آنالیز حساسیت و بهینه‌سازی اقتصادی پیکربندی‌های چند مرحله‌ای غشایی برای جداسازی دی اکسید کربن از متان

خادمی, سعید; کیان, ابوالفضل; ملکی, بصیر

doi:20.1001.1/ijge.2026.2081289.1115

آنالیز حساسیت و بهینه‌سازی اقتصادی پیکربندی‌های چند مرحله‌ای غشایی برای جداسازی دی اکسید کربن از متان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

سعید خادمی ¹

ابوالفضل کیان ²

بصیر ملکی ³

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی و مواد، دانشگاه صنعتی اسفراین، اسفراین، ایران

² دانشیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی و مواد، دانشگاه صنعتی اسفراین، اسفراین، ایران

³ استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی و مواد، دانشگاه صنعتی اسفراین، اسفراین، ایران

20.1001.1/ijge.2026.2081289.1115

چکیده

در این پژوهش، به‌منظور انجام یک ارزیابی فنی و اقتصادی مقایسه‌ای از سیستم‌های جداسازی غشایی گاز، شش پیکربندی شامل سامانه‌های تک، دو و سه مرحله‌ای با جریان برگشتی تراویده یا پسماند، مبتنی بر غشاهای از پیش‌ساخته شده شبیه‌سازی و بررسی شدند. این پیکربندی‌ها برای مطالعه موردی جداسازی CO₂ از CH₄ در محیط Aspen Plus طراحی و شبیه‌سازی شدند و سپس، با استفاده از محاسبات اقتصادی مقدماتی در همان نرم‌افزار، بهترین پیکربندی از منظر اقتصادی انتخاب شد. در ادامه، این پیکربندی برای انجام تحلیل‌های اقتصادی دقیق‌تر به محیط MATLAB منتقل شد.
بدین‌منظور، مقادیر تراوایی و انتخاب‌پذیری غشاهای مورد استفاده به‌عنوان داده‌های ورودی به برنامه MATLAB اعمال شد و خلوص و درصد بازیابی گازهای خروجی به‌عنوان خروجی مدل محاسبه گردید. سپس، شاخص جهانی عملکرد سیستم (IGP) که به‌صورت هم‌زمان بر پایه مجموع خلوص و درصد بازیابی گازها تعریف می‌شود، از نتایج فرآیندی محاسبه شد و از آن برای تعیین مناسب‌ترین غشا در پیکربندی منتخب استفاده گردید.
در مرحله بعد، با استفاده از ویژگی‌های فیزیکی و عملکردی غشای منتخب، تحلیل اقتصادی فرایند انجام شد و سه شاخص کلیدی شامل هزینه کل (Total Cost)، هزینه سرمایه‌گذاری (Capital Cost) و هزینه بهره‌برداری (Operating Cost) محاسبه شدند. نتایج نشان داد که غشاهایی با عمر مفید بیش از دو سال، به دلیل کاهش هزینه‌های تعویض و نگهداری، از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند؛ زیرا هزینه جایگزینی غشا تنها بخش کوچکی از هزینه کل سیستم را تشکیل می‌دهد. همچنین، دبی بهینه خوراک برای غشاهای با عمر مفید طولانی‌تر حدود ۱۲۰۰ مترمکعب بر ساعت به دست آمد، زیرا در این دبی، هزینه کل سیستم به حداقل می‌رسد. در مجموع، استفاده از غشاهای با عمر مفید بیشتر، همراه با تنظیم دبی خوراک در مقدار بهینه، می‌تواند موجب بهبود عملکرد اقتصادی فرایند جداسازی گاز شود.

کلیدواژه‌ها

جداسازی متان از دی اکسید کربن

غشای ماتریس آمیخته

شبیه سازی

Aspen Plus

ارزیابی اقتصادی

Matlab

موضوعات

مهندسی شیمی

عنوان مقاله English

Sensitivity Analysis and Economic Optimization of Multistage Membrane Configurations for Carbon Dioxide Separation from Methane

نویسندگان English

Saeid Khademi ¹

Abolfazl Kian ²

Basir Maleki ³

¹ M.Sc. Student, Department of Chemical Engineering, Faculty of Chemical and Materials Engineering, Esfarayen University of Technology, Esfarayen, Iran

² Associate Professor, Department of Chemical Engineering, Faculty of Chemical and Materials Engineering, Esfarayen University of Technology, Esfarayen, Iran

³ Assistant Professor, Department of Chemical Engineering, Faculty of Chemical and Materials Engineering, Esfarayen University of Technology, Esfarayen, Iran

چکیده English

In this study, in order to perform a technical and economic comparative evaluation of membrane gas separation systems, six configurations consisting of single, two and three stages with permeate or waste return flow of membrane systems equipped with prefabricated membranes were simulated. These systems were designed for a case study of CO₂ separation from CH₄ in Aspen Plus environment and then the best configuration from an economic perspective was selected by short-cut economic calculations in the same software. This configuration was then transferred to MATLAB environment for more precise economic analyses. For this purpose, the permeability and selectivities of the prefabricated membranes used in the project were given as inputs to the MATLAB program and the output of the model, which was the purity of the exhaust gases and their recovery, was calculated. The global system performance index or IGP, which is simultaneously composed of the sum of the purity and the percentage of gas recovery, was calculated based on the process outputs. Using this index, the best membrane for the selected configuration was determined. Then, based on the physical and functional characteristics of the best sample, process economics calculations were performed and three key parameters Total costs, Capital costs and Operating costs were calculated. Based on the calculation of these parameters, it was determined that membranes with a lifespan of more than 2 years have lower replacement and maintenance costs and are more economically viable, due to the fact that the replacement costs are only a small part of the total system costs. Also, the optimal flow rate for membranes with a longer lifespan is about 1200 m³/h, due to the fact that at this flow rate, the total system cost is the lowest. As a result, using membranes with a long lifespan and adjusting the flow rate during this lifespan can improve the economic efficiency of the gas separation process.

کلیدواژه‌ها English

Methane-carbon dioxide separation

Mixed matrix membrane

simulation

Aspen Plus

Economic evaluation

[1] Koutsiantzi C, Mitrakas M, Zouboulis A, Kellartzis I, Stavropoulos G, Kikkinides ES. Evaluation of polymeric membranes’ performance during laboratory-scale experiments, regarding the CO₂ separation from CH₄. Chemosphere. 2022;299:134224.

[2] Osman AI, Nasr M, Farghali M, Bakr SS, Eltaweil AS, Rashwan AK, et al. Machine learning for membrane design in energy production, gas separation, and water treatment: a review. Vol. 22, Environmental Chemistry Letters. 2024. p. 505–60.

[3] Ferro FS, Carmo BS. Numerical modeling and simulation of hollow fiber dense membranes for CO₂/CH₄ separation using CFD. J Memb Sci. 2025;729:124134.

[4] Yao X, Freger V, He X, Wang R, Kong B. Three-dimensional CFD modeling for hollow fiber gas separation membrane modules based on a dual porous media model. Chem Eng Sci. 2025;302:120864.

[5] Saidi M, Farokhi G. Membrane-based modeling and simulation of natural gas dehydration. In: Advances in Natural Gas: Formation, Processing, and Applications: Natural Gas Process Modelling and Simulation: Volume 8. 2024. p. 211–53.

[6] Vakylabad AB. Process modeling and simulation of nitrogen separation from natural gas. In: Advances in Natural Gas: Formation, Processing, and Applications: Natural Gas Process Modelling and Simulation: Volume 8. 2024. p. 335–66.

[7] Zabiri H, Kamaruddin B. Case studies of modeling and simulation of natural gas sweetening processes. In: Advances in Natural Gas: Formation, Processing, and Applications: Natural Gas Process Modelling and Simulation: Volume 8. 2024. p. 145–61.

[8] Vakylabad AB. Process modeling and simulation of natural gas sweetening by absorption processes. In: Advances in Natural Gas: Formation, Processing, and Applications: Natural Gas Process Modelling and Simulation: Volume 8. 2024. p. 3–29.

[9] Mirfasihi SS, Jomekian A, Bazooyar B. Modeling and simulation of hydrocarbon dew point adjustment of natural gas via supersonic separators. In: Advances in Natural Gas: Formation, Processing, and Applications: Natural Gas Process Modelling and Simulation: Volume 8. 2024. p. 279–310.

[10] Bilal Jan M, Ahmad Saddiqi H, Adil Khan M, Ullah A, Imran Ahmad M, Ahmad F. Optimizing propane–propylene separation via Aspen Plus simulation and machine learning-based predictive modeling. Sep Sci Technol. 2026;3:1–21.

[11] Xu J, Wang Z, Qiao Z, Wu H, Dong S, Zhao S, et al. Post-combustion CO₂ capture with membrane process: Practical membrane performance and appropriate pressure. J Memb Sci. 2019;581:195–213.

[12] Liu B, Yang X, Wang T, Zhang M, Chiang PC. CO₂ separation by using a three-stage membrane process. Aerosol Air Qual Res. 2019;19(12):167–75.

[13] Jomekian A, Behbahani RM. Experimental, modeling and AspenPlus Simulation of different configurations of membrane separation Systems for highly loaded CO₂ selective Pebax 1657-ZIF-8 membrane. J Membr Sci Res [Internet]. 2021;7. Available from: https://doi.org/10.22079/jmsr.2020.136920.1411

[14] Taifan GSP, Maravelias CT. Integrated membrane material design and system synthesis. Chem Eng Sci. 2023;269:134–42.

[15] Taifan GSP, Maravelias CT. Generalized optimization-based synthesis of membrane systems for multicomponent gas mixture separation. Chem Eng Sci. 2022;252:117482.

[16] Demirel SE, Li J, Hasan MMF. Membrane Separation Process Design and Intensification. Ind Eng Chem Res. 2021;60(19):7197–7217.

[17] Abejón R, Casado-Coterillo C, Garea A. Techno-Economic Optimization of Multistage Membrane Processes with Innovative Hollow Fiber Modules for the Production of High-Purity CO₂and CH₄ from Different Sources. Ind Eng Chem Res. 2022;61(23):8149–8165.

[18] Ahmad F, Lau KK, Shariff AM, Murshid G. Process simulation and optimal design of membrane separation system for CO₂ capture from natural gas. Comput Chem Eng. 2012;36:119–28.

[19] Choi J, Ideta K, Yi H, Kato T, Saito K, Watanabe H, et al. Marine biomass-derived activated carbon as an electrode material for electric double-layer capacitors. Carbon Lett. 2025;35(3):1221–33.

[20] Ismail AF, Lorna W. Penetrant-induced plasticization phenomenon in glassy polymers for gas separation membrane. Vol. 27, Separation and Purification Technology. 2002.