Theoretical Investigation of Water-Gas Shift Reaction with Four Components Using Fick System

Transkript

1 Süleyman emel Ünestes, Fen Blmle Ensttüsü egs, - (00),- Fck Sstemn Kullanaak öt Bleşenl Su-Gaz eğşm Reaksyonunun füzyon Katsayılaının eoksel İncelenmes MURA ÖZÜRK, İBRAHİM ÜÇGÜ, NURİ ÖZEK Süleyman emel Ünestes, Yenlenebl Ene Kaynaklaı Aaştıma e Uygulama Mekez / ISPARA Süleyman emel Ünestes, Fen Edebyat Fakültes, Fzk Bölümü, / ISPARA Alınış ah:..00, Kabul:.0.00 Özet: Bu çalışmada; zotemk koşulu sağlanmış, deal bou eaktöde, ekzotem, heteoen kataltk b gaz eaksyonu olan (CO+H O CO +H ) su-gaz değşm eaksyonu model olaak alınaak döt bleşenl gaz dfüzyonu ncelenmşt. = o K e o K de döt bleşene at on k adet polne dfüzyon katsayısı Fck sstem çn elde edlmşt. eoksel olaak hesaplanan polne dfüzyon katsayılaı CO mol sayısının ( ) değşm mktaına bağlı olaak dyagamla halnde sunulmuştu. Bu dyagamladan altı tanesnn kabonmonokst mol sayısı azalınca attığı, dğe altı tanesnn se azaldığı göülmüştü. Ayıca, atan eaksyon sıcaklığı le beabe dfüzyon katsayılaının değelende atış olduğu tespt edlmşt. Anahta Kelmele: su-gaz değşm eaksyonu, Fck sstem, polne dfüzyon katsayısı, bou eaktö. heoetcal Inestgaton of Wate-Gas Shft Reacton wth Fou Components Usng Fck System Abstact: In ths study, n an sothemal condtoned, deal tube eacto by takng (CO+H O CO +H ) wate-gas shft eacton as the model, fou-components gas dffuson s studed. At the tempeatue of = o K and o K, twele polynay dffuson coeffcent belongng to the fou-components ae obtaned fo Fck system. he polynay dffuson coeffcents whch ae calculated theoetcal ae pesented n dagams, whch ae depended on changng of mole numbes of cabon monode. As seen n these dagams, s of the twele dffuson coeffcents ncease and the est of them decease f the cabon monode mole numbes ae deceased. In addton, t was been detemnng that dffuson coeffcents ae nceased wth nceasng eacton tempeatue. Keywods: Wate-gas shft eacton, Fck system, polynay dffuson coeffcents, tube eacto. Gş Bncl ene kaynaklaı olaak kullandığımız yakıtla (kömü, doğal gaz, petol) global klm değşklğ, çeesel bozuma e sağlık poblemlene neden olduğu süece ene çok öneml global önem taşıyacaktı (Bocs, 00). Hdoen temz yenlenebl ene taşıyıcısı olaak büyük b potansyel seglemekted. Hdoen blnen yakıtla aasından en yüksek gametk enek yoğunluğuna sahpt. Ayıca çeesel kllk e klmsel değşme neden olan kabon esaslı emsyonsuz ene dönüşümü çn yakıt plle le bleştlebl. teatüde pek çok hdoen üetm metotlaı mecuttu (Vezoğlu e Bab, 99; as e Vezoğlu, 00; Hugh, 00). Hdoen üetm metotlaından en yaygın olaak kullanılanlaı; buha-metan efomu, metanın kısm oksdasyonu, metanın oto-temal efomu, kömü gazlaştıma, dekt byokütle gazlaştıma, byokütle polz, elektolz, byosentetk/fotobyoloksel e fotokataltksel su paçalama sayılabl. Bu hdoen üetm yöntemlenden buha-metan efomu, metanın kısm oksdasyonu, kömü gazlaştıma, dekt byokütle gazlaştıma e polz dünya hdoen üetmnn % 99 unu oluştumakta olup bu hdoen üetm yöntemlende hdoenn (H ) yanı sıa zehl b gaz olan kabonmonokst (CO) üetlmekted. Otaya çıkan buha knc b adım olan aşağıdak su gaz değşm eaksyonuyla uygun katalzö kullanaak teka tepkmeye sokulu. CO+H O CO +H H=- kj/mol () CO gdeme, H üetm, kömüün hdoenlenmes e benze pek çok endüstyel poseste öneml b adım olan su-gaz değşm eaksyonu ekzotemk, heteoen kataltk b eaksyondu. Moden üetm poseslenn %90 nını kataltk eaksyonla oluştumaktadı. Bu eaksyonda su buhaı le CO ın b katalzö yadımıyla eaksyona gmes sonucu CO e H gazlaı üetl. Şu anda endüstyel amaçlı olaak pek çok alanda kullanılan H nn, gelecek yıllada yakıt olaak kullanımı son deece yaygınlaşacak e buna paalel olaak H ye duyulan talep şddetle atacaktı (Üçgül, 99). Aynı zamanda su-gaz değşm eaksyonunda eaksyona gen üünle çnde kabonmonokst bulunduğu çn atmosfen zehn gdemede de kullanılmaktadı (Newsome, 90). füzyon şayet kapalı, hdodnamk bakımından haeketsz b otamda oluyosa böyle sstemlee süeksz sstem eya Fck sstem denlmekted. Böyle b sstemde, dfüzyon mola akımlala, konsantasyonla se mol yüzdesyle bellenmekted. Heteoen kataltk eaksyonla, genellkle katı katalzö yüzeynde meydana gelen eaksyonladı. Katalzöle, eaktanlaın potansyel ene engeln azaltı, enedek bu azalma aktflenme enesnn azalması demekt. Böylece katalzöle aktflenme enesn düşüeek, tepkme ec molekül moztuk@sdu.edu.t

2 M. ÖZÜRK, İ. ÜÇGÜ, N. ÖZEK sayısını attııla e eaksyonu hızlandııla. emodnamk e knetk şatlaa bağlı olaak su-gaz değşm eaksyonunu yüksek (9- o K) e düşük (- o K) sıcaklık uygulamalaı mecuttu (Nanpng d., 00). Yüksek sıcaklık değşm eaksyonunda Fe O /CO katalzöle kullanılıken, düşük sıcaklık dönüşüm eaksyonunda genellkle CuO/ZnO/Al O katalzöle kullanılı. Pao Chh-Ch uan (990) a göe kl çözeltlede moleküle dfüzyon katsayılaını sunmuş, moleküle dfüzyonun aktf akımlaını bellemşt. Üçgül e ell (99) üç bleşenl gaz dfüzyonunu Fck sstem çnde ncelemşled. Bu çalışmada se döt bleşenl su-gaz değşm eaksyonu dfüzyon knetğ yönünden ncelenmş, daha sonak çalışmalaa efeans teşkl edecek olan polne dfüzyon katsayılaı düşük sıcaklıklı su-gaz değşm eaksyonu çn kolay b yöntemle teoksel olaak elde edlmes sunulmuştu. Yapılan teoksel çalışmada kaşılaştıma amaçlı alınan k sıcaklık noktası o K e o K olaak alınmıştı. Sıcaklıklaın bu değelede alınmasının k neden adı. Bncs eaksyonun eaksyonun düşük sıcaklık uygulamasında seçlmes, kncs lede yapılacak olan güneş enes destekl deneysel uygulamalada bu sıcaklıklaa ulaşmanın daha kolay olmasıdı. Su-Gaz eğşm Reaksyonunun Hızı Reaksyon hızı genellkle eaksyon hız sabt e eaksyona gen gazlaın konsantasyonlaı cnsnden fade edl. Reaksyon hızı, zamanla azaldığından eaktanla çn negatf, üünle çn se zamanla attığından poztft. Heteoen eaksyonla çn eaksyon hızını, = k () n P şeklnde bellemek yeteld (ell, 9). Bu fade hız denklemd. Buada n, bleşennn metebesn göstemekted. Reaksyon metebes se, eaksyona gen maddelen, hız denklemlende ye alan konsantasyonlaının üslenn toplamı olaak aşağıdak gb tanımlanı. n () = N n = Reaksyon hızı () eaksyona katılan bleşenlee bağımlı olmaksızın bellen e A + B C + A B C şeklndek b eaksyon çn, A B C = = = = A B C bağıntısı yazılabl (ell, 9). Katalz olayı eaksyona gecek eaktanladan en az bnn katalzö yüzeynde adsoblanması le yüümekted. İk tü adsobsyondan söz edlebl. Bunla, düşük sıcaklıkta olan fzksel adsobsyon le daha yüksek sıcaklıklada göülen kemsopsyondu. Fakat, kataltk eaksyonladak adsobsyon genellkle kemsopsyondu. Heteoen kataltk eaksyon k aşamada geçekleşmekted. Öncelkle gaz halndek eaktanla, otamdan katalzö üzene dfüzlenmekte e adından kataltk aktf bölgelee adsoplanmaktadı. Kataltk aktflk e - geçş le lgld. Adsoplanmış moleküle eaksyona gecek kada eneye sahp olduğunda, eaksyon oluşmakta e üünle elde edlmekted. İknc aşamada eaksyon üünle, katalzöden desoplanaak yüzey tek etmekte e yenden otama dfüzlenmekted. eknk patkte, heteoen kataltk eaksyonla, katalzö dolgulu eaktölede geçekleştlmektedle. Fck Sstemnde füzyon Knetğ Model olaak alınan ç cdaı kataltk bou eaktöde eaktanla zotem olaak eaksyona uğamaktadı. Ekzotemk eaksyonun cdada edğ ısı bou dışına tansfe edleek eaktö çne gş sıcaklığı sabt kılınmaktadı. Reaksyon knetksel büyüklüklenn taynnde, bou eaktöde zotem koşulun sağlanması tech edl. Bu şeklde aktasyon enes elmne edleek matematksel tanım bastleştlebl. füzyon, fzksel b letme potansyelnn etks altında, tek b bleşenn kaışım çndek moleküle haeketd. füzyon he fazda göüleblen yayılma olayı olmakla blkte daha zyade gaz kaışımlaı çn önem taşımaktadı. İletme potansyel; sıcaklık, basınç eya konsantasyon fakından kaynaklanı. Sıcaklık fakından dolayı oluşan dfüzyona temodfüzyon, basınç fakından dolayı olan dfüzyona basınç dfüzyonu e konsantasyon fakından dolayı oluşan dfüzyona da moleküle dfüzyon den (Üçgül, 00). Moleküle dfüzyonda bleşen, yüksek konsantasyon bölgesnden düşük konsantasyon bölgesne doğu aadak fakı kapatmak üzee haeket ede. füzyon olayı konsantasyonla eşt olunca sona ee. Buada konsantasyon fakından dolayı oluşan dfüzyon ncelenmşt. Gaz kaışımının olduğu otamda k adet bleşen asa, otamdak dfüzyona bne dfüzyon, üç bleşen asa tene dfüzyon, bleşen sayısı üçden fazla se polne dfüzyon adı el. teatüde dfüzyon olayı, Fck e basantk olmak üzee k ayı sstem üzenden ncelenmekted. namk bakımından haeketsz b otamdak dfüzyona Fck sstemnde dfüzyon; haeketl e akış halndek b otamda olan dfüzyona se basantk sstemde dfüzyon den (Üçgül, 99). Akış hızının adyal yöndek bleşen olan V adyal hızının sıfı olması duumunda, haeketl b otamdak dfüzyonu ncelemek çn Fck kütle tansfe denklemle geçel olmaktadı. Radyal hız genel olaak, kmyasal eaksyon sonucu değşen mol mktalaından, adyal koodnat boyunca dnamk skoztedek değşmleden e gelşmemş akış duumunda, adyal koodnat boyunca meydana gelen hız pofl değşmle le otaya çıkmaktadı. Böylece adyal moztuk@sdu.edu.t 9

3 Fck Sstemn Kullanaak öt Bleşenl Su-Gaz eğşm Reaksyonunun füzyon Katsayılaının eoksel İncelenmes hız, mol değşmnden kaynaklanan hız bleşen V ρ ; dnamk skozte değşmlenden kaynaklanan hız bleşen V η e akışın gelşmemş olmasından kaynaklanan hız bleşen V g nn toplamı olaak, V= V ρ + V η + V g şeklnde fade edlmekted. Reaktanla eaktöe alınmadan önce, uzun b bou olan bnc bölümde ön ısıtmaya tab tutulduklaı çn eaktö gşnde tamamen gelşmş akım şatlaına ulaşılı. Bundan dolayı gelşmemş akımladan kaynaklanan V g hızı yaklaşık olaak sıfı olmaktadı. Model eaksyonumuz equmola b eaksyondu. Bunun sonucu olaak, eaktö çnde mol değşm olmadığından V ρ =0 olmaktadı. Reaktö gşndek e çıkışındak dnamk skoztele eşt olduğundan yaklaşık olaak V η =0 olu. Sonuç olaak da bunlaın toplamı olan adyal hız, V=0 olmaktadı. Bu kabül edlen şatlada eaktö çndek dfüzyon olayını bellemek çn Fck sstem denklemle kullanılabl. İlk defa Fck taafından tanımlanmış olan dfüzyon mol akımı, tesnmez şlemle temodnamğne göe fenomenolok olaak (ell, 9), d = N J c (),F = d şeklnde bellenmşt. Buada c mol yoğunluğu,,f Fck sstemne at polne dfüzyon katsayılaı, d /d bleşenne at konsantasyon gadyanıdı. füzyon katsayılaı çn = eştlğ he zaman geçeld. Ayıca dfüzyon teosnde aynı bleşenn kendne dfüzyon katsayısı =0 olmaktadı. teatüde (ell, 9; uns, 000), üç bleşenl eaksyonla çn polne dfüzyon katsayılaının ( ) hesaplaı yapılmıştı. Bu çalışmada se döt bleşenl sugaz değşm eaksyonu polne dfüzyon katsayılaının hesaplaması elmşt. Polne dfüzyon katsayılaı, MW MW ( F F ) kasm () şeklnde elmekted (uns, 000). Buada, polne dfüzyon katsayısı, bleşennn mol oanı ( =n /n t ), MW kaışım kaşımın kütles, MW bleşennn kütles, F e F [F ] matsnn elemanlaıdı. [F ] mats [ ] matsnn tesd. [F ] = [ ] -. [ ] matsnn elemanlaı, k [ ] [ ( δ ) ( δ δ )] MW k MW k = K () k= MW k fadesnden bulunu. Buada δ mn Konecke delta fonksyonudu. m=n olduğunda b değen alı, aks duumlada sıfıa eştt. Ayıca = =0 alını. [ ]= matsnn elemanlaı enklem () kullanılaak hesaplanmış e aşağıda elmşt. Polne füzyon Katsayısının Bellenmes ( MW + MW ) MW + ( MW ) MW + ( MW ) MW ( MW ) MW + ( MW + MW ) MW + ( MW ) MW ( MW ) MW + ( MW ) MW + ( MW + MW ) MW ( MW ) ( ) ( ) + MW MW + MW MW + MW MW ( MW ) ( ) ( ) MW + MW + MW MW + MW MW ( MW ) ( ) ( ) MW + MW MW + MW + MW MW ( MW ) ( ) ( ) + MW MW + MW MW + MW MW ( MW ) ( ) ( ) MW + MW + MW MW + MW MW ( MW ) ( ) ( ) MW + MW MW + MW + MW MW ( MW + MW ) MW + ( MW ) MW + ( MW ) MW ( MW ) MW + ( MW + MW ) MW + ( MW ) MW (MW MW + ( MW ) MW + ( MW + MW ) MW teatüde (ell, 9), bne dfüzyon katsayısı çn,,. 0 0 n = () fades elmekted. CO+H O CO +H su-gaz değşm eaksyonu çn,0 e n değele lteatüden (Öztük, 00), yaalanaak nn sıcaklığa bağlı olaak değşm fonksyonlaı aşağıdak gb elmşt. moztuk@sdu.edu.t 0

4 M. ÖZÜRK, İ. ÜÇGÜ, N. ÖZEK = 0, = 0,9 = 0, = 0, = 0,0 = 0,,,,,,,,,,,0,, Elde edlen polne dfüzyon katsayısının sayısal değele o K e o K de e değşen CO mol sayılaına bağlı olaak hesaplanmış e Şekl de elmşt. Sonuçla hızı eaksyondan etklenmemekted. Sunulan çalışmada amaç, model olaak seçlen CO+H O CO +H su-gaz değşm eaksyonundak gaz eaksyonunu bellemek olduğundan dolayı model eaksyona at adet dfüzyon katsayılaının hesabı yapılmıştı. Şekl de göstelen polne dfüzyon katsayısı mol kütlelene, mol konsantasyonlaına e bne dfüzyon katsayılaına bağımlıdı. Bou çndek eaksyon sıasında mol kütlele büyük olan eaktanlaın hacandığı, mol kütles küçük olan hdoen e mol kütles çok büyük olan kabondokst otaya çıktığı, dolayısıyla polne dfüzyon katsayısı çn dfüzyonda yleşme e dğe tanesnde se kötüleşme otaya çıktığı bellenmşt. Ayıca Şekl l de beltldğ gb eaksyon sıcaklığı o K den o K ne attığı zaman polne dfüzyon katsayılaının değele üzende olumlu etk yapaak attımaktadı. Bu çalışmada elde edlen Fck sstemndek döt bleşenl su-gaz değşm eaksyonu polne dfüzyon katsayılaının atan sıcaklıkla blkte atması, mühendslk uygulamalaında kaşılaşılan eaktö ısınma etksnn önemn değelendmek çn b kte olaak kullanılabl. Bou eaktö çndek model eaksyonda mol eaktan hacanmakta e mol eaksyon üünü elde edlmekted. Model eaksyon equmola eaksyon olduğundan akış, 0,, 0, 9 0, 0, 9 0, 0,9 K K 0, 0, K K K K 0, 0, 9 0, 0, 0, 0, 0, 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0, 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0,9 0, 0,9 0, 0, 0, K K 0, K K 0 9 K K 0, 0, 0, 0, 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) Şekl. Polne dfüzyon katsayılaının CO mol sayısı ( ) le değşm. moztuk@sdu.edu.t

5 Fck Sstemn Kullanaak öt Bleşenl Su-Gaz eğşm Reaksyonunun füzyon Katsayılaının eoksel İncelenmes 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, K 0, K K 0, K 0, K K 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ),,,,,,,9,,,, K K K K, K K,,,,,,9,,, 0, 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) 0,9 0, 0, 0, 0, 0,0 CO mol sayısı ( ) Kaynakla Şekl. Polne dfüzyon katsayılaının CO mol sayısı ( ) le değşm. (eam) Bocks, J.M. 00. he Ogn of Ideas on a Hydogen Economy and Its Soluton to he ecay of he Enonment. Int J Hydogen Enegy,, -0. Chh-Ch uan, P Bnay Molecule ffuson Coeffcent. Plenum Publshng Copoaton, 9, 0-. as,., Vezoğlu,.N. 00. Hydogen Poducton by Bologcal Pocesses: A Suey of teatue. Int J Hydogen Enegy,, -. Kathleen, M.C. 00. Hydogen Poducton Methods, MPR Assocates Inc., 9 p. Nanpng, H., Hatao, W., Yukou., Mng, S. and Png, Y. 00. Ultafne Ru and γ-fe O Patcles Suppoted on MgAl O Spnel fo Wate-Gas Shft Reacton. Catalyss Communcatons,, 9-9. Newsome,.S. 90. he Wate-Gas Shft Reacton. Catal. Re. Sc. Eng.,, -. uns, S. R An Intaducton to Combuston, McGaw-Hll, USA, p. Üçgül, İ., ell, Z. K. 99. Süeksz Sstemlede Polne füzyon. Akdenz Ünestes Ispata Müh. Fakültes Makne Mühendslğ Bölüm egs,, -9. Üçgül, İ. 99. Fck Sstemnde öt Bleşenl Gaz füzyonunun eok İncelenmes. oktoa ez, Yıldız eknk Ünestes, Fen Blmle Ensttüsü, İstanbul, s. Üçgül, İ. 00. Fck Sstemnde öt Bleşenl Polne Gaz füzyonunun eok İncelenmes, UIBK 0,. Ulusal Isı Blm e eknğ Konges, - Eylül 00, Ispata, 0-0. Vezoğlu,.N., Bab, F. 99. Hydogen Enegy echnologes. Emegng echnology Sees. p. Öztük, M. 00. Güneş Enel Kmyasal Reaktölen İncelenmes. Yüksek sans ez, Süleyman emel Ünestes, Fen Blmle Ensttüsü, Ispata, 0 s. ell, Z. K. 9. füzyon e Reaksyon Knetğ, Akdenz Ünestes Fen Blmle Ensttüsü, Yayın No, s. moztuk@sdu.edu.t