادله ایزوترم tote و پارامترهای آن ، بررسی set-up آزمایشگاهی فرآیند ang و بهینه سازی به دو روش بیان شده است . در فصل سوم:اصول و نحوه شبیه سازی فرآیند جذب سطحی گاز بر روی جامد با استفاده از نرم افزار aspenadsim بیان شده است . در فصل چهارم: بستر جذب گاز طبیعی بر روی نانو اکتیو کربن به صورت بهینه شده در بستر ترکیبی گرانولی در فشارهای 30 و35 و40 اتمسفر در شرایط ایزوترم با نرم افزار apen adsim شبیه سازی شدده است و سپس به تحلیل نتایج پرداخته ایم .