Ammonia synthesis process intensification: Solar energy driven chemical looping air separation for nitrogen production
Amonyak sentezi proses yoğunlaştırması: Azot üretimi için güneş enerjisi ile çalışan kimyasal döngü hava ayrımı
- Tez No: 856901
- Danışmanlar: PROF. DR. DENİZ ÜNER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 190
Özet
Bu çalışmada güneş enerjisinin kullanımı ve depolanması için, metal oksitler ile çalışan kimyasal döngü teknolojileri incelendi. Kimyasal döngü hava ayrımı (CLAS) prosesi kriyojenik hava ayırma ünitelerine göre daha az enerji ile çalışabilmektedir. CLAS sisteminin avantajları sisteme gerekli ısıyı sağlamak için güneş enerjisi ile birleştirildiğinde daha da artmaktadır. Güneş enerjisinin kullanımı ile elde edilebilecek güç çıkışı parabolik aynalar ile test edilmiştir. Metal oksitin seçimi sırasında gelecek vadeden malzemeler kinetik ve termodinamik olarak incelenmiştir. Uygulanabilir kimyasal döngü redoks çevrimlerinin CuO/Cu2O, Co3O4/CoO, ve Mn2O3/Mn3O4 çiftleri arasında yürütülebileceği tespit edilmiştir. Geçiş metal oksitleri arasında manganez oksitler ve kobalt oksitler çalışma sıcaklığı, oksijen ile tersinir etkileşim ve mekanik stabilite bakımından elverişli bulunmuştur. Oksijen taşıyıcıları üzerinde termogravimetrik analiz ile kapasite testleri yürütülmüştür. Tersinirlik ve su buharının indirgenmeye etkisini gözlemlemek için TGA'da muhtelif deneyler yapılmıştır. TGA'da elde edilen çalışma sıcaklıkları metal oksit dolgulu yatağında izotermal koşulda redoks döngü sistemi tasarlanmasına olanak sağlamıştır. Bu doğrultuda, metal oksit malzemelerin performansını laboratuvar ölçeğinde test etmek için özgün bir sistem tasarlanmış ve kurulmuştur. İzotermal şartlarda giriş gaz koşulu buhar olduğunda Mn2O3 indirgemeye uğramakta ve bir sonraki döngüde ise hava, indirgenmiş form olan Mn3O4'i oksitlemektedir. İndirgenme aşamasında bir başka seçenek olan metan beslendiğinde ise malzemenin MnO'e indirgenmesi mümkün olmaktadır. Sistem her bir çevrimde bir gram metal oksit başına yaklaşık 70-80 mL oksijen ve 250-280 mL nitrojen elde edilebilecek kapasiteye sahiptir. Fakat dolguda ve cam yünlerinde biriken suyun sebep olduğu kütle transferi direnci oksitlenme hızını sınırlamaktadır. Reaktöre giden boru yolunda buharın yoğunlaşmasını önlemek gelecekteki çalışmalara bırakılmıştır. Mevcut çalışma manganez oksitlerin kimyasal döngü hava ayrımı çevrimlerini oksitleyici olarak hava ve indirgeyici olarak buhar kullanarak neredeyse tam kapasitede çalıştırabileceğini göstermiştir. Böylelikle, oksitlenme sırasında azot eldesi ve indirgenme sırasında oksijen eldesi başarılmıştır. Sistem, üretilen azotun amonyak sentez reaktörüne beslenmesi ile amonyak sentezi için proses yoğunlaştırmasını mümkün kılmıştır.
Özet (Çeviri)
Chemical looping technologies using metal oxides are evaluated in this work to utilize and store solar energy. Chemical looping air separation (CLAS) process works on less energy compared to cryogenic air separation units. The advantages of CLAS intensify even more when coupled with solar energy to provide the required heat input to the system which is tested with parabolic dishes to observe the power output that can be obtained. During the selection of metal oxides, promising candidates were examined kinetically and thermodynamically. It was discovered that the feasible chemical looping redox cycles can be conducted between the couples CuO/Cu2O, Co3O4/CoO, and Mn2O3/Mn3O4. Manganese oxides and cobalt oxides are found favorable in terms of operating temperature, reversible interaction with oxygen, and mechanical stability. The capacity tests were performed with thermal gravimetric analysis. Several additional experiments were conducted in TGA to test the reversibility and the effect of water vapor on the reduction. Working temperatures observed in TGA enabled the design of a system to conduct redox cycles isothermally using metal oxide packed bed. Then, a unique experimental setup is designed and established in the laboratory to test the performance of the selected metal oxides. The results indicate that at isothermal operating conditions, changing the inlet gas condition to steam stimulates the Mn2O3 to reduce and air then reoxidizes the reduced form, Mn3O4, in the successive cycle. Another option in the reduction step is to feed methane, which causes further reduction to MnO. A cycle capacity of around 70-80 mL of oxygen and 250-280 mL of nitrogen per gram of metal oxide is obtained in steam reduction. However, the accumulation of water in the packing and quartz wool creates an additional mass transfer resistance and causes a reduction in the oxidation rate. The solution to prevent condensation of steam in the pipeline is left as a future work. This study demonstrates that manganese oxides can perform chemical looping air separation cycles at almost total capacity with oxidant as air and steam as the reducing gas. Thus, producing nitrogen during the oxidation, and oxygen during the reduction of the material. Enabling a process intensification for ammonia synthesis by feeding produced nitrogen into the ammonia reactor.
Benzer Tezler
- Investigation of novel ammonia production options using photoelectrochemical hydrogen
Başlık çevirisi yok
YUSUF BİÇER
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiUniversity of Ontario Institute of TechnologyPROF. DR. İBRAHİM DİNÇER
- Fizikokimyada mathematica® uygulamaları
Applications of mathematica® in physical chemistry
BERNA TOLUK
- Ammonia synthesis reaction under time interrupted conditions
Zaman kesintili şartlar altında amonyak sentez reaksiyonu
MUSTAFA YASİN ASLAN
Doktora
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ ÜNER
- Electrochemical ammonia synthesis via nitrate reduction over lithium incorporated CeO2
Lityum döşenmiş CeO2 ile, elektrokimyasal yöntemle nitrat indirgenmesi üzerinden amonyak sentezi
MERT CAN KORKUTAN
- Çok yataklı amonyak sentez reaktörünün iki boyutlu (Eksenel radyal) modellenmesi
Two dimensional (Anial-radial) modeling of ammonia synthesis reactor
HALİL İBRAHİM ÜNAL
Doktora
Türkçe
1997
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN GÜLTEKİN