TOA08 SÜPERKRİTİK KARBON DİOKSİTİN (CO 2 ) FARKLI KALİTEDE ARGONNE KÖMÜRLERİNE ADSORPSİYONU

Transkript

1 TOA08 SÜPERKRİTİK KARBON DİOKSİTİN (CO 2 ) FARKLI KALİTEDE ARGONNE KÖMÜRLERİNE ADSORPSİYONU Ekrem Özdemir (i), H. Erbil Abacı (i), Özgür Şen (i), Karl Schroeder (ii), Badie Morsi (iii), ve Robert Enick (iii) (i) İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Bölümü, Gülbahçe Kampüsü, Urla, İzmir (ii) Department of Energy (DOE)- National Energy Technology Laboratory (NETL), Pittsburgh, PA (iii) University of Pittsburgh, Chemical and Petroleum Engineerinf Department, Pittsburgh, PA ÖZET Bu çalışmada, volümetrik yöntemle CO 2 in Argonne kömürleri üzerine 55 o C da ve 15 MPa basınçlara kadar deneysel adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermleri elde edilmiştir. CO 2 in kritik sıcaklık ve basıncı sırasıyla 31.1 o C ve 7.38 MPa olduğu göz önüne alındığında, 55 o C sıcaklık ve 7.38 MPa ve üzerindeki basınçlarında CO 2, süperkritik CO 2 olmaktadır. Elde edilen izotermler, yüksek basınçtaki mevcut izotermlerle karşılaştırılmıştır. Deneysel (excess) adsorpsiyon izotermleri 9 MPa basınçlara kadar Langmuir tip izotermlere benzerken, bu basınçlardan yüksek değerlerde, deneysel adsorpsiyon izotermlerinde birden artan trendler gözlenmiştir. Kömürün hacmindeki değişimle ilgili olarak CO 2 in adsorpsiyon kapasitesi, kömürdeki nem ve kül miktarı hariç (daf) baz alınarak, ortalama 1.25 mmol/g-kömür,daf seviyelerinde olduğu ve basınç arttıkça, kömürlerin kalitesine bağlı olarak, %50 artışla 1.85 mmol/g-kömür,daf seviyelerine ulaştığı bulunmuştur. Buna ilave olarak, kömürdeki toplam hacmin 5 MPa a kadar azaldığı, bu basınçlardan sonra ise arttığı gözlenmiştir. Kömürün hacmindeki bu artış hesaplamaya katılmadığında, elde edilecek adsorpsiyon kapasiteleri %50 oranında fazlasıyla hatalı elde edilmektedir. Anahtar Kelimeler: Süperkritik Karbon Dioksit, Adsorpsiyon, Kömür, Yüksek Basınç 1. GİRİŞ Karbon dioksitin (CO 2 ) kömür üzerine adsorpsiyonu çalışmalarına literatürde sıklıkla rastlanmaktadır (1-5). Ancak bu çalışmaların birçoğu kömürlerin yüzey alanlarının hesaplanabilmesi için düşük basınçlarda (atmosferik basınca kadar) yapılmıştır. Son zamanlarda, atmosferdeki CO 2 in konsantrasyonu artmış ve bunun sonucu olarak atmosferik CO 2 in küresel ısınmaya sebebiyet verdiği ortaya atılmıştır (6,7). Çözüm olarak, CO 2 in kömür yataklarına depolanabilirliği önerilmiş ve CO 2 in yüksek basınçlarda kömüre adsorpsiyon izotermleri önem kazanmıştır (8-10). Ancak, CO 2 in kömüre adsorpsiyon izotermleri alışagelmişin dışında bir trend izlemektedir (10). Bu durumun, kömürdeki şişmenin bir sonucu olabileceği vurgulanmakta fakat bu tür izotermlerin tanımlanmasında net bir model formül verilememektedir. Bu çalışmada, volümetrik yöntemle CO 2 in Argonne kömürleri üzerine 55 o C da ve 15 MPa basınçlara kadar deneysel adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermleri elde edilmiştir. Deneysel adsorpsiyon izotermleri, geliştirilen Denklem-1 (11) ile uyumlu olduğu gözlenmiş ve Argonne kömürlerinin CO 2 adsorplama kapasiteleri hesaplanmıştır.

2 j RT Ps ex β P ln = e Eo 1 o n ρ a n + ρ V (1) ρ Burada, n ex deneysel olarak ölçülen/hesaplanan adsorpsiyon miktarını, ρ gaz fazdaki CO 2 nin yoğunluğunu, ρ a adsorplanan fazdaki yoğunluğu, n abs absolute ya da gerçek adsoplanan miktarı, V şişme sonucu hacimdeki değişimi, n o adsorpsiyon/mikropore kapasitesini, β CO 2 ile kömür arasındaki afinite katsayısını (CO 2 : β = 0.35), E o karekteristik adsorpsiyon ısısını, j yapısal hetorojenlik katsayısını, P s yoğuşma basıncını, R geleneksen gaz sabitini, ve T sıcaklığı göstermektedirler. 2. DENEYSEL Deneysel adsorpsiyon izotermleri Şekil 1 de şematik olarak gösterilen volumetrik adsorpsiyon düzeneği ile ölçülmüştür. Alet bir rezervuar hücresi ve bir numune hücresinden oluşmakta olup, sıcaklık ve basıncı ölçmek üzere birer termokapıl ve basınç ölçer ihtiva etmektedir. Tüm sistem sabit sıcaklık banyosuna daldırılmış olup, sıcaklık kontrolü yapılmaktadır. Adsorplanan miktarın tayini için gaz, önceden basıncı ve sıcaklığı bilinen rezervuar hücresinden numune hücresine nakledilmiş ve her iki hücre arasındaki vana kapatılarak, dengedeki sıcaklık ve basınç değerleri kaydedilmiştir. Bu işlem sonucunda, gazın genleşme (compresibility) katsayısının da hesaba katılmasıyla, gerçek gaz kanunundan, aktarılan gazın miktarı hesaplanmış ve kütle denkliğinden kaybolan miktar, adsorplanan miktar olarak kaydedilmiştir. Kömürlerin adsorplama kapasiteleri Denklem-1 kullanılarak hesaplanmıştır. I P P V T R Şekil 1. Volumetrik Gaz Adsorpsiyon Aleti: R: Rezervuar Hücresi, S: Numune Hücresi, P: basınç Ölçer, I: ISCO Şırınga Pompa, V: Vakum Pompası T: Termokapıl B: Sabit Sıcaklık Banyosu S B T 3. SONUÇLAR CO 2 in Argonne Kömürleri üzerine deneysel (excess) adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermleri Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekilde görüleceği üzere deneysel adsorpsiyon izotermleri 9 MPa basınçlara kadar Langmuir tip izotermlere benzerken, bu basınçlardan yüksek değerlerde, deneysel adsorpsiyon izotermlerinde birden artan trendler gözlenmiştir.

3 Adsorpsiyon işlemini takiben, deneysel desorsiyon izotermleri elde edildiğinde, büyük bir histeri gözlenmiştir. Pocahontas No.3 Illinois No.6 Şekil 2. CO 2 in Argonne Kömürleri üzerine deneysel adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermleri CO 2 in yüksek basınçlarda kömür üzerine adsorpsiyon izotermleri literatürde verilen mevcut adsorpsiyon izotermleri ile karşılaştırılmıştır (10,12,13),. Şekil 3 de görüleceği üzere, mevcut adsorpsiyon izotermler literatür ile uyumlu olmakla birlikte, yüksek basınçlarda CO 2 in kömür üzerine adsorpsiyonu alışılagelmişin dışında bir trend göstermektedir. CO 2 Adsorpsiyon (mmole/g) Hall, 1994, Gerçek Krooss, 2002, Gerçek Zhou, 1994, Deneysel Bu Çalışma, Deneysel P c

4 Şekil 3. CO 2 in yüksek basınçlarda kömür üzerine adsorpsiyon izotermleri Deneysel adsorpsiyon izotermlerini tanımlayabilmek üzere, kömürdeki şişmeden ötürü hacimsel değişimleri de dikkate alan Denklem-1 geliştirilmiştir. Bu formülün deneysel adsorpsiyon izotermlerine iyi bir şekilde uyduğu gözlenmiş ve buradan yola çıkarak gerçek (absolute) adsorpsiyon izotermleri ve adsorpsiyon kapasiteleri hesaplanmıştır. Şekil 4 de görüleceği üzere, kömürün hacmindeki değişimle ilgili olarak CO 2 in adsorpsiyon kapasitesi, kömürdeki nem ve kül miktarı hariç (daf) baz alınarak, ortalama 1.25 mmol/g-kömür seviyelerinde olduğu ve basınç arttıkça, kömürlerin kalitesine bağlı olarak, %50 artışla 1.85 mmol/g-kömür seviyelerine ulaştığı bulunmuştur. Buna ilave olarak, hacimdeki değişme 5 MPa a kadar azaldığı, bu basınçlardan sonra ise arttığı gözlenmiştir. Kömürün hacmindeki bu değişiklik hesaplamaya katılmadığında, elde edilecek adsorpsiyon kapasiteleri %50 civarında fazla hatalı olarak hesaplanmaktadır. Adsorpsiyon Kapasitesi (mmole/g-coal) Pocahontas İllinois No.3 Hacimsel değişme (cm 3 /g-kömür) 0,30 0,25 0,20 0,15 0, Pocahontas İllinois No.3

5 Şekil 4. CO 2 in Argonne kömürlerine adsorpsiyonu esnasında basınçla adsorpsiyon kapasitesi ve hacimdeki değişme 4. KAYNAKLAR 1. Gan, H.; Nandi, S. P.; Walker, P. L. Jr. Fuel 1972, 51, Walker Jr., P. L.; Kini, K. A. Fuel 1965, 44, Mahajan, O. P. Carbon 1991, 29, Marsh, H.; Siemieniewska, T. Fuel 1965, 44, Ruppel, T. C.; Grein, C. T.; Bienstock, D. Fuel 1972, 51, Gentzis, T. Int. J. Coal Geol. 2000, 43, Ozdemir, E.; Schroeder, K.; Morsi, B. I. Am. Chem. Soc., Fuel Chem Div. Prepr. 2002, 47, Bustin, R. M.; Clarkson, C. R. Int. J. Coal Geol. 1998, 38, Takanohashi, T.; Terao, Y.; Yoshida, T.; Iino, M. Energy & Fuels 2000, 14, Krooss, B. M.; van Bergen, F.; Gensterblum, Y.; Siemons, N.; Pagnier, H. J. M.; David, P. Int. J. Coal Geol. 2002, 51, Ozdemir, E.; Morsi, B. I.; Schroeder, K. Langmuir 2003, 19, Hall, F. E., Zhou, Chunhe, and Gasem, K. A. M. Adsorption of Pure Methane, Nitrogen, and Carbon Dioxide and Their Binary Mixtures on Wet Fruitland Coal SPE paper presented at the Eastern Regional Conference & Exhibition, Charleston, WV, November 8-10, pp Zhou, C. Modeling and prediction of pure and multicomponent gas adsorption Oklahoma State university