فرآیند تولید گاز دی اکسید کربن به روش جذب شیمیایی

مقدمه

کربن دی اکسید با نماد CO2 یکی از گاز های پر مصرف در صنعت می‌باشد.این گاز بر خلاف این که گاز گلخانه‌ای است اما یکی از گاز های حیاتی در صنعت معرفی می‌شود. به همین دلیل تولید CO2(دی اکسید کربن، گاز کربنیک) یکی از مسائل مهم برای صنعت ما می‌باشد. دی اکسید کربن یک کربن و دو اکسیژن در ساختار خود دارد. دی اکسید کربن به روش های مختلفی تولید می‌شود که بهترین روش، روش جذب شیمیایی می‌باشد که ما در این مقاله بیشتر به بررسی جذب CO2 با حلال آمین و جزئیات این روش خواهیم پرداخت.

مقدمه‌ای برای گاز دی اکسید کربن

گاز دی اکسید کربن با نماد CO2 یکی از گاز های گلخانه‌ای می‌باشد. دی اکسید کربن گازی بی رنگ و بی بو است که اغلب حاصل تنفس انسان ها و واکنش احتراق می‌باشد که پس از احتراق همراه بخار آب، کربن مونوکسید، نیتروژن و … می باشد. با این که کربن دی اکسید به دلیل اثرات گلخانه‌ای برای کره زمین مضر است اما منافع زیادی نیز دارد و در بسیار صنایع مانند جوشکاری، ریخته‌گری و… کاربرد فراوان دارد از این رو به دلیل نیاز بالا صنعت تولید دی اکسید کربن با خلوص بالا یک امر ضروری می‌باشد.

گاز کربنیک( CO2) هم به صورت گاز و هم به صورت جامد (یخ خشک)در صنعت های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی کربن دی اکسید

دی‌اکسید کربن گازی بی رنگ و بی بو با فرمول شیمیایی CO2 می‌باشد.  ترکیب شیمیایی دی‌اکسید کربن شامل ۱ اتم کربن و ۲ اتم اکسیژن می‌باشد که پیوند های دوگانه بین کربن و اکسیژن بر قرار است. دی‌اکسید کربن در واکنش با آب اسید کربنیک تشکیل می‌دهد. کربن دی اکسید  در دمای اتاق به حالت گاز است. چگالی گاز کربنیک از هوا بیشتر است و به همین دلیل در نقاط پایین تر تجمع میکنند. گاز کربنیک در دمای ۷۸.۵- مستقیما از جامد به گاز تبدیل می‌شود.

گاز CO2 صنعتی چگونه تولید می شود؟

اغلب مواقع گاز کربنیک به عنوان محصول جانبی در واکنش های مختلف مانند تولید گاز کربنیک حین تولید آهک، حین تخمیر قند در کارخانجات تولید کننده نوشابه های الکلی و…. تولید می‌شود.

روش غشایی نیز روش نوینی برای جذب و تولید کربن دی اکسید می‌باشد که با استفاده از غشا های نیمه تراوا کربن دی اکسید را جذب و جدا می‌کند.

بهترین روش برای تولید کربن دی اکسید خالص، روش جذب شیمیایی است.

در این روش کربن دی اکسید دود حاصل از احتراق جدا شده و با انجام عملیات هایی فراوری شده و آماده استفاده خواهد شد.

روش جذب شیمیایی در تولید گاز دی اکسید کربن

تولید گاز CO₂ در مقیاس صنعتی به روش جذب شیمیایی توجیه پذیر است. در این روش ابتدا گاز متان و هوا با هم در بویلر سوزانده می شوند و دود حاصل از این احتراق بعد سرد سازی وارد برج جذب می‌شود. سپس با استفاده از محلولی به نام مونواتانول آمین(MEA) کربن دی اکسید دود خنک شده جذب می‌شود.پس از این مرحله محلول آمین حاوی کربن دی اکسید به وسیله مبدل حرارتی کمی گرم شده و به وسیله پمپ به برج دفع منتقل می‌گردد و با استفاده از شوک حرارتی کربن دی اکسید از محلول جدا شده و مونواتانول آمین (MEA) به چرخه باز می‌گردد. سپس کربن دی اکسید جدا شده با استفاده از مبدل های حرارتی خنک شده و در سپریتور رطوبت آن تا حدودی گرفته می‌شود. با استفاده از پتاسیم پرمنگنات سولفور گاز گرفته شده تا خلوص گاز تولید شده افزایش یابد.

بعد از آن با استفاده از کمپرسور، چیلرها و شیر های انبساطی گاز تولیدی فشرده و خنک می‌شود تا بتوان برای ذخیره سازی راحت تر  گاز را به مایع تبدیل کرد. سپس گاز تولیدی در مخازن مخصوص که مخازن کرایوژنیک نام دارند ذخیره شوند.

در واکنش های تولید CO2 در ابتدا واکنش سوختن متان و اکسیژن اتفاق می افتد که با تنظیم کردن دبی متان و اکسیژن و مشعل بویلر سعی بر کامل سوختن متان خواهیم داشت

CH4+O2→CO2+H2O

سپس در برج جذب واکنش گاز با حلال MEA به صورت زیر خواهد بود.

RNH2 + 2CO2 + H2O  ⇌  RNH3+ + RNHCOO- + HCO3-

در این واکنش ابتدا دی‌اکسید کربن در فاز گاز با MEA در فاز مایع در برج جذب واکنش داده و جذب آمین می شود و با توجه به این که این واکنش برگشت پذیر می باشد، در برج جذب با استفاده از شوک دمایی دی اکسید کربن از آمین جدا شده و وارد مرحله خالص سازی می گردد.

مزایای و معایب تولید گاز کربن دی اکسید با روش جذب شیمیایی

درست است که تولید گاز کربن دی اکسید با روش جذب شیمیایی بازده بالا و صرفه اقتصادی  دارد و بهترین روش برای تولید صنعتی کربن دی اکسید است اما در این روش مصرف انرژی بالایی نیاز است و در طول زمان هزینه تعمیر و نگهداری بالایی نیاز دارد.در کل این روش در مقیاس صنعتی بسیار مناسب است ولی هزینه عملیاتی بالایی دارد.

مونواتانول آمین(MEA)

محلول مونو اتانول آمین دارای یک گروه الکلی و یک گروه آمینی است. این محلول خاصیت بازی داشته و سفید رنگ بوده و  بویی شبیه به بوی آمونیاک دارد. کمی خورنده و کاملا محلول در آب می‌باشد. از مونواتانول آمین در صنایع مختلف مثل صنایع نساجی و کاغذ، لوازم آرایشی و مواد شوینده و… استفاده می‌گردد. همچنین به دلیل آنکه مونو اتانول آمین جاذب دی اکسید کربن نیز هست در تولید گاز کربنیک نیز استفاده می‌شود. محلول مونواتانول آمین در دمای پایین دی اکسید کربن را جذب و در دمای بالا آنرا دفع می‌کند. با استفاده از همین ویژگی می‌توان دی اکسید کربن را از ناخالصی ها جدا کرد و کربن دی اکسید را با خلوص بالا تولید کرد.

کاربرد های دی اکسید کربن

دی اکسید کربن در ریختگری

دی اکسید کربن در صنعت ریخته گری در مرحله قالب سازی، تمیزکاری و کنترل دما نقش اساسی دارد. در مرحله قالب سازی دی اکسید کربن نقش محکم و پایدار کردن قالب را به عهده دارد و دیگر نیاز به حرارت نیست و برای قالب ها با جزئیات بالا بسیار مناسب است. از طرفی دیگر کربن دی اکسید می‌تواند به عنوان یک تمیز کننده برای حذف آلاینده هایی مثل اکسید های سولفور و نیتروژن استفاده شود. دی اکسید کربن برای تمیز کردن سطوح فلزات نیز استفاده می‌شود که می‌تواند روغن و آلودگی های سطح را از بین ببرد و سطح را پاک و برای مرحله بعدی آماده کند. در فرایند خنک سازی نیز می‌تواند بسیار کاربرد داشته باشد زیرا نسبت به هوا سرعت خنک سازی بهتری دارد و کیفیت و ابعاد آن قطعه بهبود می‌یابد.

دی اکسید کربن در صنایع غذایی

در نوشیدنی های گاز دار، دی اکسید کربن استفاده می‌شود و هم چنین به دلیل دمای پایین یخ خشک از آن برای حمل و نقل خوراکی ها استفاده می‌شود و همچنین در تولید نان و شیرنی دی اکسید کربن در فرایند تخمیر نان و تولید شیرینی استفاده می‌شودکه باعث می‌شود بافت این محصولات متخلخل و پف دار شود.

دی اکسید کربن در آتش نشانی

کربن دی اکسید در صنعت آتش نشانی به عنوان یک عامل خاموش کننده استفاده می‌شود.

کربن دی اکسید در آتش جایگزین اکسیژن می شود و همان طور که اطلاع دارید آتش زمانی شکل می‌گیرد و ادامه می‌یابد که سه عامل اکسیژن، ماده سوختنی و حرارت هم‌زمان وجود داشته باشند. این سه عامل را  مثلث آتش  می‌نامند و وقتی کربن دی اکسید جایگزین اکسیژن می شود یکی از اضلاع این مثلث از بین رفته و باعث خاموشی آتش می‌شود. غیر از این مورد، دی اکسید کربن به دلیل دمای پایین باعث می‌شود که حرارت کاهش یابد و با این کار یکی دیگر از اضلاع مثلث آتش از بین رفته و آتش خاموش می‌شود.

سیلندر های  آتش نشانی CO2 اغلب برای آتش‌سوزی الکتریکی استفاده می‌شوند و بسیار موثر هستند.

دی اکسید کربن در صنعت جوشکاری

کربن دی اکسید در صنعت جوشکاری به دلیل ارزان قیمت بودن نسبت به دیگر گاز های نجیب مثل آرگون بسیار پر کاربرد است. دی اکسید کربن اغلب به عنوان یک گاز محافظ در جوشکاری استفاده می‌شود. با حضور دی اکسید کربن، اکسیژن نمیتواند به حوضچه جوش وارد شود ودر ادامه جوشی تمیز و بدون تخلخل خواهیم داشت. همچنین برای بهتر شدن جوش می توان از میکس آرگون و کربن دی اکسید با درصد های مختلف استفاده نمود.

دی اکسید کربن در صنعت نفت

استفاده از گاز کربنیک در چاه های نفتی باعث بهره برداری بیشتر از معدن می‌شود. به این صورت که وقتی گاز کربنیک با فشار بالا به درون چاه ها تزریق می‌شود، گاز کربنیک وارد منافذ معدن شده و ویسکوزیته نفت را کاهش می‌دهد تا بتوان راحت تر نفت را استخراج کرد

سخن پایانی

دی اکسید کربن با این که یک گاز گلخانه ای محسوب می‌شود و برای سیستم گرمایش زمین مضر است، در صنایع مختلف کاربرد بسیار زیاد و حیاتی دارد. از این رو تولید کربن دی اکسید خالص بسیار مهم و ضروری می‌باشد و با توجه به روش های موجود، روش تولید گاز کربنیک با روش جذب شیمیایی، روشی مناسب برای تولید گاز کربنیک با خلوص بالا می‌باشد که این روش با استفاده از جاذب مونو اتانول آمین (MEA) انجام می‌شود. MEA در دمای پایین دی اکسید کربن را جذب کرده و در دمای بالا آن را دفع می‌کند.