Date of Award

4-2018

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Mohamed H. Al-Marzouqi

Second Advisor

Mohammed H. Al-Saleh

Third Advisor

Hyungwoong Ahn

Abstract

Natural gas is one of the major natural resources in UAE which carries significant amounts of acid gases. For the purpose of utilizing or liquefying, the gas must be pre-treated by separating the major non-hydrocarbon gases, namely CO₂. Typical CO₂ separation processes involve separation using sorbents or solvent, cryogenic or membrane. Among these processes, the chemical absorption considered to be the most effective process to remove CO₂. However, this process carries several drawbacks such as flooding, foaming, entraining, channeling, and most importantly high capital and operating costs.

An integrated unit called gas absorption membrane (GAM) consists of combining chemical absorption process with membrane contactors has also been investigated. The heat exchanger concept is being applied by membrane gas absorptions it allows the indirect contact between the two fluids; the gas mixture flows in the inner side of hydrophobic microporous membrane fibers while the liquid absorbent flows in the outer side of the microporous membrane. At the pores opening of the membrane, a gas-liquid interface is formed where the gas is being absorbed and reacted.

The aim of this study is to investigate the performance of gas absorption membrane (GAM) in capturing carbon dioxide at elevated pressure (up to 25 bars) in which the shell compartment is packed with glass beads. The purpose of packing is to enhance fluid mixing and reduce resistance in the liquid phase. A commercial microporous hollow fiber membranes (PFA) was used in this investigation. Different parameters were studied and compared with modules without beads; these parameters include the effect of gas and liquid flow rates, solvent type (NaOH, MEA, EDA, DEA, and DETA), inlet solvent concentration and beads size. All these parameters were studied as a function of pressure. Additionally, the overall mass transfer coefficients obtained from the experimental data were compared with those of the modeling.

The results indicated up to % 20 improvements in % CO₂ removal in packed modules as compared with the modules without beads. As expected, increasing the gas flow rate had a negative effect on % CO₂ removal while increasing solvent inlet concentration enhanced % CO₂ removal. Increasing the inlet liquid flow rate and the type of solvents had almost no effect on % CO₂ removal. Decreasing the beads size increases the solvent velocity in the module and thus increases the % CO₂ removal. The experimental overall mass transfer coefficient agreed well with those calculated from the theory which proves the reliability of experimental data.

Comments

يعتبر الغاز الطبيعي أحد أهم الموارد الطبيعية في دولة الإمارات العربية المتحدة. يحتوي الغاز الطبيعي على بعض الغازات الحمضية، تحديدا غاز ثاني أكسيد الكربون الذي بدوره يحمل تأثير سلبي على عمليات تنقية الغاز الطبيعي. لهذا السبب وجب تنقية الغاز الطبيعي قبل تسييله أو استخدامه . تنوعت تقنيات فصل غاز ثاني أكسيد الكربون عن الغاز الطبيعي مثل عمليات الفصل باستخدام المواد الماصة أو المذيبات، المواد المبردة أو الأغشية. ومن بين هذه العمليات تعتبر عملية الامتصاص الكيميائي الأكثر فعالية في امتصاص وفصل غاز ثاني اكسيد الكربون. ولكن ذلك لايمنع من وجود بعض العيوب عند استخدامها كالمشاكل التشغيلية وارتفاع رأس المال وتكاليف التشغيل.

تم استحداث تقنية جديدة تمزج مابين الامتصاص الكيميائي والأغشية أطلق عليها اسم وحدة أغشية امتصاص الغاز. في هذه الوحدة يطبق مفهوم وحدة المبادل الحراري الذي يسمح بالاتصال الغير المباشر بين الغاز والمذيب. بالإضافة إلى ذلك وجود الغشاء ذو المسامية الصغيرة والذي يعمل كوسيط بين الغاز والمذيب بحيث يسمح بالتقاء الموائع عند المسامات وتفاعلاها.

الهدف من الأطروحة هو التحقيق في أداء وحدة أغشية امتصاص الغاز المعبأة بالكريات الزجاجية في امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون تحت تأثير الضغط العالي )يصل إلى 25 ). تكمن الغاية من تعبأة الوحدة بالكريات الزجاجية في تحسين المزج وتقليل المقاومة في السائل المستخدم. تم استخدام نوع معين من الأغشية المستوردة (PFA) ونوع واحد من المذيبات (NaOH) شملت الأطروحة دراسة بعض العوامل المختلفة بدلالة الضغط، كتأثير الغاز ومعدلات تدفق السائل المدخل، نوع المذيبات ( DETA NaOH, MEA, EDA, DEA and ) تركيز المذيب وحجم الكريات الزجاجية. بالإضافة إلى ذلك، تمت مقارنة معاملات نقل الكتلة الكلية التي تم الحصول عليها من البيانات التجريبية مع المعملات النظرية.

أظهرت النتائج تحسن في إزالة غاز ثاني أكسيد الكربون إلى ما يصل إلى 20 % في الوحدات المعبأة بالكريات مقارنة مع الوحدات الخالية من الكريات. وكما كان متوقعا، فإن زيادة معدل تدفق الغاز كان له تأثير سلبي على نسبة إزالة غاز ثاني أكسيد الكربون في كلا الوحدتين )المعبأة بالكريات الزجاجية والخالية منها(. كذلك أدى زيادة تركيز المذيبات إلى ارتفاع نسبة إزالة غاز ثاني أكسيد الكربون كما هو متوقع. إن ارتفاع معدل تدفق السائل المدخل واختلاف نوع المذيبات لم يحمل أي تأثير على نسبة إزالة غاز ثاني أكسيد الكربون. في المقابل، فإن تقليل حجم الكريات الزجاجية زاد من سرعة المذيبات في الوحدة، وبالتالي أدى إلى زيادة نسبة إزالة غاز ثاني أكسيد الكربون. علاوة على ذلك، فإن الأطروحه قدمت توافق بين معاملات نقل الكتلة الكلية التي أوجدت من النظريات مع المحسوبة من البيانات التجريبية.

Download

Share

COinS