تصمیمگیری چندمعیاری برای فرایند هیدروژناسیون کربن دیاکسید به متان با استفاده از چارچوب ارزیابی چرخه حیات-بهینهسازی چندهدفه
علی سیاح
مهندسی شیمی و نفت
۱۴۰۱
۱۱۷ص.
سی دی
کارشناسی ارشد
مهندسی شیمی گرایش طراحی فرایند
۱۴۰۱/۰۵/۱۲
افزایش آلودگی محیط زیست در دنیای امروزی، باعث نگرانی شدیدی شده است. یکی از راههای کنترل آلودگی محیط زیست، کاهش گازهای گلخانهای از جمله کربن دیاکسید است. روشهای مختلفی برای کاهش کربن دیاکسید موجود در جو مطرح شده است. یکی از موثرترین روشها، تبدیل کربن دیاکسید به محصولات هیدروکربنی ارزشمند مثل متان است. متان یکی از گازهای پرمصرف در صنایع و سطح شهری است. تبدیل کربن دیاکسید به متان توسط کاتالیست های فعالی صورت میگیرد که از جمله کاتالیستهای فعال در این زمینه می توان به کاتالیست های اکسید فلزی نیکل اشاره کرد که هم درصد تبدیل و هم انتخابپذیری برای محصولات مفید بالایی دارند. علیرغم این که فرایند تبدیل کربن دیاکسید باعث کاهش کربن دیاکسید موجود در جو میشود، میتواند برخی از آلایندههای سمی را وارد آب، خاک و هوا بکند. برای ارزیابی زیستمحیطی فرایندها، میتوان از روش قدرتمند ارزیابی چرخه حیات استفاده کرد که کل جریانات بالادستی و پاییندستی برای فرایند را در نظر میگیرد و درنهایت میزان انتشار آلایندهها را به تفکیک گروههای تأثیر مختلف نشان میدهد. در تحقیق حاضر هدف نهایی، تصمیمگیری برای انتخاب بهترین مسیر برای فرایند تبدیل کربن دیاکسید به متان است تا کمترین آلودگی زیستمحیطی و بیشترین بهرهوری را داشته باشد بدین منظور دو مسیر برای ارزیابی بهرهوری و زیستمحیطی دنبال شد. مسیر اول شامل ارزیابی چرخه حیات برای فرایند حاضر بوده است. نتايج اين مسير نشاندهنده برتري استفاده از كاتاليست Ni/Al2O3 نسبت به ساير جايگزينها از لحاظ آثار زيستمحيطي است. رتبهبندی (توربین بادی + گاز طبیعی) <(CIS-سلول خورشیدی + گاز طبیعی) < (سلول خورشیدی سیليكوني + گاز طبیعی) < (گاز طبیعی) < (زغال سنگ) <(سلول خورشیدی پروسکایت + گاز طبیعی) براي مشخص شدن اولويت انتخاب براي منابع توليد توان از نظر سازگاری با محیط زیست به دست آمد. مسیر دوم شامل مدلسازی ریاضی برای فرایند تبدیل کربن دیاکسید با درنظر گرفتن کاتالیست پايهنيكل بود. بهینهسازی چندهدفه برای یافتن مسیرهاي بهينه از لحاظ زیستمحیطی و بهرهوری انجام گرفت و در نهايت تصمیمگیری برای انتخاب بهترین مسیر برای فرایند تبدیل کربن دیاکسید به متان انجام شد. نتايج نشان داده شد كه يكي از بهترين مسيرها براي كمينه كردن گازهاي گلخانهاي و بيشينه كردن بهرهوري استفاده از پارامترهاي عملياتي 45/4 براي نسبت هیدروژن به کربن دیاکسید، 99/1 بار براي فشار، ℃358 براي دما و L/gcat.h6854 براي سرعت فضايي است.
Abstract: The proliferation of environmental pollution has posed problems nowadays. One of the efficient ways for monitoring air pollution can be limiting the greenhouse gase emissions like carbon dioxide emission. There are miscellaneous techniques for this purpose that has been mentioned during years. One of the eye-catching procedure is converting carbon dioxide to valuable materials and chemicals as methane. Methane is one of the useful gases that is consumed in cities and industries. CO2 methanation can be done by particular active catalysts like nickel-based catalysts. These catalysts have gained a lot of attentions because of their powerful traits like high CO2 conversion and high selectivity for valuable chemicals. Although CO2 hydrogenation process can help environment by reducing carbon in atmosphere, it can release toxic wastes and emissions to atmosphere, rivers and soil. It is viable to use life cycle assessment for assessing environmental pollutions and sustainability as a great and useful technique. This technique implements all upstream and downstream processes and calculate all emissions by allocating them to specific impact categories at last. In this research, the final goal is making a decision for best path for this process in order to reach to a minimum environmental pollution and maximum efficiency. In this research, two paths were followed to evaluate productivity and environment. The first path included life cycle assessment for the current process. The results of this route showed the superiority of Ni/Al2O3 catalyst compared to other alternatives in terms of environmental effects. The ranking of (wind turbine + natural gas) > (CIS-solar cell + natural gas) > (silicon solar cell + natural gas) > (natural gas) > (coal) > (perovskite solar cell + natural gas) was obtained to determine the priority for power generation sources in terms of compatibility with the environment. The second path included mathematical modeling for the carbon dioxide conversion process considering the nickel base catalyst. Multi-objective optimization was done to find the optimal routes in terms of environment and productivity, and finally, a decision was made to choose the best route for the carbon dioxide to methane conversion process. The results showed that one of the best ways to minimize greenhouse gases and maximize efficiency is to use operational parameters of 4.45 for hydrogen to carbon dioxide ratio, 1.99 bar for pressure, 358℃ for temperature and 16854 L⁄(g_cat.h) for space velocity.
Multi-criteria decision-making for CO2 hydrogenation to methane process using integrated life cycle assessment- multi-objective optimization framework