Kabarcıklı kolonda sodyum metaborat çözeltisine karbon dioksitin absorpsiyonu
Carbon dioxide absorption into sodium metaborate solution using a bubble column reactor
Yazar: DUYGU UYSAL
Danışman: PROF. DR. ÖZKAN MURAT DOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Absorpsiyon = Absorption ; Karbon dioksit = Carbon dioxide ; Kütle aktarımı = Mass transfer

Özet:
Günümüzün en güncel problemlerinden birisi olan küresel ısınma, atmosfere salınan sera gazlarından dolayı olmaktadır ve en önemli sera gazlarından birisi de karbon dioksittir. Küresel ısınmanın engellenmesi için özellikle termik santrallerden proses sonucu çıkan CO2'in tutulması ve uygun yerlere depolanması gerekmektedir. Karbondioksitin tutulması için endüstride genellikle amin çözeltileri ya da amonyak gibi değişik çözeltiler kullanılmaktadır. Absorpsiyon kolonlarında bu farklı çözeltilerle tutulan CO2'in yer altında veya okyanuslara depolanması hakkında da çalışmalar sürmektedir.Bu çalışma CO2'in atık gazlardan tutulması üzerinedir. İlk olarak sodyum metaborat çözeltisinin CO2 tutulmasında kullanılabileceği araştırılmış ve uygun bir tutucu olduğu kanıtlanmıştır. Ardından endüstriyel uygulamanın ilk ve basit bir örneği olan sıvıya göre kesikli kabarcıklı kolonda kimyasal reaksiyonlu absorpsiyonun gerçekleştirildiği gösterilmiştir.Çalışmanın sonraki aşamasında ilk olarak sodyum metaborat çözeltisine CO2'in absorpsiyonu sonucu gerçekleşen reaksiyonun kinetiği incelenmiştir ve frekans faktörü ile aktivasyon enerjisi sırasıyla 1,97x10-3 m3/mol-s ve 18062 J/mol olarak hesaplanmıştır. Üçüncü olarak çalışmalara sürekli kabarcıklı kolonda devam edilmiştir. Öncelikle kabarcıklı kolonda farklı gaz akış hızlarındaki gaz ve sıvı tutulmaları belirlenmiştir. Daha sonra kabarcıklı kolonda, oksijen desorpsiyonu ile sıvı fazı fiziksel kütle transferi katsayısı ve sodyum metaborat çözeltisine CO2'in absorpsiyonu çalışmaları ile sıvı fazı kimyasal kütle transferi deneysel olarak incelenmiştir. Bunun sonucunda sodyum metaborat çözeltisine CO2'in absorpsiyonu için kütle transfer hızında kimyasal reaksiyonun etkisini veren artış faktörü belirlenmiştir. Bu artış faktörü, önerilen sistemin endüstriye uyarlanmasındaki tasarım hesaplarında yararlı olacaktırAyrıca bu çalışma ile, sodyum borhidrürden H2 elde edildikten sonra kalan sodyum metaboratın karbon dioksit bertarafı gibi güncel bir konuda da değerlendirilmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Absorpsiyon işlemi sonunda elde edilen çözeltinin kurutulması ile de sanayiide (özellikle cam sanayiinde) değerlendirilme potansiyeli yüksek olan bir karışım elde edilmiştir.

Abstract:
One of the most important problems of the world is global warming, which is caused by greenhouse gases emitted to atmosphere from all over the world. Preventing CO2 emission, especially from power plants by capturing and storing, is important to decrease the effect on global warming. Today, amine or ammonia like solutions are the mostly used chemicals to capture CO2. CO2, captured by these solutions in absorption columns, can then be sent to some underground geological formations or to deep parts of oceans in order to store it.This work is about capturing CO2 from flue gases. Firstly, CO2 capturing capability of sodium metaborate was investigated and it was proven that it can capture CO2. Then, in bubble column absorption with chemical reaction is carried out, which is one of the simplest liquid-gas contactors used in industry, operated batchwise with respect to liquid.As the next step of the work, kinetics of absorption of CO2 into sodium metaborate solution was studied; frequency factor and activation energy of rate constant of this reaction were found as 1,97x10-3 m3/mol.s and 18062 J/mol, respectively. Thirdly, absorption studies were performed with a bubble column operating continuously with respect to liquid and gas. Gas hold up for the system for different gas flow rates were obtained. Liquid side physical mass transfer coefficient was determined employing oxygen desorption method. Then, liquid side chemical mass transfer coeffient was obtained by experimentally employing CO2 absorption into sodium metaborate solution. Hereat, the enhancement factor for carbon dioxide absorption into sodium metaborate solution was determined. This enhancement factor can be used in design calculations of industrial applications.With this work, it was shown that sodium metaborate, which is the product of hydrogen generation from sodium borohydride process, can be used in a current issue like carbon dioxide removal. In addition to this, by drying of the solution obtained at the end of absorption process, a solid mixture of borax and sodium carbonate can be obtained and this has a great possibility of being used in several industries (especially in glass industry) is acquired.