แบบจำลองการเสื่อมสภาพสำหรับการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้คาร์บอเนตของโลหะแอลคาไล
จาก ChulaPedia
แบบจำลองการเสื่อมสภาพสำหรับการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้คาร์บอเนตของโลหะแอลคาไลในฟลูอิไดซ์เบด
DEACTIVATION MODEL FOR CO2 SORPTION USING ALKALI METAL CARBONATES IN FLUIDIZED BED
นางสาวณัฏฐ์ภัสสร จงอาจกลาง : นิสิตปริญญาโท ประจำหลักสูตรเคมีเทคนิค ภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.เบญจพล เฉลิมสินสุวรรณ : อาจารย์ประจำภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย รองศาสตราจารย์ ดร.พรพจน์ เปี่ยมสมบูรณ์ : อาจารย์ประจำภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ ศึกษาปริมาณการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์และตัวแปรทางจลนพลศาสตร์จากแก๊สทิ้งหลังการเผาไหม้เชื้อเพลิงด้วยตัวดูดซับโลหะแอลคาไลคาร์บอเนตบนตัวรองรับแกมมาอะลูมินาในเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดที่ทำจากแก้ว เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 0.025 เมตร และความสูง 0.80 เมตร แบ่งการศึกษาหลักด้วยการใช้ตัวดูดซับโพแทสเซียมคาร์บอเนตและโซเดียมคาร์บอเนต ออกเป็น 3 ส่วน คือ ผลของรูปแบบการไหลภายในเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดจากการวัดค่าการกวัดแกว่งของความดัน แบ่งได้เป็น 5 รูปแบบ ได้แก่ เบดนิ่ง เบดแบบฟองแก๊ส เบดแบบสลักกิ้ง เบดแบบปั่นป่วน และเบดแบบฟลูอิไดเซชันความเร็วสูง ผลของอุณหภูมิการดูดซับ แบ่งได้เป็น 4 อุณหภูมิ และ ผลของปริมาณไอน้ำในแก๊สทิ้ง แบ่งได้เป็น 4 ค่า จากการทดลอง พบว่า รูปแบบการไหลแบบปั่นป่วนมีความสามารถในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์สูงสุดที่ 268 และ 194 มิลลิกรัมของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ต่อกรัมของโพแทสเซียมคาร์บอเนตและโซเดียมคาร์บอเนต ตามลำดับ โดยปริมาณการดูดซับมีค่าสูงสุดที่อุณหภูมิการดูดซับ 333 เคลวินและปริมาณไอน้ำในแก๊สทิ้งร้อยละ 19.5 โดยปริมาตร จากนั้น ข้อมูลตัวแปรทางจลนศาสตร์ได้ถูกคำนวณจากกราฟการดูดซับกับเวลาภายใต้ภาวะการทดลองที่กำหนด แบบจำลองต่างๆ เช่น แบบจำลองแกนกลางหดตัว แบบจำลองแบบเป็นเนื้อเดียวและแบบจำลองการเสื่อมสภาพ ได้ถูกใช้อธิบายตัวแปรทางจลนพลศาสตร์ จากการทดลองพบว่า แบบจำลองการเสื่อมสภาพให้ผลการคำนวณใกล้เคียงมากที่สุดกับข้อมูลที่ได้จากการทดลองจริง ค่าคงที่ในการเกิดปฏิกิริยาการดูดซับที่รูปแบบการไหลแบบปั่นป่วนมีค่าสูงสุด ผลของอุณหภูมิการดูดซับต่อตัวแปรจลนพลศาสตร์สามารถสร้างความสัมพันธ์ในรูปแบบอาร์รีเนียส ค่าพลังงานก่อกัมมันต์ของปฎิกิริยาดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยโพแทสเซียมคาร์บอเนตและโซเดียมคาร์บอเนต มีค่า 12.31 กิโลจูลต่อโมลและ 14.67 กิโลจูลต่อโมล ผลของปริมาณไอน้ำในแก๊สทิ้งที่เพิ่มขึ้นทำให้ค่าคงที่ในการเกิดปฎิกิริยาการดูดซับลดลง ในงานวิจัยนี้ยังได้ทำการศึกษาผลของชนิดตัวดูดซับโลหะแอลคาไลต่อปริมาณการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์และตัวแปรทางจลนพลศาสตร์ พบว่า รูบิเดียมคาร์บอเนตให้ปริมาณการดูดซับสูงสุด เมื่อเทียบกับตัวดูดซับลิเทียมคาร์บอเนต โซเดียมคาร์บอเนตและโพแทสเซียมคาร์บอเนตที่ 306 มิลลิกรัมของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ต่อกรัมของรูบิเดียมคาร์บอเนต
คำสำคัญ: ฟลูอิไดเซชัน จลนพลศาสตร์ คาร์บอเนต ช่วงการไหล
Abstract
In this study, the carbon dioxide (CO2) capture capacity and kinetic parameters from flue gas using alkali metal carbonate supported on alumina solid sorbents were investigated inside the glass fluidized bed reactor. The reactor had 0.025 m inner diameter and 0.80 m height. The main experiments using potassium carbonate (K2CO3) and sodium carbonate (Na2CO3) solid sorbents were divided into three parts. First, the effects of flow regime/pattern measured by pressure fluctuation in the reactor including five flow regimes/patterns, fixed bed, bubbling bed, slugging bed, turbulent bed and fast fluidization bed, were explored. Second, the effects of sorption or carbonation temperature including four sorption temperatures were evaluated. Third, the effects of water content in flue gas including four values were compared. From the results, the turbulent regime provided the highest CO2 capture capacity at 268 mg of CO2/g of K2CO3 and 194 mg of CO2/g of Na2CO3. The highest CO2 sorption capacity was obtained at sorption temperature of 333 K and water content in flue gas of 19.5 %vol. Then, the breakthrough curve was used for calculating the kinetic parameters under given conditions using several model, which were the shrinking-core model, the homogeneous model and the deactivation model in the non-catalytic heterogeneous reaction systems. It was found that the selected deactivation kinetic model fitted well with all the experimental data. The sorption reaction rate constant was highest at turbulent fluidization flow regime. The effects of sorption temperature were described in the Arrhenius from. The activation energies of the CO2 sorption reaction using potassium carbonate and sodium carbonate solid sorbents were experimentally calculated as 12.31 kJ/mol and 14.67 kJ/mol, respectively. The increasing of water content in flue gas made the sorption reaction rate constant to decrease. In addition, the effects of alkali metal carbonate type on CO2 sorption capacity and the kinetic parameters were evaluated. The CO2 sorption capacity of rubidium carbonate was highest when comparing to lithium carbonate, sodium carbonate and potassium carbonate solid sorbents at 306 mg of CO2/g of Rb2CO3.
Keywords: Fluidization, Kinetic, Carbonate, Regime
