Gaz Akımlarındaki Kirleticilerin Kuru Sorbent Enjeksiyon Tekniği ile

Daha önce de belirtildiği gibi gaz akımlarında bulunan kirleticilerin kuru sorbent enjeksyion tekniği ile uzaklaştırılması üzerine yapılan ilk çalışmalar asidik gazlar için yapılmıştır.

Stouffer vd. (1989) borusal bir reaktörde sorbent olarak hidratlı kireçtaşı partiküllerini kullanarak kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile baca gazı desülfürizasyonu mekanizmasını belirlemiştir. Bir pilot tesiste yürütülen bu çalışma sonucunda reaktör ortamının nemliliğinin artmasıyla tutulan kükürt dioksit miktarının arttığı gözlenmiştir.

Kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile gaz akımlarından asidik gazların uzaklaştırılmasına yönelik matematiksel modelin geliştirildiği bir çalışma Duo vd. (1993a) tarafından yapılmıştır. Aynı araştırmacılar tarafından elde edilen matematiksel model eşitliği çözümü ile literatürde yapılmış deneysel çalışmalar karşılaştırılmıştır (Duo vd. 1993b). Yukarıda bahsedilen çalışmalardaki matematiksel model eşitlikleri Şekil 2.12’de gösterilen farklı katı belseme şekilleri düşünülerek türetilmiştir. Bu çalışmalarda filtre kekinde meydana gelen uzaklaştırma verimine genel olarak reaksiyon hız sabiti, katı hal difüzyonu, eksenel dispersiyon ve katı besleme şeklinin etkileri araştırılmıştır. Gerçekleştirilen ilk model çalışmasında (Duo vd., 1993a) özetle, eksenel dispersiyonun önemli olduğu, tüm adsorpsiyon etkinliğine kimyasal reaksiyon hız sabitinin difüzyon katsayısına göre daha fazla katkıda bulunduğu ve yarı kesikli katı besleme şeklinin sürekli sisteme göre daha etkin olduğu sonuçlarına varılmıştır. İkinci çalışmada ise (Duo vd., 1993b) birinci çalışmada elde edilen sonuçların literatürle uyumlu olduğu görülmüştür. Duo vd., (1994) katı-gaz reaksiyonlarında oluşan ürün tabakasının dönüşüm oranı ile değişimini incelemişlerdir. Bu çalışmada, düşük dönüşüm oranlarında azalan çekirdeğin ya küçük ya da aşırı büyük başlangıç kritik yarıçapa sahip olduğu; bunun yanında yüksek dönüşüm oranlarında ise azalan çekirdeğin optimum başlangıç kritik yarıçapının değerinde olduğu sonuçları elde edilmiştir. Benzer bir çalışma reaksiyon hız sınırlama adımına yönelik yapılmıştır (Duo vd., 1995). Halojenli asidik gazların kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile giderildiği bir başka çalışmada ise giderme verimine partikül boyutunun etkisi incelenmiştir. Partiküllerin gaz akımıyla birlikte sürüklenerek taşındığı bu çalışmada partikül boyutu azalmasıyla giderme veriminin arttığı, fakat belirli bir partikül boyutundan sonra da değişmediği sonucuna varılmıştır (Duo vd., 1996).

Z=0 Z Filtre t=0- Z=0 Z t=0+ U_o Uo Ci Wd Sorbent H_o Z=0 Z T>0 Uo Uo Ci Wd Sorbent Z=H(t) Z=0 Z Filtre t=0- Z=0 Z Filtre t=0- Z=0 Z t=0+ U_o Uo Ci Wd Sorbent H_o Z=0 Z T>0 Uo Uo Ci Wd Sorbent Uo Ci Wd Sorbent Z=H(t)

Yüksek sıcaklıklarda gaz akımlarındaki kirleticilerin sabit, hareketli, akışkan ve kuru sıyırma yöntemleriyle giderilmesinin özetlendiği ve ayrıntısına bu bölümün daha önceki kısımlarında değinildiği bir çalışma Peukert (1996) tarafından yapılmıştır.

Literatürde asidik gazların kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile uzaklaştırılmasına yönelik yukarıdaki çalışmalara ilave olarak birkaç çalışma daha mevcuttur (Neathery, 1996; Golesworthy, 1999; Shemwell vd., 2000; Kaiser vd., 2000; Shemwell vd., 2001; Collado, 2003; Wu vd., 2004; Michael vd., 2007; Chibante vd., 2007; Ortiz ve Ollero, 2008).

Everaert vd. (2003) organik bileşik sınıfından dioxin ve furanların sürüklenmeli akış, sabit ve sabit/hareketli yataklar kullanılarak karbonlu adsorbentlerde adsorpsiyon davranışlarını modelleyen bir çalışma yapmışlardır. Literatür verilerinin kullanıldığı bu çalışmada elde edilen model sonuçlarının yatak işletme şartlarına ve adsorbent karakteristiğine güçlü biçimde bağlı olduğu sonucuna varılmıştır. Cudahy ve Helsel, (2000) yapmış oldukları çalışmada ise geniş literatür kaynağına dayanarak klorlu benzenler, klorlu fenoller, polibromlu dioksinler, furanlar ve polibromlu klorlu dioksin ve furanlar gibi yanma gazlarında bulunan kirletici ve toksin bileşiklerin karbon enjeksiyonu ile gerçekleştirilen adsorpsiyon ile % 90 ve daha fazla bir verimle uzaklaştırılabileceğini ifade etmektedirler.

Yukarıda özellikle asidik gaz giderilmesinde kullanılan kuru sorbent enjeksiyon tekniğinin çevrede son derece zararlı etkilere sahip olan uçucu organik bileşiklerin adsorpsiyon prosesi ile etkin bir şekilde giderilmesi veya geri kazanılmasının mümkün olduğu yapılan çalışmalarla ortaya konmuştur (Archer vd., 2000; Allen vd., 2001a; 2001b; Tiernery, 2006). Yapılan bu çalışmalarda da belirtildiği üzere kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile uçucu organik bileşik adsorpsiyonu oldukça yeni bir konudur. Literatürde üzerinde az sayıda çalışma bulunan kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile adsorpsiyon araştırmacılar açısından ilgi çekici bir konu olma özelliği taşımaktadır.

Archer vd. (2000) kuru sorbent enjeksiyon tekniğini aktif karbon kullanarak, yanma gazlarında sıkça rastlanan ve oldukça toksik olan perkloroetilen adsorpsiyonu için düzenlemişlerdir. Bu çalışmada, ve bu çalışmadaki araştırmacılar tarafından yapılan diğer çalışmalarda (Allen vd., 2001a; 2001b) kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile adsorpsiyonun geleneksel olarak süregelen sabit yatak adsorpsiyonuna üstünlükleri aşağıdaki şekilde özetlenmiştir:

i. Sabit yataklarda kullanılan adsorbent partiküllerinin boyutu akışkan akımının engellenmemesi için mm seviyesinde olmalıdır. Kuru sorbent enjeksiyon tekniğinde ise partiküller gaz akımıyla birlikte hareket ettiğinden partikül boyutu 10-100 µm arasında olabilir. Bu durum adsorpsiyon yüzey alanının artırılması bakımından oldukça önemlidir.

ii. Kuru sorbent enjeksiyon tekniğinde adsorbent partikülleri gaz akımı ile birlikte hareket ettiği ve sürekli adsorbent beslemesi olduğu için yığın gaz fazı konsantrasyonu kolon boyunca herhangi bir noktada her zaman aynı değerdedir ve kolon boyunca yığın gaz fazı konsantrasyonu azalma eğilimindedir.

iii. Sabit yataklarda aktif halde bulunan adsorbent yüzey alanı miktarı kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile gerçekleştirilen adsorpsiyona göre oldukça düşüktür.

iv. Adsorbent partikülleri gaz fazı akımıyla birlikte hareket ettiğinden kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile adsorpsiyonda partikül etrafında oluşacak gaz fazı kütle teransfer direnci daha kolay yenilebilir.

Ayrıca, kuru sorbent enjeksiyon kolonu boyunca partikül kalış süresi ile yığın gaz fazı bileşiminin farklı katı besleme hızı için incelendiği bu çalışmada adsorplanan bileşen konsantrasyonunun zamanla arttığı belirlenmiştir. Kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile adsorpsiyon için türetilen teorik model eşitliklerinin çözümü ile pilot tesiste yapılan deneysel sonuçların oldukça uyumlu olduğu bu çalışmada gösterilmiştir.

Aynı çalışmacılar tarafından yapılan bir diğer çalışmada bir gaz akımına partikül enjeksiyonu ile adsorpsiyon prosesi için model eşitlikleri geliştirilmiş ve çözülmüş ve ayrıntılı şekilde irdelenmiştir (Allen vd., 2001a). Yığın gaz akım konsantrasyonun sabit ya da değişken kabul edildiği iki ayrı durum için katı küresel partiküllerde radyal yöndeki bileşen konsantrasyon değişimi bu çalışmanın kapsamında incelenmiş ve çözümler grafikler halinde verilmiştir. Allen vd. (2001a)’nin incelediği diğer parametreler partikül kütle besleme hızı, ortalama partikül çapı, yığın gaz akış hızı ve partikül boyut dağılımı standart sapma değeridir. Katı besleme hızının adsorpsiyonu önemli ölçüde etkilediği, ortalama partikül çapı ve terminal akış hızının üstünde olan yığın gaz akış hızı ile adsorpsiyonu bir seviyeye kadar etkilediği yapılan bu çalışma tarafından ortaya konmuştur. Partikül boyut dağılımı standart sapma ve partikül boşluk fraksiyonunun adsorpsiyonda önemli olduğu da vurgulanan diğer bir husustur (Allen vd. 2001a). Allen vd. 2001b, 2001a’da çözülen model eşitliği sonuçlarından katı besleme hızının adsorpsiyona etkisini deneysel sonuçlarla kıyaslamış ve teorik çözümlerle deneysel verilerin uyumlu olduğunu belirlemişlerdir. Bu çalışmada adsorpsiyon dengesi için sonuçların kıyaslanmasında ampirik eşitliklerde (D-R eşitliği) kullanılmıştır ve kuru sorbent enjeksiyon eşitliğindeki sonuçların deneysel verilerle daha uyumlu olduğu sonucu elde edilmiştir.

Tiernery vd. (2006) toluen buharının aktif karbondaki adsorpsiyonunu kuru sorbent enjeksiyon tekniği ile incelemiştir. Bu çalışmada kullanılan deney düzeneği sadece aşağı doğru akışlı olacak şekilde tasarlanmıştır. Deneysel ve teorik sonuçların karşılaştırıldığı bu çalışmada adsorpsiyonda partikül içi kütle transferinin etkin olduğu sonucuna varılmıştır.