Thermodynamic analysis of steam reforming and partial oxidation of acetic acid and acetone
Asetik asit ve asetonun su buharı reformlama ve oksidatif su buharı reformlama proseslerinin termodinamik analizi
- Tez No: 541301
- Danışmanlar: PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU, PROF. DR. ŞEYMA AYDINOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 118
Özet
Günümüzde sürdürülebilirlik her alanda geliştirilip uygulanabilir hale getirilmek istenen bir prosestir. Biyorafineriler sürdürülebilir teknolojiyi destekleyen en önemli proseslerdendir. Biyorafinerilerde biyokütle kaynaklı hammadde çeşitli dönüşüm yöntemleri uygulanarak değerli kimyasallara dönüştürülmektedir. Dönüşüm yöntemleri biyokimyasal dönüşüm yöntemler ve termokimyasal dönüşüm yöntemeri olarak ana iki bölüme ayrılır. Biyokimyasal dönüşüm yöntemleri biyokütle kaynaklı hammaddeyi enzim ve çeşitli bakteriler yardımıyla değerli kimyasallara çevirir. Termokimyasal dönüşüm yöntemleri ise ısı ve enerji uygulayarak biyokütle kaynaklı hammaddeden değerli kimyasal eldesini gerçekleştirir. Termokimyasal dönüşüm yöntemleri gazlaştırma, piroliz ve yakma prosesleri olarak üçe ayrılır. Gazlaştımra prosesinde temel amaç ısı ve enerji uygulayarak ana ürün olan gaz karışımını elde etmektir. Yakma proseslerinde ise; temel amaç karbon yapılı katı ürünü elde etmektedir. Biyokütlenin pirolizi sonucunda katı, sıvı ve gaz ürün meydana gelmektedir. Sıvı ürünü maksimum verimle elde etmek piroliz prosesinin temel amacıdır. Sıvı ürün; biyoyağlar ve sulu faz olmak üzere iki kategoriye ayrılır. Biyoyağlar, hidrokarbonlardan oluşan karmaşık yapılı kimyasal bileşenlerdir. Bu değerli kimyasal bileşenler su buharı reformlama prosesi, oksidatif su buharı reformlama prosesi ve adsorpsiyon destekli reformlama prosesleri ile yüksek hidrojen içeren gaz karışımına dönüştürülmektedir. Elde edilen yüksek hidrojen içeren gaz karışımı, hidrojene ek olarak karbonmonoksit, karbondioksit, methan gazlarını da içermektedir. Kullanılan termokimyasal dönüşüm yöntemleriyle kok kömürü katı ürünü de reaksiyon ortam şartlarına bağlı olarak elde edilmektedir. Tez çalışması kapsamında biyoyağın temel model bileşenlerinden olan asetik asit ve asetonun sıcaklık, basınç ve besleme akımı bileşen parametreleri değiştirilerek su buharı reformlama prosesi, oksidatif su buharı reformlama prosesi ve adsorpsiyon destekli reformlama prosesi çalışılmıştır. Seçilen biyoyağ model bileşenleri, biyoyağın içerisinde yüksek ağırlık oranına sahip olan modellerden seçilmiştir. Seçilen model bileşenlerin kolay erişilebilir olması ve geniş literatür çalışmalarının bulunması sonuçların doğruluğunun kıyaslanabilirliği açısından avantaj sağlamıştır. Proseslerin 200-1000oC sıcaklık aralığında farklı besleme akımı bileşenleriyle termodinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler; kimya mühendisliği proses uygulama programlarından Aspen Plus V8.8 kullanılarak R-Gibbs reaktöründe, Gibbs serbest enerji minimizasyon metoduyla simüle edilmiştir. Simülasyon programına asetik asit ve asetonun reformlanması sonucunda çıkabilecek tüm bileşenler tanımlanmıştır. Tüm çalışma koşullarında asetik asit ve asetonun tamamı termal ayrışma reaksiyonlarının gerçekleşmesi sebebiyle tükenmiştir. Buna ek olarak, oksidatif su buharlama reaksiyonlarında reaksiyonun enerji ihtiyacının karşılanması için giriş akımında bulunan tüm oksijen tükenmiştir. Reaksiyona giren su buharı dönüşümü ve reaksiyonlar sonucunda üretilen hidrojen, karbonmonoksit, karbondioksit, metan ve kok oluşumu tablo ve grafikler ile belirtilmiştir. Sıcaklık, basınç ve besleme akımındaki bileşen kompozisyonunun; hidrojen verimine etkisi incelenmiştir. Reaksiyonlar asetik asit ve aseton için ayrı ayrı ve asetik asit-aseton karışımı olarak farklı besleme kompozisyonlarında gerçekleştirilmiştir. Besleme akımındaki H2O artışı; H2, CO, CH4, kok verimlerini ve H2O dönüşümünü olumsuz, CO2 verimini ise olumlu yönde etkilemiştir. Besleme akımındaki O2 artışı H2O artışıyla aynı etkiyi oluşturmuştur. Yüksek sıcaklıklarda ve besleme akımında su buharı veya oksijen içeriğinin fazla olması kok oluşumunun azalmasına sebep olmuştur. CaO adsorpsiyon destekli reformlama prosesinde 700oC'nin üzerindeki sıcaklıklarda adsorpsiyonun ürün verimine bir etkisi olmadığı gözlemlenmiştir. Bu etki karbonlama reaksiyonun egzotermik yapısına dayandırılarak açıklanmıştır. Besleme akımındaki CaO artışı sıcaklıkla birlikte H2 ve CO verimine olumlu etki yaparken, kok oluşumunu azaltmıştır. Reformlama prosesleri sonucunda elde edilen gaz karışımının içerdiği karbondioksit miktarını, eklenen CaO ile azaltmak amaçlanmıştır. Reaksiyon ortamına eklenen CaO miktarının limit değerinin belirlenmesinin son ürün kompozisyonuna etkisi grafik ve tablolar aracılığıyla açıklanmıştır. Elde edilen tüm sonuçlar bu doğrultuda değerlendirilmiştir. Termodinamik analiz sonuçlarına göre en yüksek H2 ve CO verimleri (%) besleme akımı kompozisyonu C2H4O2/C3H6O/H2O/O2=0.5/0.5/1.0/0.0 değerine eşitken 1000oC ve 1 bar basınçta %98.5 olarak hesaplanmıştır. Su buharı reformlama prosesi, oksidatif su buharı reformlama prosesi, adsorpsiyon destekli oksidatif su buharı reformlama prosesi reaksiyonlarının sonucunda oluşan H2/CO mol oranının 2.0'ye yakın olması Fischer-Tropsch sentezinde ve metanol üretim sürecinde istenen bir değerdir. Elde edilen tüm sonuçlar endüstride kullanılabilirlikleri açısından da yorumlanmıştır. Endüstri kullanımı açısından daha yararlı bir veri olacağına inanılarak tüm sonuçlar oluşan yada harcanan mol değerleri kullanılarak yüzde verim ve dönüşüm değerleri olarak verilmiştir Oksidatif su buharı reformlama prosesinde oksijenin varlığı; prosesin enerji ihtiyacını kısmen veya tamamen, oksidasyon ve yanma reaksiyonlarıyla karşılamıştır. Karşılanan bu enerji miktarı çalışma koşullarına bağlı olarak farklılıklar göstermiştir. Gözlemlenen enerji ihtiyacı gerçekleşen reaksiyonların endotermik ve egzotermik kinetik yapılarına dayandırılarak açıklanmıştır. Son yıllardaki çalışmalarda reformlama reaksiyon süreçlerinde farklı biyoyağ model bileşenleri sıcaklık ve basınca bağlı olarak, CaO adsorpsiyon desteğinin etkisi incelenmiştir. Literatürdeki deneysel çalışmalarda katalizör kullanılarak reformlama proseslerinin termodinamik limitleri çeşitli biyoyağ modelleri ile çalışılmıştır. Önceki yıllardaki teorik çalışmalarda farklı biyoyağ model bileşenleri, reaksiyon parametreleri değiştirilerek hedef ürüne olan etkisi çeşitli simülasyon programları kullanılarak tanımlanmıştır. Bu tez çalışmasında iki ayrı biyoyağ bileşen modelinin su buharı, oksidatif su buharı ve adsorpsiyon destekli reformlama proseslerinin çalışılmasının yanında iki bileşenin karışımının farklı besleme akımlarında ve farklı sıcaklıklarda reformlama reaksiyonlarının hidrojen miktarı bakımından zengin gaz ürüne etkisi de incelenmiştir. Asetik asit ve aseton reformlama reaksiyonlarının çalışma sıcaklığına, basıncına ve besleme bileşenlerine bağlı olduğu gözlemlenmiştir. Ortam sıcaklığı, basıncı ve besleme bileşenleri değiştirilip istenen ürün bileşenlerinin elde edilebileceği gösterilmiştir. Termodinamik limitlerin belirlenmesinin istenen ürüne olan etkisi tablo ve grafikler aracılığıyla açıklanmıştır.
Özet (Çeviri)
Sustainability is crucial for modern industry. Biorefineries are one of the most important processes supporting sustainable technology. Bio based source feedstock is used as a raw material in biorefineries. Bio based feedstocks are converted to valuable chemicals by using thermochemical conversion technologies, which are, combustion, gasification and pyrolysis processes. Pyrolysis can produce solid, liquid and gas products. Liquid products are divided into two categories, which are bio-oil and aqueous phase. Bio-oils consist of chemical components, which are different amounts of hydrocarbons. These valuable chemical components can be converted to hydrogen rich gas mixture by steam reforming, partial oxidation reforming and adsorption enhanced reforming processes. In this thesis study, steam reforming, oxidative steam reforming and sorption enhanced reforming processes of acetic acid and acetone, the fundamental model components of bio-oil, have been investigated by changing temperature, pressure and feed composition. The thermodynamic analyzes of the processes were carried out with different feed components at a temperature range of 200-1000°C. Analysis are simulated by Gibbs free energy minimization method in R-Gibbs reactor by using Aspen Plus V8.8. All the components that can occur as a result of the reforming of acetic acid and acetone are defined in the simulation program. Under all reaction conditions, acetic acid and acetone were all depleted due to thermal decomposition reactions. In addition, all oxygen present in the input stream is exhausted to fulfill the energy requirement of the oxidative steam reforming reactions. The steam conversion and the yields of the products hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane and coke are presented by tables and graphs. The effect of temperature, pressure and feed composition on the hydrogen yield was investigated. The reactions were carried out separately for both acetic acid and acetone and in different feed compositions as a mixture of acetic acid and acetone. H2, CO, CH4, coke yields and H2O conversion were affected negatively by H2O increase in feed stream, whereas CO2 production was affected positively. The increase of O2 in the feed stream had the same effect as the H2O increase. The presence of higher amounts of steam and oxygen in the feed stream as well as high temperature reduced the coke formation. It was observed that adsorption did not have an effect on product yield in the CaO sorption enhanced at temperatures above 700°C. CaO increase in the feed stream had a positive effect on the H2 and CO efficiency while decreased coke formation. According to thermodynamic analysis results, maximum hydrogen and CO yields were calculated as %98.5 for the ratio of C2H4O2/C3H6O/H2O/O2=0.5/0.5/1.0/0.0 at 1000oC and 1 bar pressure. H2/CO molar ratio of 2.0 obtained in steam reforming, oxidative reforming, sorption enhanced reforming processes is a requirement for Fischer-Tropsch synthesis and methanol production process. The presence of O2 in steam reforming process has either partially or totally compensated the energy requirement of the process via oxidation and combustion reactions. This energy benefit has varied according to the operational conditions. In recent studies, the effect of CaO adsorbent on reforming process of different bio-oil model components were investigated as a function of temperature and pressure. In this thesis, the conversion of two different bio-oil model components to H2 rich gas product in reforming processes has also been investigated. Generally, it has been observed that acetic acid and acetone reforming mechanisms are controlled by different reactions with regard to the operating temperature, pressure and varying feed compositions. It is possible to adjust the product composition by changing the temperature, pressure and the feed content, depending on the targeted downstream application.
Benzer Tezler
- Thermodynamic equilibrium analysis of oxidative steam reforming of ethylene glycol and sorbitol
Etilen glikol ve sorbitolün oksidatif su buharı reformlama prosesinin termodinamik denge analizi
ALPER CESUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU
- Propiyonik asitten reformlama prosesleri ile sentez gazı ve hidrojen üretiminin termodinamik analizi
Thermodynamic analysis of hydrogen and synthesis gas production via reforming processes of propionic acid
AYBÜGE PELİN ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK TÜTER
PROF. DR. ŞEYMA AYDINOĞLU
- Thermodynamic analysis of steam assisted conversion of bio oil components to synthesis gas
Bio yağ bileşen maddelerinin buhar ile sentez gazlarına dönüşümlerinin termodinamik analizi
SEDA AKTAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET KERİM AVCI
- Biyogazın oksidatif buhar reformlaması ile sentez gazı üretimi için etkin Ni-Ce temelli katalizörlerin geliştirilmesi
Development of efficient Ni-Ce based catalysts for syngas production by oxidative steam reforming of biogas
MERVE DOĞAN ÖZCAN
Doktora
Türkçe
2023
Kimya MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE NİLGÜN AKIN