21966

21966

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

دكتري تخصصي

مهندسي شيمي

1398/7/2

دكتر شاهرخ شاه حسيني

دكتر احد قائمي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

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.

1399/02/31

Numerical simulation and experimental evaluation of CO2 adsorption process from flue gases in circulating fluidized bed (CFB)

9/24/2019 12:00:00 AM

Environmental concerns such as global warming and climate change have inspired researchers to develop more effective and improved processes for carbon dioxide (CO2) capture as the most important greenhouse gases (GHG).The main source of CO2 production and emission is the burning of fossil fuels in power plants and petroleum industries. Among the post combustion CO2 capture technologies, the absorption using amine solutions is applied in several industries. However, it has several issues including solvent losses, corrosion, hazardous byproducts, and high-energy requirement for regeneration. Therefore, the adsorption process using solid sorbents in fluidized bed is an encouraging alternative in CO2 capture from flue gas. In this project, the experimental evaluation and numerical simulation of CO2 capture from simulated flue gas using dry regenerable alkali metal carbonate based adsorbent K2CO3/Al2O3 in the fluidized bed were accomplished. Therefore, the solid sorbent particles of K2CO3/Al2O3 were prepared with the conventional impregnation technique and the sorbent was also characterized by XRD, BET, and SEM techniques. First, carbonation reaction was studied using a fixed bed reactor using response surface methodology (RSM). Then, based on the fixed bed results, the experiment of CO2 capture in a micro fluidized bed was investigated by RSM coupled with Box-Behnken design (BBD). In addition, the kinetic study was performed. Regarding to the analysis of variance (ANOVA) results, the temperature, the gas flow rate, the vapor pretreatment amount, and the mole ratio of H2O/CO2 are the most important factors affecting the adsorption capacity and the reaction rate constant, respectively. In addition, the semiempirical polynomials were developed to find the optimum condition corresponding to the highest adsorption capacity and reaction rate. Consequently, the optimum independent variables were 60 °C, 562 CCM, 22.2 mg of H2O, and 1 condition for the temperature, gas flow rate, vapor pretreatment amount, and mole ratio of H2O/CO2, respectively. The best response values of 67.39 and 86.97 mg of CO2/g of sorbent and 0.3402 and 0.1872 (min−1) were predicted for the adsorption capacity and reaction rate constant for fluidized and fixed bed, respectively, at the optimum conditions which were verified experimentally. Also, a CFD model for simulating CO2 capture in a circulating fluidized bed (CFB) was developed. Based on the simulation results, the optimum riser and downer velocity and temperature were 5.46 m/s, 0.2 m/s, 333.4 °K, and 564.4 °K, respectively. Also, in this optimum condition continuous CO2 removal from the CFB were predicted as 95.277%. In addition, the mean Sherwood and turbulence diffiusion coefficient in CFB were calculated as 0.000122 and 0.341 m2/s2, respectively. Finaly an equation for the removal percent of CO2 in CFB based on the non-dimentional numbers is presented with coefficient of determination (R2) 0.982. The optimized operating conditions were presented by means of RSM and validated. The results of this study could be applied for design and scale-up of CO2 capture from flue gas using solid sorbent in fluidized bed reactors.