DOLGULU KOLONDA AMONYAK ÇÖZELTİSİNE KARBON DİOKSİTİN ABSORPSİYONU

Transkript

1 DOLGULU KOLONDA AMONYAK ÇÖZELTİSİNE KARBON DİOKSİTİN ABSORPSİYONU Duygu UYSAL, Ö. Murat DOĞAN, Bekir Zühtü UYSAL Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü ve Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi (TEMENAR) 06570, Maltepe AnkaraHH ÖZET Günümüzün en güncel problemlerinden birisi olan küresel ısınma, atmosfere atılan sera gazlarından dolayı olmaktadır ve en önemli sera gazlarından birisi de karbon dioksittir. Karbon dioksitin tutulması için farklı çözeltiler kullanılabilir. Bu çalışmada, karbon dioksit amonyak çözeltisi ile tutulmuştur. Absorpsiyon işlemi 9 cm çapında, 1.2 m yükseliğinde bir dolgulu kolonda gerçekleştirilmiştir ve dolgu maddesi olarak da 9 mm çapında Raschig halkaları kullanılmıştır. Absorpsiyon işlemini gerçekleştirmek için % 3 ve % 6 lık amonyak çözeltileri beş farklı akış hızında (1, 2, 3, 4, 5 L/dk) kolona gönderilmiştir. Hazırlanan baca gazı karışımı içerisindeki karbon dioksit konsantrasyonu da % 6 ve % 10 olacak şekilde ayarlanmıştır. Çalışılan bu parametrelerde sistemdeki kütle transfer katsayıları hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler : karbon dioksit, absorpsiyon, amonyak çözeltisi, dolgulu kolon, kütle transfer katsayısı. 1. GİRİŞ Küresel ısınma gün geçtikçe çevre açısından önemli bir sorun haline gelmektedir. Küresel ısınma, doğal ve insan etkileri sonucu atmosferde bulunan sera gazlarının atmosferin alt bölümlerinin ısınmasına neden olmasından kaynaklanmaktadır. Atmosfer ısısının artması çevre ve insan hayatını etkileyen iklim değişikliklerine neden olmaktadır. Buzulların erimesi, okyanusların yükselmesi gibi sonuçlar doğuran iklim değişiklikleri, çevre ve insanlar açısından büyük olumsuzluklar yaratmaktadır. Küresel ısınmaya neden olan sera gazı emisyonu, karbon dioksit ve metan gazı, her yıl artarak devam etmektedir. Karbondioksit, fosil yakıtların (petrol ve türevleri, kömür ve doğalgaz) sanayide ve ısınmada kullanılması sonucunda oluşarak atmosfere karışmaktadır. Atmosfere karışan karbondioksitin % i fosil yakıtlardan, % si de canlıların solunumundan ve mikroskobik canlıların organik maddeleri ayrıştırmasından kaynaklanmaktadır. Bir yandan fosil yakıt kullanımının hızla artışı, öte yandan fotosentez için tonlarca karbondioksit harcayan ormanların ve bitkisel planktonların tahribi, atmosferdeki karbondioksit miktarını son 160 bin yılın en yüksek düzeyine ulaştırmıştır. Yapılan ölçümler, bu artışın devam ettiğini göstermektedir [1]. En az oranda CO 2 üretme amacının yanında havada olan CO 2 miktarını azaltmak da çok önemlidir. Günümüzde CO 2 tutmak ve depolamak için yeni teknolojiler üretilmiştir. Amin bazlı solventler ile absorplama, inorganik membranlarla ayırma, minarelleştirme geliştirilen ve geliştirilmekte olan teknolojilerden bazılarıdır. CO 2 bertarafı için kullanılan yöntemlerden en çok tercih edilenlerden birisi CO 2 in solvent içerisine absorbe edilmesidir. Absorpsiyon, gaz karışımındaki bir bileşenin sıvı faza transfer olması esasına dayanır. İtici güç konsantrasyon farkıdır.

2 CO 2 absorpsiyonunda, CO 2 tutucu olarak kullanılabilecek birçok sıvı bulunmaktadır. Kullanılabilecek sıvılar yüksek absorpsiyon hızı ve kapasitesi, korozyona dayanıklılık, safsızlıklara direnç gibi özelliklere sahip olmalıdır. Günümüze kadar en yoğun olarak kullanılmakta olan çözelti monoetanolamin çözeltisidir. Ancak büyük işletmelerde kullanıldığında maliyetler çok artacağından alternatif sıvı arayışına doğru çalışmalar yönlenmiştir. Bu sıvılardan sulu amonyak çözeltileri, kömür yaklan güç santrallerinde baca gazından CO 2 tutumu için kullanılan bir maddedir. Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde, amonyak çözeltisinin karbon dioksitin tutulmasında uygun çözelti olduğu görülmüştür. Özellikle düşük sıcaklıklarda amonyak çözeltisi kullanımının memnun edici sonuçlar verdiği görülmüştür [2, 3] 2. DENEYSEL YÖNTEM Deneysel çalışmalar 9 cm çapında ve 1,2 m yüksekliğindeki bir dolgulu kolonda yürütülmüştür (Şekil 1). Dolgulu kolonda 9 mm çapında Raschig halkaları kullanılmıştır. Baca gazı içerisinden karbon dioksitin uzaklaştırılmasında hacimce % 3 ve % 6 lık konsantrasyonlardaki amonyak çözeltisinden yararlanılmıştır. Baca gazı içerisinde karbon dioksitin konsantrasyonu hacımca % 6 ve % 10 olarak değiştirilmiştir. Absorpsiyon esnasında beş farklı çözelti akış hızında (1, 2, 3, 4 ve 5 L/dak) çalışılmıştır. Absorplanan CO 2 miktarı, 5 er dakika aralıklara kolon giriş ve çıkışından alınan numunelerin yaş analizlerinin yapılmasıyla belirlenmiştir. Şekil 1. Dolgulu kolon absorpsiyon sistemi 3. BULGULAR VE TARTIŞMA Raschig halkaları bulunan dolgulu kolonda, gaz fazı toplu kütle transfer katsayısının belirlenmesi amacıyla, % 3 ve % 6 lık amonyak çözeltileri kullanılarak karbon dioksitin absorpsiyonu değişik gaz ve sıvı akış hızlarında incelenmiştir. Absorpsiyon işleminde meydana gelen reaksiyonlar aşağıda verildiği gibidir: 2

3 Absorplanan CO 2 (%) Absorplanan CO2 (%) Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 2012, Koç Üniversitesi, İstanbul NH 3 + CO 2 + H 2 O NH 4 HCO 3 (1) 2NH 3 + CO 2 + H 2 O (NH 4 ) 2 CO 3 (2) Yürütülen deneysel çalışmalarda yapılan analizler sonucunda 1. reaksiyona göre karbon dioksitin tutulduğu görülmüştür ve NH 4 HCO 3 oluştuğu görülmüştür. % 3 ve % 6 amonyak çözeltileri kullanılarak sıvı ve gaz akış hızlarına karşı karbon dioksitin absorplanma yüzdesindeki değişim sırasıyla aşağıdaki Şekil 2 ve 3 de verilmiştir. Şekil 2 ve 3 den, akış hızlarının artmasıyla absorplanan karbon dioksitin de arttığı görülmüştür. Bu da literatürdeki çalışmalarla uyum içerisinde olduğunu göstermiştir [2, 3] Sıvı Akış Hızı (L/dk) Şekil 2. % 3 ve % 6 amonyak içeren çözeltilerde absorplanan karbon dioksitin sıvı akış hızı ile değişim Gaz Akış Hızı, (L/dk) Şekil 3. % 3 ve % 6 amonyak içeren çözeltilerde absorplanan karbon dioksitin gaz akış hızı ile değişimi %3 ve %6 lık NH 3 çözeltilerine absorplanan karbon dioksit için gaz fazı toplu kütle transfer katsayılarının sıvı ve gaz akış hızları ile değişimi sırasıyla Şekil 4 ve 5 te verilmiştir. 3

4 K OG (mol/m 2.s.Pa) K OG (mol/m 2.s.Pa) Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 2012, Koç Üniversitesi, İstanbul Şekil 4 ve 5 den görüldüğü gibi, çalışılan aralıkta amonyak çözeltisinin konsantrasyonu arttıkça gaz fazı toplu kimyasal kütle transfer katsayısının da arttığı gözlemlenmiştir ve bu da literatürde yapılan çalışmalarla uyumludur [4]. 2,00E-07 1,80E-07 1,60E-07 1,40E-07 1,20E-07 1,00E-07 8,00E-08 6,00E-08 4,00E-08 2,00E-08 0,00E+00 Sıvı Akış Hızı (L/dk) Şekil 4. % 3 ve % 6 lık NH 3 çözeltilerine absorplanan CO 2 sistemi için toplu kütle transfer katsayılarının sıvı akış hızı ile değişimi 2,00E-07 1,50E-07 1,00E-07 5,00E-08 0,00E+00 Gaz Akış Hızı (L/dk) Şekil 5. % 3 ve % 6 lık NH 3 çözeltilerine absorplanan CO 2 sistemi için toplu kütle transfer katsayılarının gaz akış hızı ile değişimi Yürütülen deneysel çalışmalar değerlendirildiğinde, karbon dioksitin amonyak çözeltileri içerisinde kimyasal reaksiyonlu absorpsiyon ile tutulabileceği ve bu absorpsiyon işlemi sonucunda amonyum bikarbonat çözeltisinin elde edildiği gösterilmiştir. Küresel ısınmaya neden olan karbon dioksitin amonyak çözeltisi ile atmosferik şartlarda ve düşük sıcaklıkta bertarafının mümkün olduğu görülmüştür. Bu işlem sonucunda elde edilen amonyum bikarbonatın da endüstride kullanımı (yangın söndürücülerde, temizlik ürünlerinde seramik, boya, tekstil, deri, ve gübre sanayilerinde) söz konusudur. 4

5 Deneysel çalışmadan elde edilen veriler kullanılarak, dolgulu kolonlarda karbon dioksitin amonyak çözeltisi içerisinde tutulması sırasında hesaplanan gaz fazı toplu kütle transfer katsayısı için aşağıda verilen korelasyon geliştirilmiştir. Bu korelasyon, molar gaz akış hızı, molar sıvı akış hızı ve çözeltinin amonyak kesrine bağlı olarak ifade edilmiştir. 4. SONUÇLAR Bu çalışmada, % 3 ve % 6 lık amonyak çözeltileri kullanılarak dolgulu kolonda CO 2 in absorpsiyonu gerçekleştirilmiştir. Değişen sıvı ve gaz akış hızlarının gaz fazı toplu kütle transfer katsayısı üzerine etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir: Sıvı ve gaz akış hızı arttıkça absorplanan karbon dioksit yüzdesi de artmıştır. Karbon dioksit amonyak çözeltisinde kimyasal absorpsiyonla tutulmuştur ve amonyum bikarbonat oluşumu gözlenmiştir. Elde edilen amonyum bikarbonat kimya ve gıda endüstrilerinde değerlendirilebilir. Çalışılan aralıkta dolgulu kolonlarda gaz fazı toplu kütle transfer katsayısı için molar sıvı akış hızı, molar gaz akış hızı ve çözeltideki amonyak kesrine bağlı olan bir korelasyon geliştirilmiştir. TEŞEKKÜR Bu çalışma, Gazi Üniversitesi 06/ numaralı Bilimsel Araştırma Projesi nden ve Teknoprom Kömür Enerji ve Kimyasal Teknoloji Ar-Ge Proje Danışmanlık Firması tarafından temin edilen malzemeler ile gerçekleştirilmiştir. Desteğinden dolayı Gazi Üniversitesi ne ve Teknoprom Firması na teşekkür ederiz. SEMBOLLER K OG V L x Toplu kütle transferi katsayısı, mol/m 2.s.Pa Gaz akış hızı, mol/s Sıvı akış hızı, mol/s Çözeltideki amonyak kesri KAYNAKLAR [1] Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan, NETL, US Department of Energy, [2] J.T. Yeh, K.P. Resnik, H.W. Pennline, Regenerable Aqua Ammonia Process for CO 2 Sequestration, Div. Fuel Chem., 49 (1), 247, [3] Yeh, A.C. and H. Bai, Comparison of Ammonia and Monoethanolamine Solvents to Reduce CO2 Greenhouse Gas Emissions, The Science of Total Environment, pp , [4] Uysal, B.Z., Kütle Transferi Esasları ve Uygulamaları, 2. Baskı, Gazi Üniversitesi Yayını, Ankara,