catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2024-4-4-15catal-1058Research ArticleКАТАЛИЗ В ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИCATALYSIS IN CHEMICAL AND PETROCHEMICAL INDUSTRYАнализ макрокинетики сорбции СО2 на 10%NaNO3 /MgO сорбенте и моделирование адсорбера с производительностью по водороду 10 кг/чAnalysis of the macrokinetics of CO2 sorption on a 10% NaNO3/MgO sorbent and modeling of an adsorber with a hydrogen productivity of 10 kg/hШигаровА. Б.ShigarovA. B.ctls@kalvis.ruНикулинаИ. Е.NikulinaI. E.ctls@kalvis.ruПахаруковаВ. П.PakharukovaV. P.ctls@kalvis.ruПотемкинД. И.PotemkinD. I.ctls@kalvis.ruИнститут катализа СО РАН (ИК СО РАН), НовосибирскРоссияBoreskov Institute of Catalysis SB RAS, NovosibirskRussian FederationИнститут катализа СО РАН (ИК СО РАН), Новосибирск; Новосибирский государственный университет (НГУ)РоссияBoreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk; Novosibirsk State UniversityRussian Federation202417072024244415Copyright © LLC "KALVIS", 20242024LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/1058

Была предложена макрокинетическая модель сорбции СО2 первого порядка на 10 мол.% NaNO3/MgO сорбенте. На основе анализа экспериментальных данных гравиметрии определена максимальная сорбционная емкость сорбента 10 мол.% NaNO3/MgO, которая не зависит от парциального давления СО2 и при 320 °С составляет 159 % (в расчете на начальную массу образца), или 13,4 ммоль СО2 /гсорб. Рассчитанная величина константы сорбции kads при температурах 280–320 °С и парциальном давлении СО2 0,50–0,75 атм составляет 0,017 мин–1·атм–1. На основе полученной кинетики было сделано моделирование адиабатического и изотермического адсорбера СО2 в рамках технологической схемы получения водорода 10 кг/ч из природного газа при рабочем давлении 12 атм. В ходе расчетов было показано, что для эффективного функционирования адсорбера необходим интенсивный отвод выделяющейся в процессе сорбции теплоты. Это позволяет проводить сорбцию СО2 в течение 30 мин при температуре 300 °С и объемной скорости потока GHSV = 1170 ч–1, при этом концентрация СО2 на выходе в сухом газе не превышает 1,5 мол.%.

The work proposed a macrokinetic model of first-order CO2 sorption on a 10 mol.% NaNO3/MgO sorbent. Based on the analysis of experimental gravimetric data, the maximum sorption capacity of the sorbent 10 mol.% NaNO3/MgO was determined, which does not depend on the partial pressure of CO2 and at 320 °C is 159% (based on the initial mass of the sample), or 13.4 mmol CO2/ gsorb. The calculated value of the sorption constant kads at temperatures of 280-320 °C and a partial pressure of CO2 of 0.50-0.75 atm is 0.017 min-1 atm-1. Based on the obtained kinetics, a simulation of an adiabatic and isothermal CO2 adsorber was made within the framework of a technological scheme for producing hydrogen 10 kg/h from natural gas at an operating pressure of 12 atm. During the calculations, it was shown that for the effective functioning of the adsorber, intensive removal of the heat released during the sorption process is necessary. This allows CO2 sorption to be carried out for 30 minutes at a temperature of 300 °C and a volumetric flow rate GHSV = 1170 h-1, while the concentration of CO2 at the outlet in dry gas does not exceed 1.5 mol.%.

оксид магниясорбция СО2кинетикамоделированиеадсорберmagnesium oxideCO2 sorptionkineticsmodelingadsorber.ReferencesLee C.H., Kim S., Yoon H.J., Yoon C.W., Lee K.B. // Renew. Sust. Energ. Rev. 2021. V. 145. P. 111064—111073. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111064.Lee C.H., Kim S., Yoon H.J., Yoon C.W., Lee K.B. // Renew. Sust. Energ. Rev. 2021. V. 145. P. 111064—111073. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111064.Wang Y., Memon M.Z., Seelro M.A., Fu W., Gao Y., Dong Y., Ji G. // Int. J. Hyd. Energy. 2021. V. 46. P. 23358—23379. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.01.206.Wang Y., Memon M.Z., Seelro M.A., Fu W., Gao Y., Dong Y., Ji G. // Int. J. Hyd. Energy. 2021. V. 46. P. 23358—23379. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.01.206.Zivkovic L.A., Pohar A., Likozar B., Nikacevic N.M. // Applied Energy. 2016. V. 178. P. 844—855. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.06.071.Zivkovic L.A., Pohar A., Likozar B., Nikacevic N.M. // Applied Energy. 2016. V. 178. P. 844—855. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.06.071.Hu Y., Cui H., Cheng Z., Zhou Z. // Chem. Eng. J. 2019. V. 377. Art. 119823. DOI: 10.1016/j.cej.2018.08.209.Hu Y., Cui H., Cheng Z., Zhou Z. // Chem. Eng. J. 2019. V. 377. Art. 119823. DOI: 10.1016/j.cej.2018.08.209.Lee C.H., Lee K.B. // Appl. Energy. 2017. V. 205. P. 316—322. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.07.119.Lee C.H., Lee K.B. // Appl. Energy. 2017. V. 205. P. 316—322. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.07.119.Ju Y., Oh H-T., Lee J-C, Lee C-H. // Chem. Eng. J. 2021. V. 410. Art. 127414. DOI: 10.1016/j.cej.2020.127414.Ju Y., Oh H-T., Lee J-C, Lee C-H. // Chem. Eng. J. 2021. V. 410. Art. 127414. DOI: 10.1016/j.cej.2020.127414.Stendardo S., Foscolo P.U. // Chem. Eng. Sci. 2009. V. 64. P. 2343—2352. DOI: 10.1016/j.ces.2009.02.009.Stendardo S., Foscolo P.U. // Chem. Eng. Sci. 2009. V. 64. P. 2343—2352. DOI: 10.1016/j.ces.2009.02.009.Xiao G., Singh R., Chaffee A., Webley P. // Int. J. Greenhouse Gas Control. 2011. V. 5. P. 634—639. DOI: 10.1016/j.ijggc.2011.04.002.Xiao G., Singh R., Chaffee A., Webley P. // Int. J. Greenhouse Gas Control. 2011. V. 5. P. 634—639. DOI: 10.1016/j.ijggc.2011.04.002.Nair S., Raghavan R. // Thermochimica Acta. 2021. V. 699. Art. 178918. DOI: 10.1016/j.tca.2021.178918.Nair S., Raghavan R. // Thermochimica Acta. 2021. V. 699. Art. 178918. DOI: 10.1016/j.tca.2021.178918.Nair S., Raghavan R. // Thermochimica Acta. 2021. V. 706. Art. 179074. DOI: 10.1016/j.tca.2021.179074.Nair S., Raghavan R. // Thermochimica Acta. 2021. V. 706. Art. 179074. DOI: 10.1016/j.tca.2021.179074.Yin X-S., Song M., Zhang Q-H., Yu J-G. // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. P. 6593—6598. DOI: 10.1021/ie100710x.Yin X-S., Song M., Zhang Q-H., Yu J-G. // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. P. 6593—6598. DOI: 10.1021/ie100710x.Radfarnia H.R., Iliuta M.C. // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 9295—9305. DOI: 10.1021/ie102417q.Radfarnia H.R., Iliuta M.C. // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 9295—9305. DOI: 10.1021/ie102417q.Joo H., Cho S.J., Na K. // J. of CO2 Utilization. 2017. V. 19. P. 194—201. DOI: 10.1016/j.jcou.2017.03.014.Joo H., Cho S.J., Na K. // J. of CO2 Utilization. 2017. V. 19. P. 194—201. DOI: 10.1016/j.jcou.2017.03.014.Hassanzadeh A., Abbasian J. // Fuel. 2010. V. 89(6). P. 1287—1297. DOI: 10.1016/j.fuel.2009.11.017.Hassanzadeh A., Abbasian J. // Fuel. 2010. V. 89(6). P. 1287—1297. DOI: 10.1016/j.fuel.2009.11.017.Abbasi E., Hassanzadeh A., Abbasian J. // Fuel. 2013. V. 105. P. 128—134. DOI: 10.1016/j.fuel.2012.06.005.Abbasi E., Hassanzadeh A., Abbasian J. // Fuel. 2013. V. 105. P. 128—134. DOI: 10.1016/j.fuel.2012.06.005.Abbasi E., Hassanzadeh A., Zarghami S., Arastoopour H., Abbasian J. // Fuel. 2014. V. 137. P. 260—268. DOI: 10.1016/j.fuel.2014.07.088.Abbasi E., Hassanzadeh A., Zarghami S., Arastoopour H., Abbasian J. // Fuel. 2014. V. 137. P. 260—268. DOI: 10.1016/j.fuel.2014.07.088.Gorlova A.M., Karmadonova I.E., Derevshikov V.S., Rogozhnikov Rogozhnikov V.N., Snytnikov P.V., Potemkin D.I. // Catalysis in Industry. 2022. V. 14. P. 349—356.Gorlova A.M., Karmadonova I.E., Derevshikov V.S., Rogozhnikov Rogozhnikov V.N., Snytnikov P.V., Potemkin D.I. // Catalysis in Industry. 2022. V. 14. P. 349—356.Никулина И.Е., Деревщиков В.С., Пахарукова В.П., Потемкин Д.И., Снытников П.В. // Катализ в промышленности. 2023. Т. 23. № 6. С. 5—16. DOI: 10.18412/1816-0387-2023-6-5-16.Никулина И.Е., Деревщиков В.С., Пахарукова В.П., Потемкин Д.И., Снытников П.В. // Катализ в промышленности. 2023. Т. 23. № 6. С. 5—16. DOI: 10.18412/1816-0387-2023-6-5-16.Gao W., Vasiliades M.A., Damaskinos C.M., Zhao M., Fan W., Wang Q., Reina T.R., Efstathiou A.M. // Environ. Sci. Technol. 2021. V. 55. P. 4513—4521. DOI: 10.1021/acs.est.0c08731.Gao W., Vasiliades M.A., Damaskinos C.M., Zhao M., Fan W., Wang Q., Reina T.R., Efstathiou A.M. // Environ. Sci. Technol. 2021. V. 55. P. 4513—4521. DOI: 10.1021/acs.est.0c08731.Harada T., Simeon F., Hamad E., Hatton A. // Chem. Mater. 2015. V. 27. № 6. Р. 1943—1949. DOI: 10.1021/cm503295g.Harada T., Simeon F., Hamad E., Hatton A. // Chem. Mater. 2015. V. 27. № 6. Р. 1943—1949. DOI: 10.1021/cm503295g.Zevenhoven R., Teir S., Eloneva S. // Energy. 2008. V. 33. Р. 362—370.Zevenhoven R., Teir S., Eloneva S. // Energy. 2008. V. 33. Р. 362—370.Yang X., Zhao L., Liu Y., Sun Z., Xiao Y. // Ind. Eng. Chem. Res. 2017. V. 56. № 1. Р. 342—350. DOI: 10.1021/acs.iecr.6b03909.Yang X., Zhao L., Liu Y., Sun Z., Xiao Y. // Ind. Eng. Chem. Res. 2017. V. 56. № 1. Р. 342—350. DOI: 10.1021/acs.iecr.6b03909.Bang G., Kim K-M., Jin S., Lee C-H. // Chem. Eng. J. 2022. V. 33. P. 134607—13416.Bang G., Kim K-M., Jin S., Lee C-H. // Chem. Eng. J. 2022. V. 33. P. 134607—13416.Шелудяк Ю.Е., Кашпоров А.Я., Малинин Л.А., Цалков В.Н. Теплофизические свойства компонентов горючих систем. М.: НПО Информ ТЭИ. 1992. 185 с.Шелудяк Ю.Е., Кашпоров А.Я., Малинин Л.А., Цалков В.Н. Теплофизические свойства компонентов горючих систем. М.: НПО Информ ТЭИ. 1992. 185 с.Кутателадзе C.C., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Москва: Госэнергоиздат. 1958. 414 с.Кутателадзе C.C., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Москва: Госэнергоиздат. 1958. 414 с.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.