Reaction kinetics of calcium chloride - ammonia reactive system and theoretical simulation of heat and mass transfer in porous slab pellets
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: ZEYNEP KARAKAŞ HELVACI
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): Yusuf Uludağ
Eş Danışman: Gürkan Karakaş
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Amonyaklı metal tuzları ve amonyak reaktif sistemleri ısı ve kütle transferi de dikkate alınarak reaksiyon kinetiği açısından incelenmiştir. Net reaksiyon hızını ifade edebilmek için, Langmuir-Hinshelwood modeli temel alan, adsorpsiyon ve desorpsiyon reaksiyonlarını birlikte değerlendiren, bir tersinir reaksiyon mekanizması önerilmiştir. Kinetik parametreleri, ön eksponansiyel faktörleri ve aktivasyon enerjilerini hesaplayabilmek için üç farklı sıcaklıkta deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu parametreler lineer olmayan regresyon analizi (NLR) ile Polymath yazılımında hesaplanmıştır. İki amonyak ve dört amonyak bağlı CaCl2 tuzları arasnda meydana gelen reaksiyonun parametreleri için 0.3 gram CaCl2 ile başlatılan deneyler NLR analizi ile elde edilmiştir. Hesaplanan reaksiyon hızları 0.5 gram CaCl2 tuzu ile başlatılan deneylerin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Ön eksponansiyel faktörler, adsorpsiyon ve desorpsiyon reaksiyonları için sırasıyla 7.06∙10^(-22) dk-1bar-3 ve 102 dk-1 olarak elde edilmiştir. Ek olarak, görünür aktivasyon enerjileri adsorpsiyon ve desorpsiyon reaksiyonları için sırasıyla -115600 J.mol-1 ve 23310 J.mol-1 olarak elde edimiştir. Hesaplanan değerler ile deneysel sonuçlar uyum göstermektedir. Dört amonyak ve sekiz amonyak bağlı CaCl2 tuzları arasında meydana gelen reaksiyonun parametreleri parametreleri 0.5 gram CaCl2 ile başlatılan deneylerden hesaplanmıştır. Ön eksponansiyel faktörleri adsorpsiyon ve desorpsiyon reaksiyonları için sırasıyla 2.64∙10^(-18) dk-1bar-3 ve 3.44 dk-1 olarak elde edilmiştir. Ayrıca, aktivasyon enerjileri adsorpsiyon ve desorpsiyon reaksiyonarı için sırasıyla -88130 J.mol-1 ve 16500 J.mol-1 olarak elde edilmiştir. Her iki reaksiyonda da elde edilen negatif görünür aktivasyon enerjileri, reaksiyon mekanizmasındaki karmaşık reaksiyonların varlığını işaret etmektedir. Kimyasal ısı pompası ve hidrojen depolanması uygulamalarında CaCl2 pelet formda kullanıldığı için kütle ve ısı transferinin reakyion kinetiği ile birleştirildiği teorik bir model oluşturulmuştur. Literatüre katkı olarak hacimsel artış dikkate alınmış ve çalışmada elde edilen tersinir reaksiyon kinetiği kullanılmıştır. Oluşturulan teorik modelde, tersinir reaksiyon kinetiği, ısı ve kütle transferi etkileriyle beraber kullanılmıştır. Simülasyon sonuçlarını karşılaştırabilmek için yassı peletler ile, kinetik parametleri hesaplaması deneyleri için kullanılan deney düzeneğinde deneyler yapılmıştır. Amonyak basınç düşüşü simulasyon ve deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Simülasyon sonuçları ile deney sonuçları iki amonyak ve dört amonyak bağlı CaCl2 tuzları arasnda meydana gelen reaksiyonun için ilk 700 saniyede iyi bir uyum göstermiştir. Sonrasında görülen sapmanın modeldeki sabit efektif difüzivite kabulü kaynaklı olduğu düşünülmektedir. Literatürden elde edilen modelde sabit kabul edilen efektif difüzivite parametresinin, deneyler sırasında değiştiği düşünülmektedir. Buna ek olarak, dört amonyak ve sekiz amonyak bağlı CaCl2 tuzları arasnda meydana gelen reaksiyon sonuçları iyi bir uyum göstermiştir. İlk reaksiyonda görülen sapma, bu reaksiyonda görülmemiştir. Bunun sebebinin, peletin deney sonunda parçalanarak yapısal bütünlüğünü kaybetmesi sebebiyle efektif difüzivite değerinde ciddi bir değişim yaşamamasının, bu değerin modelde sabit kabul edilmesi ile uyum göstermesi olduğu çıkarımı yapılmıştır.