حذف کربن دياکسيد از گاز دودکش کارخانه سيمان توسط کلينوپتيلوليت طبيعي منطقه سبزوار

زهرا بيگم مختاری حسينی*+، تکتم شنوائی زارع
سبزوار، دانشگاه حکيم سبزواری، دانشکده مهندسی نفت و پتروشيمی، صندوق پستی 793

يونس کمالیفر
شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، دانشکده فنی و مهندسی

چكيده:پس از انقلاب صنعتی، غلظت گازهای گلخانهای در جو به سرعت افزايش يافت. گرم شدن کره زمين با انتشار گازهای گلخانهای ايجاد میشود و انتشار کربن دیاکسيد از مهمترين دليلهای آن محسوب میشود.
در حال حاضر روشهای گوناگونی برای حذف کربن دیاکسيد از جريانهای گازی وجود دارد. يکی از روشهای پيشنهاد شده، استفاده از زئوليت به عنوان جاذب است که با روش غربال مولکولی، گاز کربن دیاکسيد را جدا میکند.
در اين مطالعه، امکان حذف کربن دیاکسيد موجود در گاز دودکش کارخانه سيمان سبزوار توسط زئوليت کلينوپتيلوليت سبزوار بررسی شد .بدين منظور ستونی در مقياس آزمايشگاهی طراحی و ساخته شد و تأثير سه عامل اندازه زئوليت، نسبت ارتفاع به قطر ستون پرشده با زئوليت )L/D( و فشار گاز ورودی به ستون، بر فرايند جذب با استفاده
از روش آماری تاگوچی در سه سطح مورد بررسی قرارگرفت. تجزيه و تحليل نتيجههای آزمايشها نشان داد که در بازهی متغيرهای مورد بررسی، مهمترين عامل مؤثر بر فرايند جذب، اندازه ذرههای زئوليت است. )L/D( نيز اثرچشمگيری بر ميزان جذب داشت. در شرايط بهينه بهدست آمده، اندازه ذرههای 73/2-2 ميلی متر، نسبت ارتفاع به قطر ستون8/01 و فشار 99-91 کيلو پاسکال، پس از 01 دقيقه حدود 81 درصد و پس از يک ساعت بيش از 31 درصد
2CO موجود در گاز دودکش توسط ستون زئوليت حذف شد.

واژههاي كليدي: کربن دی اکسيد، کلينوپتيلوليت طبيعی سبزوار، روش تاگوچی، ستون پر شده، گاز دودکش.

KEY WORDS: Carbon dioxide; Sabzevar natural clinoptilolite; Taguchi method; Packed column;
Flue gas.

مقدمه
يکي از مسايلي که امروزه توجه بسياري از پژوهشگران را به خود مقداري از انرژي خورشيد را در جو زمين نگه ميدارند. اين پديده جلب نموده است افزايش گازهاي گلخانهاي در جو زمين است .موجب افزايش دماي زمين و درنتيجه آب شدن يخهاي قطبي ، اين گازها که عبارتند از 4SOx ،CO2 ،CFC ،CH و NOx، بالا آمدن سطح آبها، ايجاد طوفانهاي دريايي، ناپديد شدن

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
علمي 64
برخي از جزيرهها, شهرها و کشورهاي ساحلي خواهد شد. پس از انقلاب صنعتي، توليد 2CO به طور چشمگيري افزايش يافت بهطوري که در حال حاضر حدود 06 درصد گازهاي گلخانهاي، مربوط به کربن دياکسيد به دست آمده از صنايع و سوختن سوختهاي فسيلي است ]3-1[.
گاز کربن دياکسيد در صنايع گوناگون از جمله نوشابهسازي ،خاموش کردن آتش، فرايندهاي ازديادبرداشت از مخازن نفت ،تصفيهخانهها، صنايع تبريدي، پتروشيمي و… مورد استفاده قرار ميگيرد. برخي از اين صنايع مانند نوشابهسازي، 2CO مورد نياز خود را از سوختن سوختهاي فسيلي تأمين ميکنند. اثرهاي زيست محيطي ورود 2CO به جو زمين از يک سو و کاربردهاي بسيار آن از سوي ديگر، توجه پژوهشگران بسياري را به موضوع جداسازي و حذف گاز 2CO جلب کرده است ]4-1[. پژوهشگران روشهاي گوناگوني را مطالعه نمودهاند ]8-5[. يکي از روشهاي پيشنهاد شده براي حذف 2CO از گاز، روش جذب سطحي با استفاده از جاذبهاي کربن فعال و زئوليت است ]14-9[.
زئوليتها، آلومينوسيليکاتهاي بلوري و هيدراته فلزهاي قليايي و قليايي خاکي هستند که به دليل ويژگيهاي ساختاري و شيميايي خود، در صنايع و پژوهشهاي علمي مورد استفاده قرار ميگيرند. زئوليتها با ويژگيهاي غربال مولکولي و تعويض يوني توانايي جذب و جداسازي مواد را دارند. عاملهاي ساختاري مانند نسبت Si/Al ، حجم، اندازه و شکل حفرهها و کانالها در ساختار زئوليت بر ميزان جذب مواد توسط زئوليت مؤثر هستند ]15[.
نيروهاي مؤثر در فرايند جذب توسط زئوليتها را ميتوان به دو دسته تقسيم کرد. نيروهاي واندروالس که به جاذبه و برهمکنش جاذبه دو قطبي بستگي دارند و ديگري نيروهاي الکترواستاتيک که به پلاريزاسيون و برهم کنش دو قطبي يا چهار قطبي وابسته هستد. نيروهاي واندروالس در هر نوع نفوذکننده و در هر نوع سطحي وجود دارند. اين نيروها به وضع هندسي )منفذها و کانالهاي ميکروسکوپي( بستگي داشته و به مقدار جزيي از طبيعت شيميايي ماده جاذب تأثير ميپذيرند. در مقابل نيروهاي الکترواستاتيک به يک ميدان الکتريکي در سطح جاذب و يک مولکول نفوذ کنندة دو قطبي يا چهار قطبي نياز دارند. بيشتر زئوليتها به علت داشتن کاتيونهاي قابل تعويض، جاذبهاي قطبي هستند. بنابراين مولکولهايي دو قطبي مانند آب و چهار قطبي مانند کربن دياکسيد بيشتر از گونههاي غير قطبي با وزن مولکولي همانند جذب ميشوند. پژوهشهاي بسياري در زمينه
63
-3912541505

حذف کاتيونهاي سنگين، ترکيبهاي نفتي و همچنين انواع گازها توسط زئوليت انجام شده است ]21-10[.
چندين گزارش در زمينه حذف 2CO از گاز منتشر شده است که از آن جمله ميتوان به بررسي ترموديناميکي جذب 2CO توسط زئوليت سنتزي NaX ]19[، مقايسه ميزان جذب 2N و 2CO از يک مخلوط گازي توسط زئوليت در دماهاي گوناگون ]26[، مطالعه جذب کربن دياکسيد توسط ماسه سنگ غني از زئوليت ]21[ و مقايسه زئوليتها و شبه زئوليتها در فرايند غشايي به منظور جداسازي مولکولهاي سبک مانند نيتروژن، متان و کربن دياکسيد ]22[ اشاره نمود. زئوليتهاي اشباع شده قابل بازيافت بوده و ميتوانند بارها بدون کاهش بازده مورد استفاده دوباره قرار گيرند. به منظور فعالسازي و کاربرد دوباره ميتوان از روش آهکي شدن)1(، گرما دادن زئوليت اشباع در خلا به مدت 26 دقيقه در دماي
°C256 تا دفع تمام گازهاي جذب شده، استفاد نمود ]23، 0[.
صنعت سيمان در ايران طي سالهاي اخير به خاطر نياز به سيمان براي اجراي پروژههاي عمراني، فراهم بودن زمينهي صادرات سيمان به کشورهاي همسايه و وجود مواد اوليه اين صنعت در کشور رشد چشمگيري داشته است. با عنايت به اينکه گاز خروجي از دودکش کارخانهها از جمله کارخانه سيمان از مهمترين منابع توليد کربن دياکسيد است، مطالعه و پژوهش در زمينه حذف 2CO از گاز دودکش اين صنعت، لازم به نظر ميرسد. با عنايت به وجود منابع غني زئوليت در مناطق گوناگون ايران، آساني دسترسي و ارزان بودن آن، نتيجههاي دلخواه حذف کربن دياکسيد توسط زئوليت طبق گزارشهاي منتشر شده ساير پژوهشگران ]24-19[ و آساني بازيابي آن، اين پژوهش به منظور حذف 2CO از گاز دودکش کارخانه سيمان توسط زئوليت طبيعي منطقه سبزوار انجام گرفت. در اين مطالعه سه متغير مؤثر بر فرايند با استفاده از روش آماري تاگوچي بررسي شدند. در اين پژوهش براي نخستين بار از زئوليت طبيعي منطقه سبزوار براي حذف 2CO از گاز استفاده شد.

بخش تجربي
مواد و دستگاهها
زئوليت مورد استفاده در اين پژوهش از معادن زئوليت منطقه چاه تلخ واقع در جنوب شهرستان سبزوار تهيه شد. ساير مواد مورد نياز از شرکتهاي معتبر، با درجه آزمايشگاهي، خريداري شد.
)0( Calcination
به منظور جذب کربن دياکسيد توسط زئوليت، ستوني به طول 35 و قطر 5/2 سانتيمتر از جنس شيشه ساخته شد و با استفاده از دو توري نگهدارنده زئوليتها به صورت يک بستر در ستون قرار گرفتند.
ميزان کربن دياکسيد گاز ورودي و خروجي ستون به طور پيوسته توسط دستگاه گازسنج)1( ) مدل Testo350-XL, ساخت شرکت زيمنس آلمان( اندازهگيري شد. طول ميله سنجش نمونهبرداري استاندارد دستگاه mm066 است که دما را تا C°1666 تحمل ميکند. اين دستگاه گازهاي 2O2 ،N و CO را به طور مستقيم توسط حسگر اندازهگيري ميکند. اما گاز 2CO را بهطور غير مستقيم و بر حسب درصد اکسيژن اندازه گيري شده محاسبه ميکند ]20-25[. معادله )1( روش محاسبه ميزان 2CO به دست آمده از سوختن را نشان ميدهد.
974644103050

)1( 2% /CO2 CO2max 2094/ 2094% O [%] که مقدار CO2max براي سوخت نفت کوره 5/15 است.

تعيين ويژگيهاي زئوليت
آناليز عنصري زئوليت توسط XRF)2(، تشخيص درصد کاني هاي تشکيل دهنده زئوليت توسط XRD)3( و تعيين ميزان سطح قابل دسترسي حفرههاي زئوليت (BET))4( بهوسيله دستگاه Nanosord به صورت تک نقطهاي انجام شد.

آماده سازي و اصلاح زئوليت
زئوليت تهيه شده ابتدا آسياب و سپس توسط الکهاي استاندارد دانهبندي شد و با آب مقطر شستشو داده شد] 29-28[.
اصلاح سطح زئوليت آماده شده با چهار نوع اسيد فسفريک، نيتريک، هيدروکلريک و سولفوريک به طور مجزا انجام شد.
بدين منظور مقدار g26 زئوليت به mL256 محلول يک مولار اسيد که متغيرهاي دما، اندازه زئوليت، نسبت ارتفاع به قطر بستر )L/D( و فشار گاز ورودي، بر اين فرايند مؤثر هستند. با توجه به محدوديتهاي عملياتي و اقتصادي، در اين مطالعه شرايط تغيير و کنترل دما مهيا نشد.
درنتيجه اثر سه متغير ديگر مورد بررسي قرار گرفت.
به منظور بررسي اثر سه متغير، اندازه زئوليت ،)L/D( و فشار گاز ورودي بر فرايند جذب کربن دياکسيد از گاز دودکش توسط زئوليت از آرايه 9L روش آماري تاگوچي ]34[ استفاده شد.
در اين آرايه متغيرها در سه سطح مطالعه ميشوند. سطوح متغيرها باکمک مطالعههاي ساير پژوهشگران ]33-28[، محدوديت شرايط عملياتي موجود انتخاب شدند. سطوح متغير )L/D( در بازهاي تعيين شدند که باعث افت فشار زياد در بستر نشود و سطح فشار گاز ورودي نيز چنان انتخاب شد که از يک سو باعث کاهش شديد فشار خروجي نشود و از سوي ديگر سبب تخريب دستگاه و بستر نشود .با توجه به اينکه افت فشار در برج پر شده تابع قطر مؤثر پرکنها است و با کاهش اندازه پرکنها افت فشار در بستر زياد ميشود، حد پايين متغير اندازه ذرهها mm 2 انتخاب شد.
جدول 1 متغيرهاي مورد مطالعه و سطوح آن را نشان ميدهد .
آرايه 9L تاگوچي در جدول 2 قابل ديدن است.

جذب کربن دياکسيد توسط زئوليت
مرحلههاي انجام فرايند جذب 2CO از گاز دودکش به طور شمايي در شکل 1 نشان داده شده است. همانگونه که ديده ميشود براي حذف ذرههاي معلق، در مسير گاز دودکش پيش از ورود به کمپرسور يک غبارگير گذاشته شده است و جريان گاز با فشار قابل تنظيم وارد بستر ميشود. ميزان کربن دياکسيد گاز، پيش و پس از ستون پرشده به طور پيوسته، توسط دستگاه گازسنج
و در همباافزوده زدهاصلاح داخلآب شد شد شده ]و مقطر36به پسخشکانه[.) تا5 (از مدتسپس hرسيدنخشک 0فاز نگهداري به درشدشدن0. جامد= بهpH برايدماي °Cوسيله 06شستشو جلوگيري کاغذبا از داده دور شدصافي.جذب rpmجدا رطوبت156زئوليتشد بهبه اندازهمعادلهدرکربنات دست1ستون گيريبه بخشآمدهکلسيم قابلم )ازي با تقريبشد اندازهمطالعه . سوختندرنوشتنثابت گيري و کارايي تمامموازنهاستسوخت برابر )( وزئوليتمواد18 2%توسط آزمايشهاي CO ها بود. به محاسبه دستگاهاصلاحاين مي غلظتدست شودشده،2مقدار ( گازسنجآمده وCOمي از بافرايند شامل باشد2. جذبCOکمکتجزيهورودي
بررسي متغيرهاي مؤثر با شرايط اندازه زئوليت mm 30/2-2، نسبت ارتفاع به قطر 2/1 و
-42798479477

مطالعهي گزارشهاي منتشر شده در زمينه حذف کربن دياکسيد فشار گاز ورودي Kpa 85-86 و در بخش مطالعه متغيرهاي مؤثر از گاز دودکش توسط جاذبهاي جامد]33-28[ نشان داد بر فرايند، آزمايشها طبق آرايه 9L تاگوچي)جدول 2( انجام شد.
)0( Gas Analyzer )4( Brunauer–Emmett–Teller theory
)2( X- Ray Fluorescence )9( Desiccator
)7( X-Ray Diffractometer
علمي
16188210770

کد

متغير

مورد

مطالعه

متغير

مورد

مطالعه

سطح

1

سطح

2

سطح

3

A

اندازه

ذرات

(
mm
)

30
/
2

2

30
/
2

05
/
4

56

25

B

نسبت

ارتفاع

به

قطر

ستون

جذب

(
L/D
)

2
/
1
(
3

به

5
/
2
)

0
/
3

(
9

به

5
/
2
)

8
/
16
(
20

به

5
/
2
)

C

فشار

(
KPa
)

05

06

85

86

95

96

کد

متغير

مورد

مطالعه

متغير

مورد

مطالعه



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید