پایان نامه بررسی آزمایشگاهی و مدلسازی تولید کربنات کلسیم از محلول کلرید کلسیم به وسیله جذب دی اکسید کربن گازهای خروجی از صنایع

فهرست:

فصل اول:  مقدمه

1-1- اهمیت تحقیق................................................................................................................................ 2

1-2- تکنولوژی CCS.............................................................................................................................. 3

1-2-1-  سیستم­های به دام انداختن دی­اکسیدکربن........................................................... 4

1-2-2- تکنیک­های جداسازی دی­اکسیدکربن........................................................................ 5

1-2-2-1- جذب گاز.................................................................................................................. 6

1-2-2-2- جذب سطحی......................................................................................................... 6

1-2-2-3- جداسازی توسط غشا .......................................................................................... 7

1-2-2-4- تقطیر برودتی.......................................................................................................... 7

1-2-2- انتقال دی­اکسیدکربن....................................................................................................... 7

1-2-3- ذخیره­سازی دی­اکسیدکربن........................................................................................... 8

1-3- جریان دورریز کلسیم کلرید واحد صنعتی سودا اش......................................................... 9

1-4- کربنات کلسیم............................................................................................................................... 9

1-5- هسته­سازی................................................................................................................................... 10

1-5-1- هسته­سازی اولیه ............................................................................................................ 11

1-5-2- هسته­سازی ثانویه............................................................................................................ 12

1-6- رشد کریستال............................................................................................................................... 12

1-7- چسبندگی.................................................................................................................................... 14

فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته

2-1- فرایند تولید سودااش................................................................................................................ 16

2-2- اصلاحات انجام شده بر روی واحد سودا اش و استفاده از جریان­های دورریز.......... 18

2-2-1- تولید منیزیم کلرید به جای کلسیم کلرید............................................................... 18

عنوان                                                                                                                      صفحه

2-2-2- استفاده از آمین به جای آمونیاک............................................................................... 19

2-2-3- تولید هیدروکلریک اسید............................................................................................... 20

2-2-4- تولید کلرید آمونیوم به عنوان کود شلتوک برنج.................................................... 20

2-2-5- تولید فسفات کلسیم و فسفات منیزیم...................................................................... 20

2-2-6- گچ آرایشی........................................................................................................................ 22

2-2-7-استفاده از لجن ................................................................................................................. 22

2-2-8- خنثی­سازی گازهای احتراق......................................................................................... 23

2-2-9- استفاده از دورریز واحد تقطیر..................................................................................... 24

2-2-10- تولید کود از گل آب نمک تصفیه شده.................................................................. 25

2-2-11 تولید کربنات کلسیم...................................................................................................... 26

2- 2-12- استفاده از پسماند جامد به عنوان جاذب............................................................. 26

2-3- به دام انداختن دی اکسید کربن به روش کربناسیون..................................................... 27

2-4- مطالعات آزمایشگاهی انجام شده در زمینه ترسیب کربنات کلسیم............................. 28

2-5- مطالعات سینتیکی انجام شده در زمینه ترسیب کربنات کلسیم................................. 29

فصل سوم: روش کار

3-1- فرایند.............................................................................................................................................. 35

3-2- شرح راکتور آزمایشگاه .............................................................................................................. 37

3-3- آزمایشات ...................................................................................................................................... 40

3-4- نمونه برداری از راکتور............................................................................................................... 41

3-5- آنالیز فاز جامد.............................................................................................................................. 41

3-5-1-آنالیز شکل............................................................................................................................ 42

3-5-1-1- میکروسکوپ الکترونی SEM ............................................................................ 42

3-5-2-آنالیز گونه­های رسوب...................................................................................................... 43

3-5-2-1- دستگاه پراش پرتوهای ایکس.......................................................................... 43

3-5-3- آزمایش هیدرومتری........................................................................................................ 44

3-5-3-1- آزمایش.................................................................................................................... 46

3-5-3-2- تعیین طول فرورفتگی هیدرومتر.................................................................... 47

3-5-3-3- تعیین درصد عبوری ذرات معلق نمونه......................................................... 48

3-5-3-4- خطای منیسک..................................................................................................... 48

عنوان                                                                                                                      صفحه

3-6- تعیین وزن مخصوص رسوب................................................................................................... 50

3-7- آنالیز فاز مایع............................................................................................................................... 51

3-7-1- اندازه­گیری غلظت یون کلسیم در محلول .............................................................. 51

3-7-2- اندازه­گیری غلظت یون کربنات................................................................................... 52

3-7-3- اندازه­گیری غلظت یون کلرید...................................................................................... 52

3-7-4- اندازه­گیری غلظت یون سولفات.................................................................................. 52

3-7-5- اندازه گیری غلظت یون سدیم.................................................................................... 53

3-7-6- اندازه گیری غلظت یون آهن....................................................................................... 53

3-7-7- اندازه­گیری غلظت یون منیزیم.................................................................................... 53

3-8- محاسبه­ی فوق اشباعیت........................................................................................................... 54

3-9- آنالیز فاز گاز.................................................................................................................................. 55

3-9-1- اندازه­گیری میزان دی­اکسید کربن در مخلوط گاز سنتزی.................................. 55

فصل چهارم: مدل سازی

4-1- معادله­ی موازنه­ی جمعیت فرایند ترسیب........................................................................... 58

4-2- معادلات سینتیکی برای ترسیب............................................................................................. 60

4-2-1- هسته­سازی........................................................................................................................ 60

4-2-2- رشد ذرات.......................................................................................................................... 62

4-2-3- توابع تولد و مرگ............................................................................................................. 63

4-3- محاسبه­ی جرم کل کریستال­ها و معادله­ی موازنه ی جرم............................................. 64

4-4- محاسبه­ی توزیع تجمعی، حجم متوسط ذرات و دانسیته­ی جمعیت......................... 65

4-5- حل معادلات مدل­سازی............................................................................................................ 66

4-6- داده­های آزمایشگاهی.................................................................................................................. 68

4-7- محاسبات اولیه.............................................................................................................................. 68

4-8- حل معادله­ی موازنه­ی جمعیت در برنامه ............................................................................ 68

4-9- بهینه­سازی پارامترهای سینتیکی............................................................................................ 69

4-9-1- تابع هدف............................................................................................................................ 69

عنوان                                                                                                                      صفحه

4-10- روش بهینه­سازی الگوریتم ژنتیک....................................................................................... 70

4-11- الگوریتم برنامه........................................................................................................................... 71

فصل پنجم: نتایج و بحث

5-1- تغییرات pH آزمایش­ها............................................................................................................. 75

5-2- عکس­های SEM (تاثیر غلظت دی­اکسیدکربن بر روی شکل­های کریستالی کربنات کلسیم) 79

5-3- تاثیر دی اکسیدکربن بر روی میزان رسوب و اندازه­ی ذرات......................................... 84

5-4- نمودارهای XRD (تاثیر غلظت دی اکسید کربن بر میزان گونه­های رسوب)............ 91

5-5- تعیین پارامترهای سینتیکی................................................................................................... 98

5-6- صحت مدل.................................................................................................................................. 100

5-7- حساسیت مدل........................................................................................................................... 105

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات

6-1- نتیجه­گیری.................................................................................................................................. 109

6-2-پیشنهادات..................................................................................................................................... 110

فهرست منابع............................................................................................................................................. 111

پیوست.......................................................................................................................................................... 115

پیوست 1- سرعت رشد....................................................................................................................... 115

پیوست 2 – برنامه کامپیوتری........................................................................................................... 116

منبع:

Andreassen, J. P., Hounslow, M. J. (2004). ‘’Growth and Aggregation of Vaterite in Seeded-Batch Experiments.’’ AIChE Journal., Vol. 50, No. 11: 2772-2782

Alamdari. A., Raper, J.A., Wainwright, M.S. (2000). “A model for aluminium  trihydroxide crystallization from pure and impure solutions” Chem . Eng. Comm., Vol. 180, 83-105

Alamdari, A., Saffari, M. (2012). “Kinetic study of calcium carbonate precipitation in gas field brine containing methanol” Journal of Natural gas science and Engineering., Vol. 5, 1-8

Avery, J.M., Evaans, R.F. (1945). “Production of magnesium at Painesville, Ohio. American Insstitute of Mining, Metallurgical, and Petroleum Engineers” Technical  Publication  No. 1829:8.

Blumberg, R., Gai, J.E., Hajdu, K. (1974). “Interesting aspects in the development of a novel solvent extraction process for producing sodium bicarbonate. In: Proceedings of the international solvent extraction conference” Society of the Chemical Industry.,Vol.  3, 2789-802

Chen, P.C., Clifford, Y., Lee, T., Lee, K.C. (1997). “Morphology and growth rate of calcium carbonate in a gas- liquid- solid reactive crystallizer”  No. 97, 4171-4177

Christoffersen, J., Christoffersen, M. R. (1990). ‘’Kinetics of Spiral Growth of Calcite Crystal and Determination of Absolute Rate Constant.’’ Journal of Crystal Growth., 100, 203-211.

Collier, A.P., Hounslow, M. J. (1999). “Growth and Aggregation of calcite and calcium oxalate Monohydrate.” AIChE Journal., No. 45 : 2298-2305

Dickinson, S.R., McGrath, K.M. (2001). ''Quantitative determination of binary and tertiary calcium carbonate mixtures using power X- ray diffraction.'' The ANALYST., Vol. 126, 1118 -1121

Flaten, E. M., Andreassen, P. (2007). ''Polymorphism and nucleation kinetics in precipitation of calcium carbonate in water and ethylene glycol.'' International Workshop on Industrial Crystallization

Flachberger, H., Krenn, K., (2004). “Contribution to processing the brine purification mud at Ebensee Salt Works of Salinen Austria AG. Berg- und Huttenmannische Monatshefte” No. 149, 138-43

Gao, C., Dong, Y., Zhang H., Zhang J., (2007). “Utilization of distiller waste and residual mother liquor to prepare precipitated calcium carbonate.” Jounal of Cleaner Production., No.15  : 1419-1425

Gibbins, J., Chalmers, H., (2008).”Carbon Capture and Storage.” Energy Policy., No.36   : 4317-4322

Garside, J., (1985). “Industrial Crystallization from Solution.” Chemical Engineering Science., Vol. 40, No. 1: 3-26

Jacic S. J., Grootscholten, P. A. M. (1984). Industrial Crystallization. Boston: Delf Unuversity Press.

Huang, D. (2002). ‘’Effects of Hyaluronan on Calcium Carbonate Crystallization.’’ Michigan state University, Ph. D. Thesis.

Hartel R. W., Randolph, A. D. (1986). “Mechanisms and kinetic Modelling of Calcium Oxalate Crystal Aggregation in a Urinelike Liquor.” AICHE Journal., Vol. 32, No. 7: 1186-1195.

Khosravi, J., Alamdari, A. (2009). “Copper removal from oil-field brine by coprecipitation” Journal of Hazardous Materials., Vol. 166, 695-700

Han, Y. S., Hadiko, G., Fuji, M., Takahashi, M., (2005). “Effect flow rate and CO2 content on the phase and morphology of  CaCO3 prepared by bubbling  method”  Journal of crystal growth., No: 1446-1460

Jadeja, R.N., Tewari, A. (2009). “Effect of soda ash industry effluent on agarophytes, alginophytes and carrageenophyte of west coast of India” Journal of Hazardous Materials., Vol. 162, 498-502

Kazmierczak, T. F., Tomson, M. B., Nancollas, G. H. (1982). ‘’Crystal Growth of Calcium Carbonate. A Controlled Composition Kinetic Study.’’ Journal of Physical Chemistry., Vol. 86, 103-107

Mullin  J. W., (2001). ''Crystallization.'' Butterworth-Heinemann, pp. 123.

Jones, A.G. (2002). Crystallization Process Systems. Butterworth-Heinemann

MacCabe, W. L., (1929a). ‘’Crystal Growth in Aqueous Solution I – Theory.’’  Industrial & Engineering Chemistry., Vol. 21, No.1: 30-33

MacCabe, W. L., (1929b). ‘’Crystal Growth in Aqueous Solution II – Theory.’’ Industrial & Engineering Chemistry., 21 (3), 112-119.

Nancollas, G. H., Reddy, M. M. (1971). ‘’The Crystallization of Calcium Carbonate II. Calcite Growth Mechanism.’’ Journal of Colloid and Interface Science.,  Vol. 37, No. 4: 824-830

Nielsen, A. E. (1984). ‘’Electrolyte Crystal-Growth Mechanism.’’ Journal of Crystal Growth., Vol. 67, No. 2: 289-10

Nason J.A. (2006). ‘’Experimental Measurement and Mathematical Modeling of Simultaneous Precipitation and Flocculation.’’ Michigan state University, PH. D. Thesis.

Nourafkan, E.,  Alamdari, A,.  (2009). “Model for Batch Crystallization of Bisphenol-A Adduct under the Influence of Industrial Impurities” Journal of Chemical Engineering of Japan., Vol. 42, No. 4 :231-240

Lippmann, F,. (1973). “Sedimentary Carbonate Minerals: .Berlin: Springer-Verlag New York. Heidelberg

Lasilowski, T., Buczkowski, R., Lemanowska, E., (2004). “Cleaner production in the ammonia- soda industry:an  ecological and ecpnomic study.” Journal of Environmental Management., No.73, 339-56

Lym, S., Forrester, R.C., (1974) US 3 792 153

Pires,  J.C.M., Martins F.G., Alvim- Ferraz M.C.M., Simoes M. (2011). “Recent development on carbon capture and storage :An overview.” Chemical Engineering Research and Design., Vol. 123, No. 6: 1446-1460

Powl, S.T., Bacon, H.E., (1948).”Corrosion prevention by controlled catrolled Calcium Carbonate Scale”, Ind Eng. Chem.Vol. 40 :453-457

Sun, B., Wang, X., Chen, J., Chu, G., Chen, J., Shao, L., (2011). “Synthesis of nano-CaCO3 by simultaneous absorption of CO2 and NH3 into CaCl2 solution in a rotating packed bed.” Chemical Engineering  Journal. No.4   : 731-736

Sener, S., (2008). “Use of solid wastes of the soda ash plant as an adsorbent for the removal of anionic dyes: Equilibrium and kinetic studies” Chemical Engineering Journal.,  No.138   :207-214

Swinney, L. D. (1979). ‘’Calcium carbonate crystallization kinetics in the lime-soda ash water softening system.’’ Ames. IA: Iowa State University,131 p. M. S. Thesis.

Randolph, D., A.Larson, (1988). Theory of paticulate processes.ACADEMIC PRESS, INC.

Rigopoulos, S., Jones, A., (2003).”Modeling of Semibatch Agglomerative Gas-Liquid Precipitation of CaCO3 in a Bubble Column Reactor” American Chemical Society., No.42   :6567-6575

Teir, S., Kuusik, R., Fogelholm, C., Zevenhoven, R., (2007). “Production of magnesium carbonates from serpentinite for long-term storage of CO2” International journal of mineral processing.,  No.85    : 1–15

Tsunashima, K., Nakaya, K., “the New Asahi(NA) process for synthetic ash production.” In: Fifth industrial mineral international conference, Madrid(Spain);1982

Velts, O., Uibu, M., Kallas, R., Kuusik, R., (2011). “CO2 mineral trapping: Modeling of calcium carbonate precipitation in a semi-batch reactor” Energy Procedia. No.    : 771-778

Velts, O., Uibu, M., Kallas, R., Kuusik, R., (2011). “Waste oil shale as a novel source of calcium for precipitated calcium carbonate :Carbonation mechanism, modeling,and product characterization.” Journal of Hazardous Material

Wey J. S. (1985). “Analysis of Batch Crystallization Processes.’’  Chem. Eng. Comm., Vol. 35, 231-252

Watanabe, H., Mizuno, Y., Endo, T., Wang, X., Fuji, M., Takahashi, M., (2009). “Effect of initial PH on formation of hollow calcium carbonate particles by conyinuous CO2 gas bubbling into CaCl2 aqueous solution” Advanced Powder Technology.,  No.20   : 89-93

Wasag, T., (1970). “Application of amines in the manufacture of soda by the modified Solvay method. Solubility of sodium chloride in aqueous solutions of some amines. Kwartalink Poswiecony Zagadnieniom Technologii Chemicznej” No.14 :  165-173

Yang, H., Xu, Z., Fan, M., Gupta1, R., (2008). “Progress in carbon dioxide separation and capture: A review” Journal of environmental science.,   No.