ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΑΡΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΙΛΟΤΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΔΥΟ ΣΤΑΔΙΩΝ ΓΙΑ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ CO2 ΑΠΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΠΑΕΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ

Abstract

Η αύξηση των συγκεντρώσεων των αερίων του θερμοκηπίου όπως το CO2 στην ατμόσφαιρα συντελεί στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες είναι η κύρια αιτία της αυξημένης συγκέντρωσης CO2, συνεπώς η ανάπτυξη μεθόδων μέσω των οποίων μπορούν να μειωθούν οι εκπομπές του CO2 κρίνονται αναγκαίες και έχουν τεράστιο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον. Η εφαρμογή των μεμβρανών σε διαχωρισμούς αερίων μιγμάτων αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη μέθοδο που κερδίζει ολοένα και περισσότερο έδαφος. Η τεχνολογία των μεμβρανών είναι εδώ και πολλά χρόνια γνωστή καθώς χρησιμοποιούνται ευρέως σε διαχωρισμούς υγρών μιγμάτων. Οι εκπομπές των αερίων ρυπαντών επιβαρύνουν πια δυσανάλογα το περιβάλλον και παρατηρείται μια έντονη προσπάθεια περιορισμού των εκπομπών που προέρχονται από τη βιομηχανία. Στο πλαίσιο αυτού του εγχειρήματος, λόγω των δυνατοτήτων των μεμβρανών, άρχισε να εξελίσσεται με υψηλούς ρυθμούς η ανάπτυξη και σύνθεση μεμβρανών για εφαρμογές σε διαχωρισμούς αερίων. Η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα, ο καθαρισμός του βιοαερίου, η παραγωγή και ανάκτηση του υδρογόνου αλλά και ο καθαρισμός του φυσικού αερίου είναι ορισμένες από τις εφαρμογές αυτές. Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την κατασκευή, λειτουργία και αριστοποίηση μιας πιλοτικής μονάδας μεμβρανών δύο σταδίων για τον διαχωρισμό του διοξειδίου του άνθρακα από βιομηχανικά απαέρια καύσης. Σκοπός είναι η κατασκευή μιας πιλοτικής διάταξης που θα έχει τη δυνατότητα να διαχωρίσει το διοξείδιο του άνθρακα από ένα ρεύμα καυσαερίων της βιομηχανίας. Η εργασία αυτή αποτελεί μια πειραματική-πρώτη προσέγγιση του θέματος. Οι πειραματικές παρατηρήσεις καθώς και τα συμπεράσματα του εγχειρήματος θα αποτελέσουν τη βάση για βελτίωση και εξέλιξη της παρούσας μονάδας. Στο πρώτο κεφάλαιο κάνουμε μια αναφορά στους αερίους ρύπους που συντελούν στην αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος και εντοπίζουμε πως το διοξείδιο του άνθρακα συνεισφέρει στο μεγαλύτερο βαθμό και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίον πρέπει να περιορίσουμε την εκπομπή του στην ατμόσφαιρα. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρουμε τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να επιτευχθεί η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα καθώς και τις μεθόδους μεταφοράς και αποθήκευσής του. Το τρίτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στις μεμβράνες, που αποτελούν και τον «πυλώνα» της πιλοτικής διάταξης, περιγράφεται ο τρόπος λειτουργίας τους, τα είδη των μεμβρανών καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύουμε τις κύριες διεργασίες διαχωρισμού που επιτελούνται με μεμβράνες και δίνουμε έμφαση στον τρόπο λειτουργίας των μεμβρανών κοίλης ίνας (τέτοιου τύπου μεμβράνες διαθέτει και η πιλοτική μονάδα)αλλά και στον τρόπο διάταξης των μεμβρανών για διαχωρισμούς σε βιομηχανικό επίπεδο. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναπτύσσονται βασικές έννοιες φυσικοχημείας οι οποίες είναι απαραίτητες για την κατανόηση τόσο των ισοζυγίων μάζας όσο και των υπολογισμών θεωρητικών παραμέτρων που προκύπτουν μέσα από τις πειραματικές τιμές. Το έκτο κεφάλαιο αναλύει τη διάχυση μάζας και διάφορες σχετικές έννοιες που είναι απαραίτητες για την κατανόηση της μεταφοράς μάζας με διάχυση. Το έβδομο κεφάλαιο αποτελεί συνέχεια του έκτου και αναφερόμαστε συγκεκριμένα στους κύριους μηχανισμούς διάχυσης αερίων σε μεμβράνες. Στο όγδοο κεφάλαιο εξηγούμε βασικά πράγματα γύρω από τα ισοζύγια μάζας προκειμένου να αποκτήσουμε μια καλύτερη υπόσταση της έννοιας του ισοζυγίου. Αυτό κρίνεται απαραίτητο για τη θεωρητική αντίληψη των ισοζυγίων που πραγματοποιούνται παρακάτω. Το ένατο κεφάλαιο περιλαμβάνει όλη την «φιλοσοφία» που ακολουθήθηκε, έτσι ώστε να δημιουργηθεί η πιλοτική μονάδα. Αναφέρεται η αρχή λειτουργίας της μονάδας, τα επιμέρους τμήματα που την αποτελούν, τα μετρητικά όργανα που διαθέτει καθώς και ο τρόπος με τον οποίο κατασκευάστηκε. Στο δέκατο κεφάλαιο παραθέτονται τα κατασκευαστικά σχέδια της μονάδας και τα διαγράμματα ροής που περιγράφουν τις διεργασίες. Στο ενδέκατο κεφάλαιο γίνονται υπολογισμοί ισοζυγίων μάζας, σκοπός των οποίων είναι ο προσδιορισμός βασικών παραμέτρων όπως η σύσταση του διηθήματος και του κατακρατήματος κ.α. Στο δωδέκατο κεφάλαιο παραθέτουμε τις πειραματικές μετρήσεις και τη μέθοδο υπολογισμού θεωρητικών παραμέτρων αποτίμησης της παραγωγικότητας που προκύπτουν μέσω των πειραματικών τιμών. Το τελευταίο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα σχόλια και τα συμπεράσματά μας γύρω από τα αποτελέσματα αλλά και προτάσεις για βελτίωση της μονάδας μεμβρανών σε μεταγενέστερο χρόνο.