Dolgulu kolonlarda kütle transfer katsayısı tayini: CO2-hava karışımındaki CO2`nin suda fiziksel adsorbsiyonu

Abstract

IV ÖZET Bu araştırmanın amacı dolgulu kolonlarda, CO2-hava karışımınındaki CO2'nin suya fiziksel absorpsiyonunda toplam kütle transfer katsayılarının tayinidir. Deneylerde gaz kolona tek geçişli olarak beslenmekte, rezervuardaki sıvı ise geri döngülü olarak dolaştırılmaktadır. Kütle aktarım katsayılarının tayini için, Özdural (1994) tarafından geri döngülü kolonlarda absorpsiyon için geliştirilmiş ve Evren ve Özdural (1995) tarafından dolgulu kolonlarda gaz absorpsiyonuna uyarlanmış yeni bir yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemde, kurulan matematik modelin farklı KL,a değerleri için nümerik çözümünden elde edilen sonuçlarla deneysel sonuçlar karşılaştırılmakta, deneysel sonuçlarla uyumlu çözümü veren KLa sistem için toplam kütle transfer katsayısı olarak belirlenmektedir. Çalışmalarda, CO2-hava karışımının bileşimi, sıvı akış hızı, sıcaklık ve kolon dolgu yüksekliği gibi parametreler değiştirilerek, bu parametrelerin KLa üzerine etkileri incelenmiştir. Birinci grup deneylerde kolon dolgu yüksekliği (Hk) 1.20 m olan kolon kullanılmış, hava-C02 karışımındaki CO2 yüzdesi %5-%20 aralığında, sıvı akış hızı 5.0x1 0`5 mV -15. 0x1 0`5 m3 s`1 aralığında, sıcaklık ise 20°C-30°C aralığında değiştirilmiştir. Deneyler herbir parametrenin permütasyonu için tekrarlanmıştır. ikinci grup deneylerde ise kolon dolgu yüksekliği yarıya düşürülmüştür (HK=0.60 m). CO2-hava karışımındaki CO2 yüzdesi %10 değerinde tutulmuş, 20°C sıcaklıkta yapılan deneylerde sıvı akış hızı 8.3xl0`5 m3s`1-15.0xl0`5 mV1 aralığında, 11.7xl0`5 m s` sıvı akış hızında yapılan deneylerde sıcaklık 20°C-30°C aralığında değiştirilmiştir. Araştırma kapsamında yapılan deneylerde, incelenen parametrelere bağlı olarak, sistem için toplam kütle transfer katsayısının (K.L,a) 0.0093-0.0257 s-1 aralığında değiştiği belirlenmiştir. Bu değişimin nedenleri şu şekilde açıklanabilir; 1. Genel olarak, KLa gaz bileşiminden etkilenmemektedir. Fakat düşük sıvı akışhızlarında ve düşük gaz bileşiminde konsantrasyon farkının azalması nedeniyle gaz filmi direncinin etkin olmadığı ve KLa'nın arttığı görülmektedir. 2. Sıvı akış hızının artmasıyla birlikte sıvı film direnci azalmakta, kolon sıvı kesri sl, ve arayüzey transfer alam artmakta, ve bunlara bağlı olarak KL,a artmaktadır. 3. Sıcaklık aralığının düşük olmasından dolayı sıvı film kalınlığını belirleyen transport parametrelerindeki değişimin az olduğu, ve sonuç olarak sıcaklığın KLa üzerine önemli bir etkisi olmadığı görülmüştür. 4. Kolon dolgu yüksekliğinin artmasıyla sıvının iyi dağıtılamaması ve oluşan kanallaşmalar nedeniyle KLa azalmaktadır.

VI ABSTRACT The aim of this study is to determine the liquid side overall mass transfer coefficient of physical absorption of CO2 in air by water in a packed column. In the experiments the gas passes through the packed column only once and the liquid is recycled. To determine the mass transfer coefficient, a new method which was developed by Özdural (1994) for adsorption and modified by Evren and Özdural (1995) for gas absorption in packed column, was used. In this method, the experimental results were combined with the results found by a mathematical model developed for the system, and so the liquid side overall mass transfer coefficient was determined. In the experimentes, composition of CO2 in air-CC^ mixture, flow rate of water, temperature and column packed height was changed and the influences of them to overall mass transfer coefficient was inspected. In the first group of experiments, the packed column having a packed height of 1.20 m was used. The percent composition of CO2 in air-C02 mixture was changed between the range of 5%-20%. The flow rate of water was changed between the range of 5.0xl0`5 mV1 -15.0xl0`5 mV1. The temperature was changed from 20°C to 30°C and experiments were repeated for each permutation of parameters. In the second group of experiments, the packed height of the column was reduced to half (Hk=0.60 m). The composition of CO2 in air-C02 mixture was held constant with a value of 10%. The liquid flow rate was changed between 8.3xl0`5 mV1 to 15.0x10` m s` at a constant temperature of 20°C. Then, the temperature was changed from 20°C to 30°C at a constant liquid flow rate of 1 1.7x1 0`5 mV1. As a conclusion, the overall mass transfer coefficient (KLa) depending on the parameters mentioned above was determined in the range of 0.0093-0.0257 s`1 for the system. The changes of KL,a can be explained as follow; 1. KLa does not depend on the gas composition. However, Kl,a increases at the lowest liquid flow rate with lowest CO2 composition in the gas because of lower concentration gradient.2. KLa increases with the flow rate since the liquid side film resistance decreases, and the liquid fraction of the column (el) and interfacial surface area increase. 3. The temperature does not affect the KLa, since the change in temperature is small, the changes in transport parameters affecting the liquid film can be negligible. 4. KLa decreases with the increasing packed height of packed column is increased because of insufficient distribution of liquid and formation of channeling.