– WYBRANE ZAGADNIENIA Daniel Węcel, Grzegorz Wiciak
4. Opis układu do podgrzewania i stabilizacji temperatury gazu
Wszystkie badania eksperymentalne prowadzane w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych na modułach membranowych firmy UBE były wy-konywane przy temperaturze gazu nadawy i otoczenia około 20 C [17, 18]. Skutkowało to tym, że temperatura pracy membrany była zbliżona do tempera-tury otoczenia. Z drugiej strony obliczenia numeryczne wykonywano przy innej wartości temperatury równej 40 C – do takiej temperatury są schładzane spali-ny przed procesem separacji membranowej. [8, 11]. W związku z tym koniecz-ne jest przeprowadzenie badań właściwości membran przy pracy w wyższych
XIV. Wpływ temperatury gazu na właściwości… 143
temperaturach. Założono, że standardowa temperatura pracy membran powinna wynosić 40 C. W celu określenia wpływu temperatury na właściwości mem-bran, zaprojektowano układ podgrzewania pozwalający uzyskać nawet 60 C – jest to maksymalną temperaturą pracy membran.
Układ do podgrzewania i stabilizacji temperatury gazu jest jednym z ele-mentów stanowiska do badania polimerowych membran do separacji CO2. Całe stanowisko badawcze rozbudowano o dodatkowe czujniki temperatury. Badania komercyjnych modułów z włóknistymi membranami poliimidowymi zaplano-wano miedzy innymi ze względu na brak danych technicznych od producenta oraz informacji dotyczących wpływu temperatury na parametry pracy modułu.
Badany moduł wykonany jest jako wiązka włókien kapilarnych umieszczo-nych w metalowej obudowie (rys. 2.). Takie wykonanie powoduje słaby prze-pływ ciepła od obudowy do włókien, nierównomierny rozkład temperatur w poszczególnych miejscach membrany oraz bardzo długi czas nagrzewania całego modułu, co wyklucza podgrzewanie modułu z zewnątrz. Dodatkowo każda zmiana strumienia nadawy powodowałaby zmiany rozkładu temperatury wewnątrz modułu i właściwie niemożliwą do zrealizowania płynną regulację temperatury. Bardzo duża gęstość upakowania kapilar wewnątrz modułu unie-możliwia umieszczenie termometru pomiędzy rurkami kapilarnymi, który umożliwiałby kontrolę temperatury membrany.
W związku z powyższym postanowiono podgrzewać gaz doprowadzany do modułu. Gaz o ustalonej temperaturze umożliwia równomiernie ogrzanie całego modułu i poszczególnych membran kapilarnych. Ze względu na stosunkowo małe wielkości strumienia mieszaniny gazów na dolocie do membrany oraz stosunkowo wysokie ciśnienie (do 6 bar) zaprojektowano nagrzewnicę przed-stawioną na rys. 3, składającą się z: termostatu laboratoryjnego wypełnionego wodą, miedzianej wężownicy do podgrzewania gazu i zestawu termometrów do kontroli temperatury gazu oraz modułu membranowego. Zastosowanie termo-statu z grzałkami elektrycznymi, regulatorem temperatury i mieszadłem pozwa-la na utrzymanie temperatury z dokładnością 2 C w całej objętości wody. Taka stabilizacja jest już wystarczająca, aby ustalić temperaturę gazu nadawy przy stałym strumieniu.
Strumień ciepła jaki należy doprowadzić do różnych mieszanin gazów (za-wierających: N2, CO2, O2), w celu podniesienia ich temperatury do maksymal-nej wartość 60 C, nie przekracza 10 W. Badania przewiduje się przeprowadzać dla zakresów strumieni mieszaniny gazów 0,02–1,5 Nm3/h.
W wyniku przeprowadzonych testów zauważono, że zbudowany układ do podgrzewania mieszanin gazów ustala temperaturę gazu TN2 w ciągu kilku mi-nut. Ustalenie temperatury całego modułu membranowego będzie jednak wy-magało dłuższych przedziałów czasowych. Minimalna różnica między ustawio-ną temperaturą wody, a temperaturą gazu za nagrzewnicą wyniosła ok. 10 C, i zwiększa się przy zmniejszaniu strumienia objętości gazu qv.
Rys. 3. Schemat układu podgrzewania gazu y = 1.22x-0.16 y = 2.27x-0.42 0 1 2 3 4 5 6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 qv [Nm3/h] T w /T N Tw/TN2 Tw/ΔTN
Rys. 4. Stosunek temperatur wody i gazu w funkcji strumienia objętości gazu
Ustawiona temperatura wody Tw w termostacie musi być funkcją strumienia objętości gazu oraz żądanej temperatury gazu nadawy. Dodatkowo przy zmiennej
TP TN2 TR Moduł memban-Mieszanki gazowe Rotametr nadawy TM Grzałka elektryczna ~U TW Regulator tempera-23. TN1 Mieszadło Termostat laboratoryjny
XIV. Wpływ temperatury gazu na właściwości… 145
temperaturze na wlocie do nagrzewnicy TN1 konieczne jest uwzględnienie jej przy ustawianiu temperatury wody. Wspomniane zależności zostały przedstawione na rys. 4. Na wykresie temperatura TN1 została zawarta w przyroście temperatury gazu
∆TN (7).
2 1
N N N
T T T
7) Niewielkie modyfikacje układu podgrzewania gazu lub znaczna zmiana składu mieszaniny gazów wymaga ponownego przetestowania układu oraz ponownego wyznaczenia nowych charakterystyk.5. Podsumowanie
Membranowa separacja dwutlenku węgla ze spalin powstałych w elektrow-niach węglowych jest procesem skomplikowanym i zależy od wielu czynników. Główny wpływ na właściwości modułu membranowego ma rodzaj materiału z jakiego jest wykonana membrana oraz jej budowa. Wśród parametrów pracy istotny wpływ odgrywa: różnica ciśnień, strumień gazu nadawy oraz temperatu-ra. W pracy podjęto próbę opisu wpływu temperatury na działanie poliimido-wych membran włóknistych (hollow fiber). Opisano zależności teoretyczne przenikalności w funkcji temperatury oraz selektywności.
Przedstawiono również sposób podgrzewania modułu membranowego. Po-legał on na ogrzaniu gazu nadawy do temperatury z zakresu TN2 = 30–60 C, który przepływając przez moduł membranowy podgrzewa go równomiernie. W rzeczywistej instalacji moduły membranowe są w podobny sposób ogrzewane. Przedstawiono również właściwości skonstruowanego układu do podgrzewania gazu.
Przedstawione w pracy wyniki zostały uzyskane w badaniach współfinansowanych przez Naro-dowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach umowy SP/E/1/67484/10 – Strategiczny Program Badaw-czy – Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii dla wysokospraw-nych „zero-emisyjwysokospraw-nych” bloków węglowych zintegrowawysokospraw-nych z wychwytem CO2 ze spalin.
LITERATURA
[1] BRANDON W.ROWE,LLOYD M.ROBESON,BENNY D.FREEMAN,DONALD R.PAUL, Influence of temperature on the upper bound: Theoretical considerations and comparison with experimental re-sults. Journal of Membrane Science 360 (2010), 58–69.
[2] CECOPIERI-GOMEZ MARTHA L.,PALACIOS-ALQUISIRA JOAQUIN,DOMINGUEZ J.M., On the limits of gas separation in CO2/CH4, N2/CH4 and CO2/N2 binary mixtures using polyimide membranes, Journal of membrane science 293 (2007), Vo1. 2, 53-65.
[3] CHMIELNIAK T.J.,CHMIELNIAK T., Separacja CO2 z procesów energetycznego przetwórstwa paliw, Rozdział 11 z pracy zbiorowej pod redakcją Ściążko M., Zieliński H., „Termochemiczne prze-twórstwo węgla i biomasy”, Wydawnictwo IChPW i IGSMiE PAN, Zabrze – Kraków 2003. [4] CZAPLICKI A., Membranowy rozdział mieszaniny metan - dwutlenek węgla – dwutlenek siarki.
Karbo - Energochemia - Ekologia 1996.
[5] HAJIME SUZUKIA, KAZUHIRO TANAKAA, HIDETOSHI KITAA, KENICHI OKAMOTOA, HARUTOSHI
HOSHINOB,TOSHIMUNE YOSHINAGAB,YOSHIHIRO KUSUKIB, Preparation of composite hollow fiber membranes of poly(ethylene oxide)-containing polyimide and their CO2/N2 separation properties, Journal of Membrane Science, Volume 146, Issue 1, 22 July 1998, 31–37.
[6] HERZOG H.,GOLOMB D., Carbon capture and storage from fossil fuel, Encyclopedia of Energy, 2004.
[7] HIRAYAMAA Y.,KASEB Y.,TANIHARAA N.,SUMIYAMAA Y.,KUSUKIA Y.,HARAYAC K., Permea-tion properties to CO2 and N2 of poly(ethylene oxide)-containing and crosslinked polymer films, Journal of Membrane Science 160 (1999), 87–99.
[8] JANUSZ-SZYMAŃSKA K.,KOTOWICZ J., Analiza procesu membranowej separacji CO2 w supernad-krytycznym bloku węglowym, Rynek Energii Nr 3(94), 2011, 53-56.
[9] JANUSZ-SZYMAŃSKA K., Wpływ membranowej separacji CO2 na efektywność nadkrytycznego bloku węglowego” Praca dyplomowa Gliwice 2010.
[10] JUNYAN ZHANG,JINJUN LU,WEIMIN LIU,QUNJI XUE, Separation of CO2 and CH4 through two types of polyimide membrane, Thin Solid Films, Volume 340, Issues 1–2, 26 February 1999, 106–109.
[11] KOTOWICZ J.,CHMIELNIAK T.,JANUSZ-SZYMAŃSKA K., The influence of membrane CO2 separa-tion on the efficiency of a coal-fired power plant, Energy 2010, 35, 841-850.
[12] MULDER M., Basic principles of membrane technology, Kluwer Academic Publishers 1996. [13] OKAMOTO K.,FUJII M.,OKAMYO S.,SUZUKI H.,TANAKA K.,KITA H., Gas permeation properties
of poly(ether imide) segmented copolymers, Macromolecules 28 (1995), 6950.
[14] SCHEFFKNECHT G.,MAIER J.,BERGER R.,THOWARTH H., An overview on CO2 – capture technolo-gies and current R&D activities AT IVD Stuttgart, Materiały X Międzynarodowej Konferencji Kotłowej, Szczyrk – Orle Gniazdo, 17 – 20 października 2006.
[15] SOBOLEWSKI A.,KOTOWICZ J., ILUK T.,MATUSZEK K., Badania eksperymentalne zgazowania biomasy pod katem wykorzystania gazu procesowego w układzie kogeneracji, Przemysł Che-miczny 2010; 89(6), 794-798.
[16] VILLALUENGAA J.P.G.,SEOANEA B.,HRADILB J.,SYSELC P., Gas permeation characteristics of heterogeneous ODPA–BIS P polyimide membranes at different temperatures, Journal of Mem-brane Science 305 (2007), 160–168.
[17] WICIAK G.,KOTOWICZ J., Badania wpływu strumienia przepływu i ciśnienia na własności separa-cji CO2 membrany kapilarnej polimerowej - wybrane zagadnienia, Membrany i Procesy Membra-nowe w Ochronie Środowiska Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2012, Vol. 96, 291-300.
[18] WICIAK G.,KOTOWICZ J., Experimental stand for CO2 membrane separation, Journal of Power Technologies 91 (4) (2011), 171-178.