مدل‌سازی سینتیکی جذب دی‌‌اکسید کربن در فرایند چرخه‌کلسیم در حضور گاز دی‌اکسید سولفور بر پایه مدل‌های حفرات تصادفی و شبه‌فراکتال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

دی‌اکسید‌کربن از مهم‌ترین گازهای گلخانه‌ای بوده و جذب آن در فرایند چرخه‌کلسیم، از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها برای کاهش اثرات منفی آن بر روی تغییرات اقلیمی می‌باشد. باتوجه‌به این که این فرایند در دماهایی بالاتر از oC ۷۰۰ انجام می‌‌گیرد، امکان مطالعه بر روی سینتیک واکنش‌های صورت‌گرفته در آن در مقیاس‌های صنعتی و در شرایط واقعی مهیا نمی‌باشد، از همین رو در این تحقیق، از دو مدل سینتیکی حفرات تصادفی و شبه‌فراکتال جهت مدل‌سازی داده‌های آزمایشگاهی واکنش کربناسیون و سولفاته‌شدن استفاده شد. نتایج نشان داد که به دلیل اهمیت مرحله نفوذ در لایه محصول، اختلاف بین داده‌های تجربی و نتایج حاصل از مدل حفرات تصادفی با گذشت زمان، افزایش پیدا کرده و در غلظت‌های بالای گاز دی‌اکسیدسولفور ورودی، این اختلاف بیشتر نیز شد. در مقابل، مدل شبه‌فراکتال با متغیر در نظر گرفتن ثابت نفوذ در طول زمان واکنش، نتایج به‌دست آمده را با دقت بهتری ارائه داد. از مدل شبه‌فراکتال جهت پیش‌بینی درصد تبدیل کربناسیون و سولفاته‌شدن در چرخه‌های ۵، ۱۵ و ۳۰ استفاده‌ شد که درصدهای تبدیل برای کربناسیون به‌ترتیب 60، 37 و 27 درصد و برای سولفاته‌شدن به‌ترتیب 3/1، 1/6 و 1/1 درصد بدست آمد. به‌علاوه، به دلیل کاهش ظرفیت جذب جاذب، درصد تبدیل در طول چرخه‌های متوالی کاهش یافته‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Kinetic modeling of CO2 capture in calcium looping process in the presence of sulfur dioxide based on random pore and fractal-like models

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Ramezan Behtash
  • Maryam Tahmasebpour
  • Mohammadreza Tizfahm
Faculty of Chemical & Petroleum Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Carbon dioxide is the primary greenhouse gas and its capturing by the calcium looping process is considered as one of the most promising technologies to reduce the negative effects on climate change. Since the calcium looping process is carried out at temperature higher than 700oC, it is not always possible to perform experimental investigations of the reactions taking place in industrial scales at real conditions. Therefore, in this research, two kinetic models including random pore and fractal-like models were used for the modeling of carbonation and sulfation reactions. The results showed that due to the importance of the diffusion stage in the product layer, the difference between the experimental data and the ones predicted by the random pore model increased by passing time, and this difference was more increased under higher concentrations of sulfur dioxide. On the contrary, the fractal-like model with considering variable diffusion coefficients during the reaction time, presented a better accuracy. The fractal-like model was used to predict the carbonation and sulfation reactions conversions at cycles 5, 15, and 30, showing 60, 37, and 27% carbonation conversion, and 1.6, 1.3, and 1.1% sulfation conversion, respectively. In addition, the conversions were decreased during the consecutive cycles due to the decrease of capture capacity and specific surface area of ​​the adsorbent.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CO2 capture
  • carbonation
  • sulfation
  • random pore model
  • fractal-like model

مراجع

[1] S. Chen, C. Qin, T. Deng, J. Yin, J. Ran, Particle-scale modeling of the simultaneous carbonation and sulfation in calcium looping for CO2 capture, Separation and Purification Technology, 252 (2020) 117439.
[2] V. Manovic, E.J. Anthony, Competition of sulphation and carbonation reactions during looping cycles for CO2 capture by CaO-based sorbents, The Journal of Physical Chemistry A, 114(11) (2010) 3997-4002.
[3] M. Anwar, A. Fayyaz, N. Sohail, M. Khokhar, M. Baqar, W. Khan, K. Rasool, M. Rehan, A. Nizami, CO2 capture and storage: A way forward for sustainable environment, Journal of environmental management, 226 (2018) 131-144.
[4] Y.-q. GENG, Y.-x. GUO, F. Biao, F.-q. CHENG, H.-g. CHENG, Research progress of calcium-based adsorbents for CO2 capture and anti-sintering modification, Journal of Fuel Chemistry and Technology, 49(7) (2021) 998-1013.
[5] M.T. F. Sattari, M.M. , Modeling the Calcium Looping Process with an Emphasis on the Bed Hydrodynamics and Sorbent Characteristics, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 53(5) (2021) 2807-2820 in Persian.
[6] M. Erans, V. Manovic, E.J. Anthony, Calcium looping sorbents for CO2 capture, Applied Energy, 180 (2016) 722-742.
[7] C. Qin, D. He, Z. Zhang, L. Tan, J. Ran, The consecutive calcination/sulfation in calcium looping for CO2 capture: Particle modeling and behaviour investigation, Chemical Engineering Journal, 334 (2018) 2238-2249.
[8] G.S. Grasa, J.C. Abanades, M. Alonso, B. González, Reactivity of highly cycled particles of CaO in a carbonation/calcination loop, Chemical Engineering Journal, 137(3) (2008) 561-567.
[9] B. Azimi, M. Tahmasebpoor, P.E. Sanchez-Jimenez, A. Perejon, J.M. Valverde, Multicycle CO2 capture activity and fluidizability of Al-based synthesized CaO sorbents, Chemical Engineering Journal, 358 (2019) 679-690.
[10] J. Cai, S. Wang, C. Kuang, Modeling of carbonation reaction for CaO-based limestone with CO2 in multitudinous calcination-carbonation cycles, International Journal of Hydrogen Energy, 42(31) (2017) 19744-19754.
[11] J. Cordero, M. Alonso, Modelling of the kinetics of sulphation of CaO particles under CaL reactor conditions, Fuel, 150 (2015) 501-511.
[12] L. Fedunik-Hofman, A. Bayon, S.W. Donne, Kinetics of solid-gas reactions and their application to carbonate looping systems, Energies, 12(15) (2019) 2981.
[13] S. Chen, C. Qin, J. Yin, X. Zhou, S. Chen, J. Ran, Understanding sulfation effect on the kinetics of carbonation reaction in calcium looping for CO2 capture, Fuel Processing Technology, 221 (2021) 106913.
[14] T. Maparanyanga, D. Lokhat, Modelling of a calcium-looping fluidized bed reactor system for carbon dioxide removal from flue gas, International Journal of Low-Carbon Technologies, 16(3) (2021) 691-703.
[15] H.S. Nygård, N.A.R. Ruud, E. Olsen, Investigation of Sulfation of CaO and CaCO3 in Eutectic CaF2–CaCl2, Energy & Fuels, 36(12) (2022) 6343-6352.
[16] A. Coppola, A. Esposito, F. Montagnaro, M. Iuliano, F. Scala, P. Salatino, The combined effect of H2O and SO2 on CO2 uptake and sorbent attrition during fluidised bed calcium looping, Proceedings of the Combustion Institute, 37(4) (2019) 4379-4387.
[17] S.K. Bhatia, D. Perlmutter, A random pore model for fluid‐solid reactions: I. Isothermal, kinetic control, AIChE Journal, 26(3) (1980) 379-386.
[18] F. Montagnaro, M. Balsamo, P. Salatino, A single particle model of lime sulphation with a fractal formulation of product layer diffusion, Chemical Engineering Science, 156 (2016) 115-120.
[19] A. Scaltsoyiannes, A. Lemonidou, CaCO3 decomposition for calcium-looping applications: Kinetic modeling in a fixed-bed reactor, Chemical Engineering Science: X, 8 (2020) 100071.
[20] M.C. Romano, Modeling the carbonator of a Ca-looping process for CO2 capture from power plant flue gas, Chemical Engineering Science, 69(1) (2012) 257-269.
[21] S. Stendardo, P.U. Foscolo, Carbon dioxide capture with dolomite: a model for gas–solid reaction within the grains of a particulate sorbent, Chemical Engineering Science, 64(10) (2009) 2343-2352.
[22] M. Balsamo, F. Montagnaro, Fractal-like Vermeulen kinetic equation for the description of diffusion-controlled adsorption dynamics, The Journal of Physical Chemistry C, 119(16) (2015) 8781-8785.
[23] M. Balsamo, F. Montagnaro, Fractal-like random pore model applied to CO2 capture by CaO sorbent, Chemical Engineering Science, 254 (2022) 117649.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 55، شماره 5
مرداد 1402
صفحه 659-674

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار