Geri Dön

Thermodynamic equilibrium analysis of oxidative steam reforming of ethylene glycol and sorbitol

Etilen glikol ve sorbitolün oksidatif su buharı reformlama prosesinin termodinamik denge analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 573398
  2. Yazar: ALPER CESUR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 129

Özet

Enerji, insanlık ve ülke ekonomisinin gelişmesi için en önemli kaynaklardan biridir. Dahası, enerji sosyal ve ekonomik yaşamın vazgeçilmez bir parçasıdır. Enerji tüketimi, nüfus artışı, endüstri gelişimi ve yaşam kalitesini arttırmakla doğru orantılı olarak artar. Fosil kaynakların kullanımı, küresel ısınma, iklim değişikliği ve sera gazı emisyonu sorunları gibi birçok sorunu beraberinde getirmektedir. Değişen üretim ve enerji tüketim mekanizmaları gibi önlemler alarak çevre sorunları önlenebilir. Yenilenebilir enerji üreten en önemli merkezlerden biri biyorafinerilerdir. Bir biyorafineri, biyokütle işleminden elde edilen ve biyo-kütleden yakıt, güç ve değerli kimyasallar üretmek için kullanılan işlem ekipmanlarını birleştiren bir tesis olarak tanımlanabilir. Biyokütle, yanma, piroliz, gazlaştırma gibi termokimyasal işlemler kullanılarak katı, sıvı, gaz ürünlerine ve enerjiye dönüştürülür. Biyokütleye gazlaştırma uygulandığında, ürün bileşiminde katran ve metan gazı gözlenir. Piroliz uygulaması durumunda, biyokütle gaz fazında ve oksijensiz ortamda yaklaşık 773 K'ye ısıtılır ve katı, sıvı ve gaz bileşenlerine dönüştürülür. Biyo-yağlar odunsu biyokütleden pirolizle üretilir ve içinde kompleks bileşikler bulunur ve bu yağlar bu bileşiklere göre adlandırılır. Seçilen biyo-yağ modeli bileşenleri olan etilen glikol ve sorbitol, biyo-yağda yüksek ağırlık oranına sahip modellerdir. 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. Bir reaksiyon gazı karışımındaki kimyasal denge, dinamik bir işlemdir. Reaktantların başlangıçtaki kısmi basınçları yüksek olduğunda ve reaktif moleküller arasındaki çarpışmalar ürün moleküllerinin oluşmasına neden olduğunda dengeye doğru kendiliğinden bir yaklaşım gözlenir. Gibbs serbest enerji minimizasyonu, bir sistemin belirlenen çalışma parametrelerine göre faz ve bileşen dağılımlarının belirlenmesini sağlayan termodinamik bir analiz yöntemidir. Dengede sıcaklık, basınç ve bileşen konsantrasyonunun fonksiyonu olan toplam Gibbs serbest enerjisinin. Bu yöntemin en önemli avantajı, reaksiyon mekanizmasına ihtiyaç duyulmamasıdır. Bu nedenle, bu teknik spesifik olmayan sistemlerin termodinamik analizinde kullanılır. Termodinamik denge hesaplamalarında Aspen Plus v.8.8 kullanılarak Gibbs serbest enerji minimizasyonu metodu kullanılmıştır. Simülasyon programında RGibbs reaktörü kullanılmıştır. Reaksiyon sistemindeki bileşiklerin bileşimi, RGibbs reaktörü ile Gibbs serbest enerjisini azaltma yöntemi ile hesaplandı. RGibbs Reaktörü, reaksiyon sistemindeki tüm bileşenlerin Gibbs serbest enerjisini, kullanılan enerji minimizasyonu prensibi ile reaksiyon mekanizmasına göre hesaplar. Bu tezin amacı, model bileşenleri etilen glikol ve sorbitolden sentez gazı ve hidrojen gazı elde etmek için en uygun işlem ve işlem koşullarını bulmaktır. Biyo-yağın temel model bileşenleri olan etilen glikol ve sorbitolün su buharı reformingi, oksidatif su buharı reforming ve adsorpsiyon destekli su buharı reforminginin termodinamik analizleri sıcaklık, basınç ve besleme kompozisyonu değiştirilerek ve Aspen Plus V8.8 kullanılarak RGibbs reaktöründe Gibbs serbest enerji azaltma yöntemi ile simüle edilmiştir. CaO, adsorpsiyon destekli su buharı reforminginde CO2 adsorbanı olarak kullanılmıştır. Optimum proses yüksek H2 ve CO verimi, düşük kok, metan ve karbondioksit gibi yan ürünlerin olduğu durum için seçilir. Reaktanların ve ürünlerin özellikleri, simülasyon setleri yürütülürken, belirtilen sıcaklık ve basınçta Aspen Plus simülasyon programına ilk adım olarak tanımlandı. Bundan sonra, ikinci aşama enerjiyi en aza indirgeme, denge durumunda reaktanların ve ürünlerin bileşimlerinin elde edilmesi için gerçekleştirildi. Simülasyonda RGibbs reaktörü kullanılarak beşer set hem etilen glikol hem de sorbitol için yapıldı. Daha sonra, etilen glikol ve sorbitol karışımının etkisini görmek için 2 set daha çalışıldı. Simülasyon, 200-1000 0C sıcaklık aralığında (ΔT = 50 0C) ve basınç 1, 10, 20 bar altında gerçekleştirildi. Her çalışma koşulunda etilen glikol, sorbitol ve 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 etilen glikol ve sorbitol için ayrı ayrı ve etilen glikol-sorbitol 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 700 oC'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. Su buharı reformlama prosesinde, literatürdeki istenen H2/CO oranı ve en düşük yan ürün verimi 1000 0C ve 1 bar altında C2H6O2/H2O=1/2 iken gerçekleşmiştir. Bu prosesin veriminin arttırılması amacıyla daha sonra simulasyona oksijen eklemesi yapılarak oksidatif su buharı reforming prosesi gerçekleştirilmiştir. Oksijen ve su buharının toplam mol sayısı 2 olacak şekilde oksijen ve su mol sayıları ayrı ayrı değiştirilerek oksidatif su buharı prosesi için optimum H2O/O2 oranı bulunulmaya çalışılmıştır. Simule edilen ve grafiklerle anlatılan su buharı reforming ve oksidatif su buharı reforming proseslerine CO2 adsorbanı olarak CaO katılmış ve CaCO3 oluşması sağlanarak; ortamdan CO2 ayrılmasıyla proses veriminde olan değişiklikler incelenmiştir. Bunun için iki ayrı su buharı reforming prosesine de ayrı ayrı 1 ve 3 mol CaO giriş akımında tanımlanmıştır. Bu çalışmada su buharı reforming proseslerine basınç etkisi de incelenmiş ve C2H6O2/H2O=1/2 durumu ve C6H14O6/H2O=1/6 durumu için basınçlar 1 bardan 10 bar ve 20 bar olacak şekilde tekrar simule edilmiştir. Yüksek basınçların düşük sıcaklıklarda kok oluşumunu ve CH4 verimini arttırdığı, H2 verimini düşürdüğü gözlemlenmiş olup; grafiklerle açıklanmıştır.

Özet (Çeviri)

Energy is one of the most significant resources for humanity and developments of country's economics. Moreover, energy is irreplaceable part of social and economic life. Consumption of energy increases in direct proportion to population growth, industry development and enhance the life quality. Usage of fossil sources brings with many problems like as global warming, climate changing and greenhouse gas emission problems. Environmental problems can be prevented as taking measure such as changing production and consumption mechanism of energy. One of the most important centers producing renewable energy is biorefineries. A biorefinery can be defined as a plant where combines biomass process and process equipment which to use for producing fuels, power and precious chemicals from biomass. Biomass is converted to solid, liquid, gas products and energy by using thermochemical processes such as combustion, pyrolysis, gasification. When gasification is applied to biomass, tar and methane gas observed in the product composition. In the case of application of pyrolysis, biomass is heated to about 773 K in the gas phase and oxygen-free environment and converted to solid, liquid and gas components. The bio-oils are produced by pyrolysis from woody biomass contain complex compounds and the bio-oils are named according to these compounds. Ethylene glycol and sorbitol, which are the selected bio-oil model components, are models with a high weight ratio in the bio-oil. Chemical equilibrium in a reaction gas mixture is a dynamic process. A spontaneous approach toward equilibrium is observed when the initial partial pressures of the reactants are high and collisions between reactant molecules cause product molecules to form. The purpose of this thesis is to find the most suitable process and process conditions for obtaining syngas and hydrogen gas from the model components ethylene glycol and sorbitol. Steam reforming, oxidation steam reforming and sorption enhanced reforming processes of ethylene glycol and sorbitol, the basic model components of bio-oil, have been investigated to effect of product yield etc. H2, CO, CH4, coke, H2/CO ratio and input conversion etc. C2H6O2, C6H14O6, H2O, O2 by changing temperature, pressure and feed composition. Analysis are simulated by Gibbs free energy minimization method in RGibbs reactor by using Aspen Plus V8.8. CaO is used as CO2 adsorbent in sorption enhanced processes. Optimum process is selected for maximum H2 and CO yield, minimum coke, CO2 and CH4 yield as side reaction products. The properties of reactants and products were described as the first step into Aspen Plus simulation program at the specified temperature and pressure while executing simulation sets. After then, the second step is minimization were run to obtain compositions of reactants and products at the equilibrium state. 5 sets of both ethylene glycol and sorbitol were performed using RGibbs reactor at the simulation. Then, 2 more sets were studied to see effect of ethylene glycol and sorbitol mixture. It is seen that the while H2O addition is increased, the H2 yield is decreased in steam reforming of both ethylene glycol and sorbitol. In the meantine, it is seen that the usage of O2 in steam reforming, the coke yield is decreases.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    511684

    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

    Türkçe

    2018

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELEK TÜTER

    PROF. DR. ŞEYMA AYDINOĞLU

  2. Tez No

    238137

    Şeftali çekirdeği ve polimer esaslı aktif karbon ile sulu çözeltilerden krom (VI) giderimi

    Chromium (VI) removal by using peach stone and polymer based activated carbon

    DİLEK DURANOĞLU GÜLBAYIR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜLKER BEKER

    YRD. DOÇ. DR. İLKNUR KÜÇÜK

  3. Tez No

    315324

    Kömür ve biyokütle karışımlarının gazlaştırılması ve aspen HYSYS programı ile simulasyonu

    Coal and biomass gasification and simulation of gasification systems using aspen HYSYS program

    TANJU NAYIR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERHAN BÖKE

  4. Tez No

    400765

    Quantitative analysis of relationships between fluxome and metabolome in Escherichia coli

    Başlık çevirisi yok

    HİLAL TAYMAZ NİKEREL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    BiyoteknolojiTechnische Universiteit Delft (Delft University of Technology)

    PROF. DR. J. J. HEIJNEN

    DR. W. M. VAN GULIK

  5. Tez No

    485211

    Yüksek silisyum, alüminyum ve molibden içeren dökme demirlerin oksidasyon davranışının incelenmesi

    Investigation of oxidation behaviour of high silicon, molibdenum and aluminium containing cast irons

    ALPHAN BERKEM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK

Geri Dön