پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر

چکیده موضوع تحقیق: کمبود منابع آب شیرین و رشد شتابان جمعیت، توسعه و به‌کارگیری فناوری‌های نمک‌زدایی کارآمد را به ضرورتی انکارناپذیر برای تأمین پایدار آب شرب و صنعتی تبدیل کرده است. در این راستا، پژوهش حاضر به مدل‌سازی، اعتبارسنجی و ارزیابی فنی–اقتصادی دو فناوری پرکاربرد اسمز معکوس (RO) و تقطیر چندمرحله‌ای (MED) و همچنین ترکیب آن‌ها در قالب گزینه‌های منفرد و ترکیبی می‌پردازد.
روش تحقیق: در بخش مدل‌سازی، اجزای کلیدی هر فرایند شامل پمپ‌ها، مبدل‌های فشاری، واحدهای پیش‌تصفیه و بخش‌های اصلی نمک‌زدایی با دقت بالا و بر اساس روابط ریاضی معتبر شبیه‌سازی شده‌اند. داده‌های نرم‌افزار WAVE و اطلاعات میدانی واحدهای صنعتی موجود برای کالیبره کردن و اعتبارسنجی مدل‌ها به کار رفته تا نتایج حاصل از شبیه‌سازی به شرایط واقعی نزدیک شود. چهار پیکربندی مختلف شامل RO، MED، RO-MED و MED-RO تحت شرایط خوراک یکسان (۵۰,۰۰۰ مترمکعب در روز، شوری ۳۰,۰۰۰ بخش در میلیون) و محدودیت‌های عملیاتی مشخص مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتند. شاخص‌های ارزیابی شامل کیفیت محصول نهایی، میزان بازیابی آب، مصرف انرژی الکتریکی و حرارتی و هزینه ویژه تولید آب بودند.
نتایج اصلی: نتایج نشان داد که در مقایسه چهار گزینه منفرد و ترکیبی RO و MED، سامانه RO منفرد با هزینه ویژه آب 0.386 دلار بر مترمکعب اقتصادی‌ترین گزینه بود و نسبت به MED، RO-MED و MED-RO به‌ترتیب ۳۸ درصد، ۱۹ درصد و ۵۸ درصد هزینه کمتری داشت. در مقابل، کیفیت آب تولیدی آن به‌ترتیب ۹۳ درصد، ۴۲ درصد و ۴۷ درصد پایین‌تر بود. تحلیل حساسیت نیز نشان داد که افزایش قیمت برق هزینه RO منفرد را تا ۷۸ درصد افزایش می‌دهد، درحالی‌که افزایش هزینه سوخت در MED رشد هزینه‌ای تا ۸۵ درصد ایجاد می‌کند. همچنین، تغییر نرخ بهره بیشترین اثر را بر MED-RO داشت و هزینه آن را تا ۴۰ درصد افزایش داد. علاوه بر موارد فوق سامانه‌ ترکیبی RO-MED گزینه‌ای اقتصادی در برابر گزینه‌های موجود و درعین‌حال تضمین‌کننده آب باکیفیت است. این نتایج تأکید می‌کند که انتخاب فناوری بهینه وابسته به شرایط محلی از جمله قیمت انرژی، دسترسی به گرمای اتلافی و الزامات کیفی محصول است.

چکیده موضوع تحقیق: این پژوهش به طراحی و ارزیابی سامانه نوین یکپارچه برای تولید هم‌زمان چندگانه اختصاص دارد. هدف، توسعه فرایندی کارآمد است که قادر به تولید هم‌زمان چهار محصول برق، گرما، سرما و دی‌اکسیدکربن خالص باشد. نوآوری اصلی، استفاده ترکیبی از زیست‌گاز تولیدشده از تخمیر ذرت خوشه‌ای (به‌عنوان منبع سوخت تجدیدپذیر) و یک واحد جذب کربن با قابلیت انتشار خالص منفی است. یکپارچه‌سازی حرارتی، مانند استفاده از حرارت بازیافتی گازهای خروجی توربین گازی برای تأمین انرژی واحد جذب کربن، و بهره‌گیری از سرمایش ناشی از فرایند گاز طبیعی مایع‌شده (LNG)، از دیگر ویژگی‌های متمایز این طرح است.
روش تحقیق: سامانه طراحی‌شده متشکل از اجزای اصلی شامل توربین گازی، واحد جذب شیمیایی دی‌اکسیدکربن، چرخه ارگانیک رانکین (ORC) برای بازیابی حرارت تلف‌شده و تولید برق اضافی و دیگ بخار آب گرم برای تأمین گرمایش است. این سامانه توسط نرم‌افزار اسپن هایسیس شبیه‌سازی شد. برای ارزیابی جامع عملکرد، چهار نوع تحلیل موازی روی سامانه انجام گرفت: تحلیل انرژی، تحلیل اکسرژی، تحلیل اقتصادی و در نهایت تحلیل عاملی حسّاسیت. تحلیل عاملی مذکور به‌منظور بررسی تأثیر تغییرات کلیدی عملیاتی (مانند دمای هوای احتراق) بر شاخص‌های عملکرد و ارائه راهکارهای بهبود انجام شد.
نتایج اصلی: بر اساس نتایج شبیه‌سازی، بازده انرژی کلی فرایند معادل 52/19%، بازده اکسرژی 40/59% و بازده الکتریکی 41/96% محاسبه شد. مزیت بزرگ سامانه، صرفه‌جویی حدود 34/1% در مصرف سوخت در مقایسه با تولید جداگانه همان محصولات بود. از جنبه اقتصادی، نرخ هزینه کل سامانه ۴۹۶ دلار بر ساعت و هزینه هر واحد محصول 25/74 دلار بر گیگاژول برآورد شد. تحلیل اکسرژی نیز نشان داد که کل تخریب اکسرژی در سامانه برابر با ۸۶۹۴ کیلووات است. نتایج کلیدی تحلیل عاملی حاکی از آن بود که افزایش دمای هوای احتراق، به‌دلیل کاهش تخریب اکسرژی در برنر و مبدل حرارتی E-100، منجر به بهبود قابل‌توجه همه شاخص‌های عملکرد می‌شود. به‌طوری که با این افزایش، بازده انرژی، کارایی اکسرژی، بازده الکتریکی و نرخ ذخیره سوخت به‌ترتیب به مقادیر 0/6269، 0/4587، 0/4720 و 0/4288  ارتقا یافتند.