توصيفگر ها :
هيدروژناسيون co2 , گاز سنتز , راكتور RWGS , سنتز فيشرتروپش , الفين سبك , شبيه سازي , بهينه ساز ي
چكيده فارسي :
در سالهاي اخير، كاهش منابع سوختهاي فسيلي و افزايش انتشار گازهاي گلخانهاي، ضرورت توسعه فناوريهاي پايدار را براي كاهش اثرات زيستمحيطي دوچندان كرده است. هدف اصلي اين تحقيق، ارائه راهكاري براي استفاده بهينه از گازهاي زائد صنعتي و كاهش انتشار CO2 از طريق تبديل آن به محصولات با ارزش افزوده است. يكي از راهكارهاي مؤثر در اين زمينه، تبديلCO2 به محصولات ارزشمند نظير گاز سنتز و الفينهاي سبك است كه نقش كليدي در كاهش انتشار كربن و استفاده بهينه از منابع تجديدپذير ايفا ميكند. در مجموع، اين پژوهش راهكاري مؤثر براي تبديل گاز گلخانهاي CO2 به محصولات با ارزش افزوده ارائه ميدهد و ميتواند به كاهش اثرات زيستمحيطي صنايع و توسعه فناوريهاي پايدار كمك كند.
در اين پژوهش، الفينهاي سبك شامل اتيلن، پروپيلن و بوتن بهعنوان محصولات اصلي انتخاب شدهاند، چرا كه اين تركيبات از مهمترين مواد اوليه در صنعت پليمر و توليد پليالفينها محسوب ميشوند همچنين، متان و پارافينهاي سبك بهعنوان محصولات جانبي فرآيند در نظر گرفته شدند. ابتدا، شبيهسازي يك سيستم يكپارچه شامل راكتورهاي RWGS و فيشرتروپش توسط نرمافزار Aspen Hysys V11 انجام شد. در مرحله اول، راكتور RWGS بهمنظور تبديل به گاز سنتز به كار گرفته شد و شبيهسازي فرايند آن انجام شد. سپس، تركيب خروجي اين راكتور بهعنوان خوراك وارد راكتور فيشرتروپش شد تا الفينهاي سبك توليد شوند. براي بررسي عملكرد فرآيند، شش سناريوي مختلف با هدف بهبود شرايط، شبيهسازي شدند و نتايج حاصل از اين سناريوها گزارش گرديد. در اين مطالعه، با هدف بهينهسازي شرايط عملياتي، افزايش توليد الفينها و كاهش توليد محصولات جانبي نامطلوب، تأثير پارامترهاي كليدي فرآيند از جمله نسبت مولي خوراك، دما و فشار راكتورهاي RWGS و فيشرتروپش براي تمامي سناريوها، بهصورت جامع تحليل و بهينهسازي شد. مقايسه سناريوهاي مختلف نشان ميدهد كه افزايش دما از 600 درجه سلسيوس به 1000 درجه سلسيوس و تنظيم بهينه نسبت خوراك H₂/CO₂ تأثير قابلتوجهي در افزايش بازده توليد گاز CO، كاهش توليد متان و همچنين افزايش توليد الفينهاي سبك دارد. در حالي كه، افزايش فشار از 1 بار به 22 بار منجر به كاهش توليد CO و افزايش توليد محصول جانبي متان ميشود.
در نهايت، براي سناريوهاي بهينه شده، ارزيابي اقتصادي بر اساس معيارهايي مانند هزينه سرمايهگذاري اوليه، هزينههاي عملياتي و درآمد ساليانه انجام شد. در نهايت، سناريوي سوم، كه در آن راكتور RWGS در دماي 950 درجه سلسيوس و فشار 22 بار عمل ميكند و هيدروژن اضافي به راكتور فيشرتروپش تزريق شده است، بهعنوان گزينه بهينه از نظر اقتصادي انتخاب شد. اين سناريو با دستيابي به ميزان تبديل CO₂ معادل 72%، بيشترين ارزش فعلي خالص (NPV) و نرخ بازگشت داخلي (IRR) برابر با 42% را ارائه داده و همچنين كوتاهترين دوره بازگشت سرمايه (59/2 سال) را در ميان سناريوهاي بررسيشده داراست. اين نتايج نشاندهنده برتري اقتصادي سناريوي سوم در مقايسه با ساير گزينهها است.اين برتري ناشي از درآمد ساليانه بالاتر و كاهش هزينههاي سرمايهگذاري و عملياتي در اين سناريو است. به همين دليل، پيشنهاد ميشود كه اين سناريو براي كاربردهاي صنعتي در مقياس بزرگ مورد بررسي و ارزيابي بيشتر قرار گيرد. با انجام بهينهساز ي انرژي براي اين سناريو، مصرف انرژي از 920 ميليون كيلوژول بر ساعت به 720 ميليون كيلوژول بر ساعت كاهش يافت.
چكيده انگليسي :
In recent years, the depletion of fossil fuel resources and the increase in greenhouse gas emissions have underscored the necessity of developing sustainable technologies to mitigate environmental impacts. The primary objective of this research is to propose a solution for the efficient utilization of industrial waste gases and the reduction of CO₂ emissions by converting them into value-added products. A key approach is converting CO₂ into syngas and light olefins to cut carbon emissions and enhance renewable resource use. Overall, this study presents an effective strategy for transforming CO₂, a greenhouse gas, into value-added products, which can contribute to reducing the environmental footprint of industries and fostering the development of sustainable technologies. In this research, light olefins, were selected as the main products. Additionally, methane and light paraffins were considered as byproducts of the process. Initially, an integrated system comprising RWGS and Fischer-Tropsch reactors was simulated using Aspen Hysys V11 software. In the first stage, the RWGS reactor was utilized for syngas production, and its process was simulated. Then, the output composition of this reactor was used as feedstock for the Fischer-Tropsch reactor to produce light olefins. To evaluate the process performance, six different scenarios were simulated with the aim of optimizing the operating conditions, and the results were reported. In this study, a comprehensive analysis and optimization of key process parameters including feed molar ratio, temperature, and pressure of the RWGS and Fischer-Tropsch reactors were conducted for all scenarios. The goal was to enhance operational conditions, increase olefin production, and minimize undesirable byproducts. A comparison of different scenarios indicates that increasing the temperature from 600°C to 1000°C and optimizing the H₂/CO₂ feed ratio significantly improve CO yield, reduce methane formation, and enhance light olefin production. However, increasing the pressure from 1 bar to 22 bar leads to a decrease in CO production and an increase in methane as a byproduct. Finally, for the optimized scenarios, an economic evaluation was performed based on criteria such as initial capital investment, operating costs, and annual revenue. The third scenario, in which the RWGS reactor operates at 950°C and 22 bar while additional hydrogen is injected into the Fischer-Tropsch reactor, was identified as the optimal economic option. This scenario achieved a CO₂ conversion rate of 72%, the highest net present value, and an internal rate of return of 42%, with the shortest payback period of 2.59 years among the evaluated scenarios. These results highlight the economic superiority of the third scenario compared to other alternatives, primarily due to higher annual revenue and reduced capital and operational costs. Therefore, it is recommended that this scenario be further examined for large-scale industrial applications. Additionally, by implementing energy optimization for this scenario, energy consumption was reduced from 920 million kJ per hour to 720 million kJ per hour.