Direct synthesis of paraffins from combined fFscher Tropsch and hydrocracking
Parafinlerin Fischer-Tropsch ve hidrokraking birleşik yöntemi ile doğrudan sentezi
- Tez No: 310621
- Danışmanlar: PROF. DR. A. NURSEN İPEKOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Günümüz dünyasında enerji sektörü pek çok sorunla karşılaşmaktadır. Dünya nüfusunun yaklaşık olarak %20'sinin elektrik enerjisine erişimi sağlanamamaktadır. Tüm gelişmiş ülkelerin güvenilir enerji kaynaklarına sahip olduğu düşünülürse, güvenilir enerji kaynaklarının sağlanamadığı bir dünyada ekonomik gelişme ve ilerlemeden bahsedilemez. Ucuz ve güvenilir enerji kaynaklarına erişim sürdürülebilir kalkınmanın temel şartlarından biridir. Bu nedenle şu anda kullanılabilir olan enerji teknolojilerinden tam olarak faydalanmak, daha geliştirmek ve yeni enerji kaynaklarının kullanımını desteklemek dünya üzerindeki her toplum için kaçınılımazdır. Kömür, son ikiyüz senedir insanlığın en temel enerji kaynaklarından biri olmuştur. 1800'lerin Avrupasında buhar makinelerinin gelişimi ve buna ek olarak kömürün kullanımının artması sanayi devriminin başlangıcı olarak sayılmaktadır. Kömürün yakılarak buhar eldesinde kullanılmasının yanısıra, ısınma amaçlı yoğun olarak kullanıldığı dönemler de olmuştur. Kömür 2011 yılı itibariyle dünyada birincil enerji arzının %30'unu, toplan elektrik üretiminin %41'lik kısmını oluşturmaktadır. Ayrıca kimya endüstrisi için önemli bir hammadde olan kömür, pek çok prosesde hammadde olarak kullanılabilmektedir. Fakat kömürün çevresel etkileri, kömür kullanımını bazı yönlerden kısıtlamaktadır. Kömür kullanımı ile oluşabilecek çevresel zararların en aza indirilmesini sağlayacak teknolojilerin geliştirilmesi bir seçenekten öte zorunluluk haline gelmiştir. Ayrıca dünyadaki mevcut kömür rezervlerinin 100-150 sene daha bitmeyeceğinin tahmin edilmesi, kömürün gelecekte önemini koruyacağını göstermektedir. Kömürün diğer fosil yakıtlarla karşılaştırıldığında dünya üzerindeki dağılımı daha eşittir. Bu nedenle her ülke için enerji konusunda dışa bağımlılıktan kurtulmanın önemli bir aşamasını kömürün enerji kaynağı olarak kullanılması oluşturmaktadır.Kömür doğrudan yakılarak enerji kaynağı olarak kullanılabileceği gibi, ısıl dönüşüm teknolojileri ile de ikincil enerji kaynaklarına dönüştürülebilir. Isıl dönüşüm teknolojisi olarak piroliz, sıvılaştırma ve gazlaştırma gösterilebilir. Bu yöntemler ile kömürden ikincil enerji kaynaklarının üretiminin gerçekleştirilmesinin yanı sıra kimya endüstrisinde kullanılan çok farklı kimyasalların eldesi de mümkündür. Gazlaştırma ısıl dönüşüm teknolojileri arasında önemli bir yer tutmaktadır. Gazlaştırmanın temel amacı kömür, biyokütle gibi organik kaynaklardan CO ve H2 gazlarını içeren sentez gazı elde etmektir. Gazlaştırma ile elde edilen sentez gazı kimya endüstrisinde kullanılabileceği gibi farklı oranlarda CO ve H2 içeren sentez gazı Fischer-Tropsch sentezi ile benzin veya motorin hidrokarbonlarına dönüşümü de yapılabilir. Fischer-Tropsch sentezi uzun zamandır bilinen ve uygulanan bir teknolojidir. 1930'ların Almanya'sında geliştirilen bu yöntem daha sonraları başta Güney Afrika olmak üzere çeşitli ülkelerde uygulama alanı bulmuştur. Fischer-Tropsch sentezi farklı sıcaklık aralıklarında uygulanabilir. Düşük sıcaklıktaki uygulamalar genelde motorin hidrokarbonlarının üretiminde kullanılırken, yüksek sıcaklık Fischer-Tropsch sentezi daha çok benzin hidrokarbonlarının üretiminde uygulanmaktadır. Fakat sıcaklık ve diğer proses parametreleri ne olursa olsun Fischer-Tropsch sentezi sonucunda ortaya geniş bir aralıkta ve farklı tipte hidrokarbonların bulunduğu karışım ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle istenilen faydalı son ürünlere ulaşmak için Fischer-Tropsch sentezi ürünlerinin, ürün iyileştirme işlemine tabii tutulması gerekmektedir. Bu geniş aralıktaki hidrokarbon karışımından benzin ve motorin hidrokarbonlarına geçişinin Hidrokraking ile sağlanması mümkündür. Hidrokraking yöntemi petrol rafinerilerinde çok sık olarak kullanılmaktadır. Fischer-Tropsch sentezi içinde uygulanan bir yöntemdir. Sentez gazından motorin veya benzin elde edilirken prosese eklenecek her bir işlem aşaması ek maliyet gerektirmektedir. Bu maliyet probleminin çözümlerinden biri Birleşik Fischer-Tropsch ve Hidrokraking Sentezi uygulanmasıdır. Parafinlerin sentez gazından doğrudan üretiminde, Fischer-Tropsch ve Hidrokraking işlemlerinin birleştirilmesi, yatırım ve işletme maliyetlerini önemli oranda düşürecektir. Fischer-Tropsch ve Hidrokraking proseslerinin birleştirilmesi iki farklı tip katalizörün bir arada kullanılması ile mümkün olmaktadır.Bu tez çalışmasında Birleşik Fischer-Tropsch ve Hidrokraking sentezi ile motorin parafinlerinin üretimi amaçlanmıştır. Bu amaçla deneysel çalışma iki aşamada yürütülmüş ilk aşama olarak Birleşik Fischer-Tropsch ve Hidrokraking sentezi için Hidrokraking işlevini görecek iki tip katalizörün Fischer-Tropsch sentezi şartlarında performans analizi yapılmıştır. Deneysel çalışma sırasında Platin/HMFI ve Paladyum/HMFI katalizörleri test edilmiştir. Performans analizi sabit yataklı iki adet silindirik reaktörde gerçekleştirilmiştir. Deney düzeneği bu reaktörlerin yanı sıra analiz için olması gerekli olan buharlaştırıcı, gaz kromatografi, sıcaklığın ve basıncın kontrol edildiği düzenekler ve kütle akış kontrol cihazlarından oluşmaktadır. Reaktör yapılan deneyler sırasında sürekli olarak çalıştırılmıştır. Sürekli yapılan deneyler nedeniyle gaz kromatografi cihazı analiz için sisteme doğrudan bağlanmıştır. Gaz kromatografi analizi için iki farklı detektör ve cihaz kullanılmıştır. Seçiciklik hesabı için FID, karbonmonoksit dönüşüm oranının belirlenmesi için TCD tipi gaz detektörler kullanılmıştır. Reaktör çıkış akımı buharlaştırıcıda gaz haline geçmekte daha sonra bu gaz karışımı gaz kromatografi cihazına beslenmektedir. Yapılan deneysel çalışmada, deneysel çalışmanın tekrarlanabilirliğini artırmak ve daha güvenilir sonuçlar almak için katalizör reaktör içerisinde yatışkın bir sıcaklık profilinin elde edildiği bir noktaya yerleştirilmiştir ayrıca bu bölge dışarısında kalan kısımlar inert madde ile doldurulmuştur. Reaktörde sıcaklığı kontrol edebilmek ve ısı kayıplarını engellemek için reaktör yalıtım malzemesi ile kaplanmıştır. Katalizörün sabit sıcaklık bölgesine yerleştirmek dışında, reaktöre beslenen n-hekzadekanın akış debisinin de sabit olması gerekmektir. Bu amaçla deneysel çalışmaya başlamadan önce akış debisi, reaktöre katalizör yüklemeden boş olarak çalıştırılmıştır. Reaktör çıkışında n-hekzadekan debisi zamana bağlı olarak kontrol edilmiş, debinin değişmediği durum sağlandıktan sonra deneylere geçilmiştir. Analiz sırasında her iki katalizör için n-hekzadekan dönüşüm oranları ve seçicilikler karşılaştırılmıştır. n-hekzadekan dönüşüm oranının Fischer Tropsch sentezi ortamında yani karbonmonoksit ve suyun bulunduğu ortamda değişimi katalizörün seçiminde en etkili faktör olarak kullanılmıştır. Bu maddelerin birlikte beslendiği ortamda n-hekzadekan dönüşüm oranının düşüşü katalizörün aktivitesini kaybettiğini gösterir. Bu nedenle yüksek dönüşüm oranı veren katalizör yapılacak birleşik Fischer Tropsch sentezi ve hidrokraking için uygun olacaktır. Platin/HMFI katalizörü karbonmonoksit ortamında katalitik aktivitesini büyük oranda kaybetmiştir. Karbonmonoksit beslemesinin durdurulması katalitik aktivitenin geri kazanılmasını sağlamamıştır. Platin/HMFI katalizör su ortamında ise tüm aktivitesini kaybetmiştir. n-hekzadekan dönüşümü tamamen durmuştur. Bu karşın Paladyum/HMFI çift etkili katalizörü karbonmonoksit ve su ortamında aktivitesini bir miktar kaybetmesine rağmen n-hekzadekan dönüşüm oranlarındaki düşüş Platin/HMFI katalizöründe olduğu kadar büyük olmamıştır. Bu analiz sonucunda çift işlevli Paladyum/HMFI katalizörü kombine sentez için seçilmiştir. Bunun nedeni Paladyum/HMFI katalizörünün, Platin/HMFI katalizörüne göre daha yüksek karbonmonoksit ve su toleransı göstermesidir. Paladyum/HMFI zeoliti katalizöründe paladyum metali büyük hidrokarbonların hidrojen ile daha sonraki reaksiyonlar için aktive olmasını sağlar. Zeolit kısım ise hidrokraking ve izomerizasyon olayının gerçekleştiği kısımdır. Deneysel çalışmanın ikinci aşamasında, seçilen bu katalizör daha sonra Pd/HMFI katalizörü Kobalt katalizörü ile fiziksel olarak karıştırılarak, Düşük Sıcaklık Fischer-Tropsch Sentezi şartlarında, sentez gazından doğrudan motorin parafinlerinin üretimi amaçlanmıştır. Doğrudan motorin parafinleri eldesi için kullanılan deney düzeneği hidrokraking çalışmasında kullanılan sistem ile aynıdır. Deney sistemine karbonmonoksit ve hidrojen gazı beslenerek, kobalt katalizörü yardımı ile Fischer Tropsch sentezi ürünleri elde edilmiştir. Bu ürünleri eş zamanlı olarak hidrokraking katalizörü üzerinde daha kısa hidrokarbonlara dönüştürülmüş ve izomerleşmiştir. Elde edilen sonuçlar metan, toplam olefin ve toplam parafin seçicilikleri bakımından tartışılmıştır. Ayrıca hidrokraking deneylerinden farklı olarak karbonmonoksit dönüşüm oranı katalizörün zamana karşı deaktivasyonunu incelemede kullanılmıştır. Bunların yanında iki farklı Paladyum yüklemesinin karbonmonoksit dönüşüm oranı ve seçicilikler üstündeki etkisi incelenmiştir. Deneyler sırasında dört farklı sentez gazı debisinde çalışılmış, reaktörde kalma süresinin birleşik fischer tropsch ve hidrokraking üzerindeki etkisi incelenmiştir. Birleşik Fischer Tropsch ve Hidrokraking sonuçları ile karşılaştırma yapılabilmesi için reaktörlerin birine sadece kobalt katalizörü yüklenmiştir. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda reaktörde kalma süresinin artması ile karbonmonoksit dönüşümünün arttığı gözlemlenmiştir. Reaktörde kalma süresinin toplam parafin ve toplam olefin seçiciliği üzerinde etkisi küçük olmuştur. Bunun yanında metan seçiciliği reaktörde kalma süresi ile azalma göstermiştir. Birleşik Fischer Tropsch ve Hidrokraking sonucunda, Fischer Tropsch sentezi için yüzde yirmi mertebelerinde olan metan seçiciliği yüksek Paladyum yüklemesinde yüzde on mertebelerine indirilmiştir. Fischer Tropsch katalizörüne hidrokraking katalizörünün eklenmesi izomerleşmiş ürünlerin seçiciliğinde artışa neden olmuştur. Deneysel çalışma sırasında Fischer Tropsch sentezi ile üretilen en uzun karbon zincirli hidrokarbonda on sekiz karbon atomu bulunan ürün elde edilmiştir. Hidrokraking katalizörünün katılması ile birlikte zincir boyu on iki karbonlu hidrokarbonlara düşmüştür. Ayrıca Fischer Tropsch sentezi ile yoğun miktarda olefin elde edilmiştir. Birleşik Fischer Tropsch ve Hidrokraking ile olefinlerin parafinlere dönüşümü sağlanmıştır. Bu çalışmada denenen koşullar sonucunda, toplam parafin seçiciliğinde önemli oranda artış gözlemlenmiş, motorin hidrokarbonlarına oldukça yakın ürün bileşimi elde edilmiştir. Farklı Paladyum yüklemesinin ürün seçicilikleri üstünde etkisi olmuştur. Metan seçiciliği yüksek miktardaki metal yüklemesi için daha fazla olmuş buna karşılık düşük Paladyum yüklemesinde metan seçiciliğin daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca daha fazla Paladyum yüklemesinin karbonmonoksit dönüşüm oranını artırdığı gözlemlenmiştir. Ürün bileşimi olarak daha az olefin ve daha çok parafin içeren bir karışım elde edilmiştir. Ayrıca izomer ürünlerin seçiciliklerinde artış gözlemlenmiş bu da dizel ürün yanında birleşik Fischer Tropsch ve Hidrokraking sentezinin motorin hidrokarbonlarının üretiminde de kullanılabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Coal can be used directly by combustion or with thermal conversion secondary energy sources can ve produced from coal. There different types of thermal conversion methods and gasification is one of the most important type of thermal conversion technology. Synthesis gas (H2 and CO mixture) is one of the most important main products of gasification process. It can be used in chemical industry in addition to that it can be used for alternative fuel production. Synthesis can be further transformed into gasoline and diesel fuel hydrocarbons via Fischer-Tropsch Synthesis. However Fischer-Tropsch Synthesis has very wide range of hydrocarbon distribution. Thus product upgrading is necessary for synthesis of desired hydrocarbons. Hydrocracking can be applied for cracking the long chain hydrocarbons into desired ranged hydrocarbons. But hydrocracking process increases the investment and operation cost. One of the suggested methods for lowering the cost and upgrading the system is Combined Fischer-Tropsch and Hydrocracking Synthesis. Direct production of paraffins from synthesis gas can be done by Combined Fischer-Tropsch and Hydrocracking Synthesis. In this study, performance analyses of two different hydrocracking catalysts under low temperature Fischer-Tropsch synthesis conditions were examined. Pt/HMFI and Pd/HMFI bifunctional catalysts were selected for the comparison of the performance. Also two different metal loading on these cataylsts were applied in order to see whether the effect of metal loading could overcome the effect of low temperature Fischer Tropsch conditions. CO and H2O were fed to the reactors as these compounds constitutes Fischer-Tropsch synthesis environment. Selectivities and n-hexadecane conversion rates of two different catalysts were compared under deactivating effects of CO and H2O. Pd/HMFI bifunctional catalyst was chosen for hydrocracking part of the combined catalyst for combined synthesis experiments as it showed better performance under Fischer-Tropsch synthesis conditions and CO and H2O environment. Cobalt and Pd/HMFI catalysts were mixed and direct synthesis of paraffins from syngas was done under low temperature Fischer-Tropsch synthesis conditions. Total paraffin, total olefin and methane selectivities were examined for different synthesis gas velocity and Pd loadings. At the experimental conditions, significant increase in total paraffin selectivity was observed. Methane selectivity at higher Pd loadings was lowered in comparison with standard Fischer Tropsch synthesis. Total olefin selectivity for both metal loadings were suppressed.Higher Pd loading on the combined catalyst showed higher CO conversion rates and overcame the effects of Fischer-Tropsch synthesis ambient conditions. In addition to that lowering synthesis gas velocity increased the CO conversion rates as the residence time in the reactors were increased. Thus very similar composition to diesel hydrocarbons was achieved. It was also observed that Combined Fischer-Tropsch and Hydrocracking Synthesis can be applied for production of gasoline fuel hydrocarbons.
Benzer Tezler
- Hafif olefin üretimi için destekli demir temelli fıscher tropsch katalizörleri üzerinde bir kinetik çalışma ve model analizi
A kinetic study and model analysis on supported iron based fischer-tropsch catalysts for light olefin production
KEREM BÜLBÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN
DR. ABDULLAH Z. TURAN
- Kondüktametrik ve potansiyometrik titrasyon yöntemlerinin MFİ tipi zeolitlerin asit merkezlerinin karakterizasyonuna uygulanması
Başlık çevirisi yok
YASEMİN SÜSLER
- Preparation of zeolite 4A membranes on porous stainless steel substrates
Gözenekli paslanmaz çelik disk destekli zeolit 4A membranlarının hazırlanması
KERİM ÖNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. AYŞE ERDEM ŞENATALAR
- Linyit ve ayçiçek yağının birlikte pirolizi
Başlık çevirisi yok
SAİT TAŞÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. TUNCER ERCİYES
- Synthesis & characterization of CdSe/ZnS quantum dots
CdSe/ZnS kuantum noktalarının sentezi ve karakterizasyonu
HAKAN AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ