MODELING OF MOFS BASED CO2 ADSORPTION SYSTEMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_Yasir_Jamil.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

تشكل إنبعاثات ثانى أكسيد الكربون الناتجة عن حرق الوقود الأحفوري، لتلبية الطلب العالمي على الطاقة المتنامية، تهديدا خطيرا على البيئة متمثلا فى ظاهرة الاحتباس الحراري. أصبح الحد من تركيز إنبعاثات ثانى أكسيد الكربون وغيرها من غازات الاحتباس الحراري في البيئة قضية البيئة الأولى فى العصر الحالى. وقد أجريت بحوث واسعة النطاق في مجال التقاط الكربون وتخزينه. تقدم تكنولوجيا التقاط الكربون في مرحلة ما بعد الاحتراق وسيلة مبتكرة لمعالجة هذه القضية البيئية لأن هذه التكنولوجيا يمكن تطبيقها فى وحدات إنتاج الطاقة القائمة والتي تنتج حوالى ثلثي الإنبعاثات الكلية لثانى أكسيد الكربون. في تكنولوجيا التقاط الكربون في مرحلة ما بعد الاحتراق يتم معالجة غازات العادم الناتجة من عملية الإحتراق من أجل فصل الكربون. تمثل أطر المعادن العضوية فئة جديدة من المواد المسامية والمتاحة لإلتقاط ثانى أكسيد الكربون. تتشكل أطر المواد العضوية من هيكل قفصى يتألف من عقد معدنية متصلة بواسطة شبكة من الوصلات العضوية. تركز الدراسة الحالية على نمذجة نظام إمتزاز ثانى أكسيد الكربون بإستخدام ممتزات مختلفة مثل الكربون المنشط، الزيوليت وأطر المعادن العضوية. تم عمل نموذج للإمتزاز بناء على تعديل معادلة دوبينين-أستاكوف. تم تنفيذ عمليات المحاكاة عن طريق عمل كود مبنى على أساس ديناميكا الموائع الحسابية وتم عمل الحسابات بإستخدام البرنامج التجاري فلوينت. تم عمل كود بإستخدام لغة البرمجة C++ لضبط ظروف السريان عند الدخول وتم دمجها مع برنامج فلوينت. تم دراسة تأثير ضغط التخزين والمسامية على عمليات إنتقال الكتلة والحرارة خلال عملية الإمتزاز مع الأخذ في الاعتبار تأثير مقاومتا اللزوجة والقصور الذاتي داخل مادة التخزين. تم التحقق من صحة حسابات إنتقال الحرارة والكتلة عن طريق مقارنة نتائج البرنامج المستخدم مع البيانات التجريبية لإمتصاص الهيدروجين فى الكربون المنشط. تم العثور على قيم المعاملات فى معادلة دوبينين-أستاكوف للإمتزاز مثل معامل الإنثالبى ومعامل الإنتروبى وأقصى ضغط وأقصى إمتزاز عن طريق تحليل الانحدار لبيانات إمتزاز ثانى أكسيد الكربون فى ممتزات مختلفة وتحت درجة حرارة ثابتة. تم إستخدام دالة معرفة للبرنامج مكتوبة بلغة C++ لتحديد كمية سريان ثانى أكسيد الكربون كدالة فى الزمن عند مدخل الخزان. تشير النتائج إلى أن أعلى كمية للإمتزاز المطلق وجدت في المناطق عند مدخل الخزان وبالقرب من الجداران. في حين أن أقل كمية للإمتزاز المطلق وجدت في المنطقة الوسطى من خزان التخزين. تم العثور على درجة الحرارة القصوى في منطقة وسط الخزان ودرجة الحرارة الصغرى عند المدخل وفي المناطق المتاخمة للجدران. يميل توزيع درجات الحرارة إلى أن يصبح موحد بعد مرحلة الشحن الرئيسية. تم عرض مقارنات بين إمتزاز ثانى أكسيد الكربون في الكربون المنشط والزيوليت وأطر المعدن العضوى (Mg-MOF-74) مع مراعاة تأثير ضغط التخزين في المدى من 20 كيلو باسكال إلى 100 كيلو باسكال. أظهرت النتائج زيادة كمية الامتزاز المطلق مع زيادة ضغط التخزين. وأظهرت مادة أطر المعدن العضوى (Mg-MOF-74) قدرة عالية على إمتصاص ثانى أكسيد الكربون بالمقارنة مع الزيوليت والكربون النشط. تم دراسة تأثير مسامية الممتزات وقد وجد أنه مع زيادة المسامية تزيد قيمة درجة الحرارة في مناطق مختلفة داخل الخزان ويحدث أيضا تأخير فى الوصول إلى أعلى قيمة لدرجات الجرارة داخل الخزان.

English Abstract

The anthropogenic CO2 emission resulting from the burning of fossil fuels, to meet the growing global energy demand, poses a serious threat on environment as global warming. Reducing CO2 and other greenhouse gases concentration in the environment has quickly become the most important environmental issue of our age. Extensive research has been carried out in the area of Carbon Capture and Sequestration (CCS). Post-combustion carbon capture technology provides a novel mean to address this environmental issue because this can be retrofitted to existing units that produce two-thirds of the CO2 in power sector. In Post-combustion carbon capture technology, flue gases produced by combustion are being treated to remove CO2. Metal Organic Frameworks (MOFs) represent a new class of porous materials available for CO2 capture. MOFs are cage like structure composed of metallic nodes connected by a network of organic linkers. The present study focuses on modelling of adsorption system for CO2 having different adsorbents like activated carbon, zeolite and Metal Organic Frameworks (MOFs). The adsorption model is based on modified Dubinin-Astakov (D-A) adsorption equation. Simulations are performed using finite volume method with CFD commercial software FLUENT. To set the boundary conditions, User Defined Functions (UDF) is hooked in FLUENT. Effect of storage pressure and bed porosity on heat and mass transfer processes for adsorption is studied while taking into account the influence of viscous and inertial resistances of porous media. Heat and mass transfer features of the numerical model are validated by the experimental data of hydrogen adsorption on activated carbon. Dubinin-Astakov (D-A) adsorption equation parameters like enthalpic factor, entropic factor, limiting pressure, limiting adsorption are found by regression analysis using CO2 adsorption isotherm for different adsorbents. At tank entrance, mass flux profile of CO2 is established using user defined function (UDF). Results show that highest amount of absolute adsorption is found at the entrance and near wall regions. Whereas lowest amount of the absolute adsorption is found to be in the central region of the storage tank. Maximum temperature is found in the central region of the tank and is lower at entrance and in areas adjacent to walls. After main charging phase, temperature distribution tends to become uniform. Comparisons between CO2 adsorption in activated carbon, zeolite and Mg-MOF-74 have been presented while considering the effect of storage pressure for a range of pressure from 20 kPa to 100 kPa. The amount of absolute adsorption has been increased while increasing storage pressure. Mg-MOF-74 adsorbent material showed high adsorption capacity as compared to zeolite and activate carbon. Bed porosity of the adsorption bed has been varied and is found that, with increase in bed porosity, peak value of temperature at different locations within adsorption bed increases and also delay in peaks of temperature is observed.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Habib, Dr. M. A.
Committee Members:	Said, Dr. Syed and Khaliq, Dr. Abdul
Depositing User:	YASIR JAMIL (g201203740)
Date Deposited:	11 Mar 2015 12:46
Last Modified:	01 Nov 2019 15:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139487