SUPERVISOR
جواد عباسیان (استاد مشاور) محمدرضا احسانی (استاد راهنما)
STUDENT
Javad Esmaili Shahzadeh Ali Akbari
جواد اسمعیلی شاهزاده علی اکبری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1385
TITLE
Experimental Study and Modeling of CO2 Removal from Flue Gas using Potassium Carbonate on Alumina Support Sorbent
In this work, study on the carbon dioxide removal using potassium carbonate on alumina sorbent is carried out in various conditions. The potassium-based sorbents used in this study were prepared by impregnating K 2 CO 3 on Al 2 O 3 as support. The alumina granules were added to an aqueous solution of anhydrous potassium carbonate with particular concentration in deionized water (Initial solution concentration). Then, it was mixed with a magnetic stirrer at room temperature (Impregnation time). After that, the mixture was dried in a rotary vacuum evaporator. The dried samples were calcined in a furnace under a N 2 flow for a particular time at selected temperature (Calcination time and temperature). A fixed-bed Stainless-Steel reactor (diameter of 15 mm), which was placed in an electric furnace under atmospheric pressure was used for adsorption process. The sorbent was packed into the reactor. In order to prevent condensation of water vapor injected into the reactor and GC column the temperatures of the inlet and outlet lines of the reactor were maintained above 100°C. The outlet gas from the reactor was automatically analyzed every 5 min by a thermal conductivity detector (TCD), which was equipped with an auto sampler. The feed stream comprises of Nitrogen, carbon dioxide and water. The liquid water flowrate was controlled using a piston pump and the water was vaporized before entering the column. Both CO 2 and N 2 flowrates were controlled by independent mass flow controllers and these gases were mixed with the vaporized water inside the oven where experiments were done. The obtained results demonstrate that initial solution concentration has the greatest effect on sorbent capacity. Also, the impregnation time and calcination time has the smallest effect on sorbent loading, final sorbent structure. In the production of commercial sorbent, relatively high sorbent capture capacity are expected. Therefore, in order to optimize preparation condition, Minitab 14 is used. The optimum sorbent prepared was obtained by using initial solution concentration of 32.3 wt%, impregnation time of 13.4 hr, calcination temperature of 367 °C and calcination time of 4.1 hr. The optimum sorbent showed capture capacity of 77.21 mgCO 2 /g sorbent. It was observed that the experimental values obtained were in good agreement with the values predicted from the model, with relatively small errors between the predicted and the actual values. The statistical analysis of the influence of operating conditions, including adsorption and regeneration temperatures on sorbent capacity have been shown the maximum sorbent capture capacity was obtained at 64.4°C and 162.6°C, respectively, with the predicted sorbent capture capacity after 5 cycles of 56.68 mgCO 2 /g sorbent. The low-cost sorbent developed in this study showed 66.3 mgCO 2 /g of sorbent in the presence of 1.0% CO 2 and 9.0 vol.% of H 2 O at 60°C. The stability of capture capacity of the sorbent was higher than the one of the reference sorbent. Therefore, the sorbent structure is maintained during multiple cycles. The changes in the pore volume and surface area were 0.020cm 3 /g and 5.5m 2 /g, respectively. The SEM images confirm that the induced changes in the structure are minimal after 5 cycles. The obtained results from modeling in two sections (kinetics and fixed bed) demonstrate that models have proper accuracy for predicting process performance. In additional of comparison of models results with experimental values, effect of some parameters was studied. Key Words CO 2 Removal, Potassium dry sorbent, Flue Gas, Optimization, Low-cost sorbent, Modeling
در این تحقیق، مطالعه در زمینه حذف دیاکسیدکربن با استفاده از جاذب کربنات پتاسیم برپایه آلومینا در شرایط گوناگون انجام شده است. مطالعه تاثیر شرایط ساخت جاذب بر ظرفیت جاذب نهایی و یافتن شرایط بهینه برای ساخت جاذب در مقایهای بزرگ یکی از بخشهای این تحقیق است. پیش از این در تحقیقات گذشته، شرایط ثابتی برای ساخت جاذب در نظر گرفته شده و مطالعهای در زمینه بررسی تاثیر شرایط ساخت بر ظرفیت جاذب به عنوان مهمترین مشخصه جاذب انجام نشده است. ساخت جاذب ارزان قیمت و با ظرفیت بالا با استفاده از آلومینا با گرید صنعتی و نشان دادن مناسب بودن آن از جنبههای فنی و اقتصادی جهت کاربرد در حذف CO 2 ، یکی دیگر از بخشهای این تحقیق است. همچنین تاثیر وجود سایر ترکیبات آلاینده (از قبیل اکسیژن و دیاکسیدگوگرد) در گاز دودکش در شرایط واقعی مورد بررسی قرار گرفته است. مدلسازی سینتیکی و فرآیند جذب در بستر ساکن برای فراهم کردن ابزار مناسب برای طراحی فرآیند در مقیاسهای بزرگتر از دیگر اقدامات انجام شده در این طرح است. براساس نتایج بدست آمده، غلظت محلول اولیه بیشترین تاثیر را بر ظرفیت جاذب دارد. همچنین مدت زمان نشاندن و مدت زمان کلسینه کردن بر میزان ماده فعال و ساختار جاذب نهایی کمترین تاثیر را دارند. نتایج حاصل از بهینهسازی پارامترهای ساخت جاذب نشان داد که مقدار غلظت محلول اولیه wt%3/32، مدت زمان نشاندن hr4/13، دمای کلسینه کردن °C367 و مدت زمان کلسینه کردن hr1/4 باید در نظر گرفته شود تا حداکثر ظرفیت جاذب قابل پیش بینی (mg/g66/78) حاصل گردد. تحلیل آماری تاثیر دو پارامتر عملیاتی فرآیند حذف CO 2 شامل دمای مرحله جذب و احیا بر ظرفیت جاذب در جذب CO 2 نشان داد بالاترین ظرفیت جاذب در دمای مرحله جذب °C4/64 و دمای مرحله احیا °C 6/162 حاصل میشود و در این شرایط ظرفیت جاذب پس از پنج سیکل mg/g68/56 پیشبینی میشود. جاذب ارزان قیمت ساخته شده در این تحقیق با استفاده از خوراک حاوی 1% CO 2 و 9% آب در دمای °C60 ظرفیت mg/g3/66 را نشان داد. همچنین پایداری بالاتر جاذب نسبت به جاذب مرجع معرفی شده مشخص گردید. این جاذب قابلیت استفاده در مقیاس صنعتی برای انجام عملیات در راکتور بستر ساکن را دارا میباشد. مدلسازی جذب CO 2 توسط جاذب در دو بخش مدلسازی سینتیک واکنش (جذب تک ذره) و جذب در بستر ساکن حاوی ذرات جاذب انجام شده است. برای بخش مدلسازی تک ذره، مدل هسته واکنش نداده برای این منظور استفاده شده است. سه عامل واکنش شیمیایی، نفوذ در لایه محصول و نفوذ در فیلم گازی اطراف ذره جاذب به عنوان عوامل موثر در سرعت نفوذ اجزا و نتیجه غلظت در نظر گرفته شدهاند. به منظور بررسی صحت مدلسازی انجام شده در این بخش، نتایج حاصل از مدلسازی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده و دقت بالای مدل در پیشبینی نتایج آزمایشگاهی تایید گردید. براساس مدلسازی انجام شده تاثیر پارامترهای مختلف بر میزان تبدیل جاذب مورد بررسی قرار گرفت. در مدلسازی بستر ساکن با فرض جریان قالبی گاز در داخل بستر انجام شده و معادلات تغییرات غلظت در فاز جامد و گاز استخراج شده است. با حل این معادلات، منحنیهای تغییرات غلظت برحسب زمان و طول بستر استخراج شده است. منحنی تغییرات غلظت در خروجی بستر برحسب زمان با دادههای آزمایشگاهی بدست آمده در این تحقیق مقایسه شده که مطابقت خوبی را نشان داده است. در مجموع مدلسازی انجام شده امکان پیشبینی مناسبی از عملکرد فرآیند جذب را دارا میباشد و امکان استفاده از ابزار ایجاد شده برای اهداف مختلف از جمله طراحی فرآیند حذف CO 2 از گاز دودکش در مقیاسهای بزرگ و صنعتی وجود دارد.