شبیه‌سازی مولکولی جذب سطحی مخلوط گازهای H2S، CO2 و CH4 روی زئولیت Si-CHA با استفاده از روش مونت‌کارلو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند

2 دانشیار مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند

3 دانشجوی دکتری مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند

10.22034/ijche.2023.374028.1256

چکیده

در این مقاله شبیه‌سازی‌ مولکولی مونت‌کارلو برای مطالعۀ حذف H2S و CO2 از جریان گاز طبیعی با زئولیت‌ چابازیت بررسی شده‌است. ابتدا، منحنی ایزوترم جذب CH4، CO2 و H2S  به‌صورت خالص برروی زئولیت Si-CHA در محدودۀ فشار 200-0 کیلوپاسکال در دماهای 298، 323 و 348 کلوین شبیه‌سازی و با نتایج تجربی مقایسه شد، به‌طوری‌که میانگین خطای حساب‌شده از شبیه‌سازی، نسبت‌به داده‌های تجربی برای گازهای مذکور در دمای 298 کلوین به‌ترتیب 3/18، 6/6
و 8/9 درصد به‌دست آمد. آنالیز گرمای جذب نیز حاکی از جذب فیزیکی هر سه گاز بود. در ادامه، ایزوترم‌های ترکیبات دوجزئی و سه‌جزئی گازهای فوق در محدودۀ ترکیب 90-70% گاز CH4 بررسی شد. نتایج نشان داد که تمایل زئولیت چابازیت به جذب CO2 و H2S به‌دلیل عامل قطبیت بالای آن بیشتر از گاز متان است؛ به‌طوری‌که انتخاب‌پذیری چابازیت هم در مخلوط‌های دوجزئی و هم سه‌جزئی برای CO2 و H2S نسبت‌به متان به‌ترتیب حدود 2 و 4 به‌دست آمده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Molecular Simulation of Adsorption of H2S, CO2 and CH4 Gas Mixtures Onto Si-CHA Zeolite Using the Monte Carlo Method

نویسندگان [English]

  • E. Shabani 1
  • J. Rahbar Shahrouzi 2
  • S. Abbasi Sedaghat 1
  • H. Maghsoudi 3
  • S. Ziaei 3
1 M. Sc. in Chemical Engineering, Sahand University of Technology
2 Associate Professor of Chemical Engineering, Sahand University of Technology
3 Ph. D. Student of Chemical Engineering, Sahand University of Technology
چکیده [English]

In this work, the Monte-Carlo molecular simulation was applied to study the adsorption of H2S and CO2 from natural gas onto silica chabazite zeolite. The isothermal adsorption curves of pure CH4, CO2, and H2S on zeolite were simulated in a pressure range of 0-200 kPa at the temperature of 298, 323 and 348 K. The heat of adsorption analysis indicated that the physical adsorption has occurred. The simulation results showed a good agreement with experimental data and the average relative error of simulated results in 298 K for those gases were reported as 18.31%, 6.6%, and 9.8%, respectively. The isotherm of dual and triple combinations of these gases has been studied in the composition range of 70-90% of CH4. Results indicate that the tendency of chabazite for adsorption of H2S is much more than two other gases, because of its high polarity. In addition, results report that the selectivity of CO2 and H2S on chabazite in dual and triple gas mixtures are almost 2 and 4, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Adsorption
  • Chabazite Zeolite
  • Hydrogen Sulfide
  • Molecular Simulation
  • Monte Carlo Method

مراجع

[1]        Vahidi, M., Shahri, S., Goharrokhi, M., Khakdaman, H. R., Abdollahi, N. A., & Hosseini, J. M. (2010). Thermodynamic Study of H2S Solubility in Aqueous Solutions of MDEA, MEA, DIPA and DEA. Journal of Petroleum Research, 20(63), 49-56. [In Persian]
[2]        Kohl, A. L., & Nielsen, R. (1997). Gas purification. Elsevier.
[3]        Yi, H., Deng, H., Tang, X., Yu, Q., Zhou, X., & Liu, H. (2012). Adsorption equilibrium and kinetics for SO2, NO, CO2 on zeolites FAU and LTA. Journal of hazardous materials, 203, 111-117. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.11.091.
[4]        Yu, C. H., Huang, C. H., & Tan, C. S. (2012). A review of CO2 capture by absorption and adsorption. Aerosol and air quality research, 12(5), 745-769. https://doi.org/10.4209/aaqr.2012.05.0132.
[5]        Inglezakis, V. J., & Zorpas, A. A. (Eds.). (2012). Handbook of natural zeolites. Bentham Science Publishers.
[6]        Mafra, L., Vidal-Moya, J. A., & Blasco, T. (2012). Structural characterization of zeolites by advanced solid state NMR spectroscopic methods. In Annual reports on NMR spectroscopy. Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397020-6.00004-0.
[7]        Smit, B., & Krishna, A. (2003). Molecular simulations in zeolitic process design. Chemical Engineering Science, 58(3-6), 557-568. https://doi.
org/10.1016/S0009-2509(02)00580-8.
[8]        Castillo, J. M. (2010). Molecular simulations in microporous materials: adsorption and separation [PhD thesis, University of Granada].
[9]        Kristóf, T., & Bucsai, D. (2022). Atomistic simulation study of the adsorptive separation of hydrogen sulphide/alkane mixtures on all-silica zeolites. Molecular Simulation, 48(1), 31-42. https://doi.org/10.1080/08927022.2021.1914336.
[10]      Song, L., Du, X., Chen, Y., Yang, Z., Ran, J., Yang, G., Shi, Q., & Xue, Z. (2021). Screening of zeolites for H2S adsorption in mixed gases: GCMC and DFT simulations. Microporous and Mesoporous Materials, 328, 111495. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2021.111495.
[11]      Maghsoudi, H., & Soltanieh, M. (2014). Simultaneous separation of H2S and CO2 from CH4 by a high silica CHA-type zeolite membrane. Journal of Membrane Science, 470, 159-165. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.07.025.
[12]      Vujić, B., & Lyubartsev, A. P. (2016). Transferable force-field for modelling of CO2, N2, O2 and Ar in all silica and Na+ exchanged zeolites. Modelling and simulation in Materials science and Engineering, 24(4), 045002. https://doi.org/10.1088/0965-0393/24/4/045002.
[13]      Bahamón García, D. (2015). New generation adsorbents for gas separation: from modeling to industrial application [PhD thesis, Universitat Autònoma de Barcelona].
[14]      Ahmed, A. (2015). Molecular Simulation Study of Gas Storage and Separation by Novel Micropore Architectures [PhD thesis, Swinburne University of Technology].
[15]      Jia, J., Song, H., & Jia, P. (2023). Molecular Simulation of Methane Adsorption Properties of Coal Samples with Different Coal Rank Superposition States. ACS omega, 8(3), 3461-3469. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c07471.
[16]      Jalili, S. (2011). Computer Simulations (molecular dynamics & monte carlo) (2nd ed.). K. N. Toosi University Press. [In Persian]
[17]      Hasanzadeh, A., Azamat, J., Pakdel, S., Erfan-Niya, H., & Khataee, A. (2020). Separation of noble gases using CHA-type zeolite membrane: insights from molecular dynamics simulation. Chemical Papers, 74, 3057-3065. https://doi.org/10.1007/s11696-020-01139-9.
مهندسی شیمی ایران
دوره 23، شماره 132
فروردین و اردیبهشت 1403
صفحه 85-99

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار