شبيه‌سازي عددي و ارزيابي تجربي فرايند جذب سطحي دي‌اكسيد كربن از جريان گازهاي احتراقي در بسترهاي سيال چرخشي (CFB)

دكتري تخصصي

تغييرات آب‌وهوا و گرمايش زمين يكي از مهم‌ترين ملاحظات زيست‌محيطي بوده كه در سال‌هاي اخير توسعه و بهبود فرايندهاي جداسازي دي‌اكسيد كربن به‌عنوان مهم‌ترين گاز گلخانه‌اي موردتوجه محققان قرارگرفته است. اصلي‌ترين منشأ توليد و انتشار دي‌اكسيد كربن احتراق سوخت‌هاي فسيلي در نيروگاه‌ها و صنايع نفتي است. ازجمله روش‌هاي پس احتراقي بكار رفته در صنايع روش جذب گازي با حلال آمين است؛ اما اين روش با مشكلاتي مهمي از قبيل هزينه بالاي احياي جاذب، خوردگي، محصولات جانبي خطرناك و از دست رفتن حلال مواجه است. لذا گزينه‌ي ديگر بجهت جداسازي دي‌اكسيد كربن از گازهاي احتراقي استفاده از جاذب‌هاي جامد در بسترهاي سيال است. در اين پژوهش جداسازي دي‌اكسيد كربن از گازهاي احتراقي شبيه‌سازي‌شده با استفاده از جاذب‌هاي جامد كربنات پتاسيم بر پايه آلومينا K2CO3/Al2O3 در بسترسيال به‌صورت تجربي و شبيه‌سازي مورد ارزيابي قرارگرفته است. بدين منظور جاذب‌هاي جامد K2CO3/Al2O3 به روش تلقيح مرطوب ساخته‌شده و مشخصات فيزيكي و شيميايي آن توسط آناليزهاي XRD، BET و SEM بررسي شد. در ابتدا واكنش جذب در بستر ثابت به‌صورت تجربي و با استفاده از روش طراحي آزمايش RSM مطالعه شد و سپس با توجه به نتايج آزمايش‌هاي بستر ثابت، آزمايش‌هاي جذب دي‌اكسيد كربن در بسترسيال با استفاده از روش BBD و طراحي آزمايش RSM بررسي شد. همچنين با انجام مطالعات سينتيكي واكنش، شرايط بهينه فرايند جهت دستيابي به بيشينه ظرفيت جذب و سينتيك واكنش توسط روش RSM ارائه گرديد. طبق نتايج آناليز واريانس به ترتيب دما، دبي سيال، ميزان پيش‌آمايش و نسبت مولي بخارآب به دي‌اكسيد كربن از مهم‌ترين پارامترهاي تأثيرگذار بر فرايند جذب هستند. علاوه بر اين، روابط چندجمله‌اي نيمه تجربي جهت يافتن نقطه بهينه جهت دستيابي به بيشترين ظرفيت جذب و ثابت سينتيك واكنش ارائه گرديد. درنتيجه شرايط بهينه 60 درجه سانتيگراد، 562 سانتيمتر مكعب بر دقيقه، 22/2 ميلي‌گرم آب و 1 براي متغيرهاي به ترتيب دما، دبي گاز، ميزان پيش‌آمايش و نسبت مولي بخار به دي‌اكسيد كربن حاصل شد. در شرايط بهينه ميزان ظرفيت جذب در بسترثابت و سيال به‌‌ترتيب برابر 86/97 و 67/39 ميلي‌گرم دي‌اكسيد كربن به ازاي هر گرم جاذب و ثابت سينتيك واكنش 0/3402 بر دقيقه ارائه شد. همچنين ثابت سينتيك واكنش غيرفعال شدن برابر 0/1874 بر دقيقه بدست آمد. مقايسه علاوه بر اين، يك مدل CFD جهت شبيه‌سازي فرايند جذب دي‌اكسيد كربن در بسترسيال چرخشي توسعه داده شد. با استفاده از نرم‌افزار RSM شرايط بهينه عملياتي بسترسيال چرخشي ارائه و اعتبارسنجي گرديد. بطوريكه سرعت ستون بالارونده و پايين رونده برابر 5/46 و 0/2 m/s و دماي ستون بالارونده و پايين رونده برابر 333/4 و 564/4 درجه كلوين پيشنهاد شد. در اين شرايط درصد حذف CO2 برابر 95/277 درصد پيش‌‌بيني شد. همچنين مقدار متوسط عدد شروود و ضريب پخش اغتشاش محوري فاز جامد در بسترسيال چرخشي برابر 0/00122 و 0/341 m2/s2 بدست آمد. درنهايت نيز يك رابطه براي درصد حذف CO2 در بسترسيال چرخشي با توجه به اعداد بدون بعد فرايند با ضريب تعيين0/982 ارائه گرديد. اطلاعات اين پژوهش جهت طراحي و افزايش مقياس فرايند جذب سطحي دي‌اكسيد كربن از گازهاي احتراقي روي جاذب‌هاي جامد در بسترهاي سيال قابل‌استفاده خواهد بود.

194325

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر احد قائمي

مهندسي شيمي

دكتر شاهرخ شاه حسيني