Thermodynamic analysis of hydrogen production with oxidative steam reforming of renewable ethanol-butanol mixture in membrane reactor
Yenilenebilir etanol-bütanol karışımının membran reaktörde oksidatif buhar reformlanması ile hidrojen üretiminin termodinamik analizi
- Tez No: 928135
- Danışmanlar: PROF. DR. MELEK TÜTER, PROF. DR. ŞEYMA AYDINOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Dünyada fosil yakıt kaynaklarının azalmasıyla birlikte yaşanan enerji kriziyle birlikte farklı enerji kaynakları arayışı hızla artmaktadır. Yakıt ve enerji taşıyıcısı olarak hidrojen, temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına geçiş için önemli bir potansiyele sahiptir. Hidrojen enerjisi, çevre kirliliği, karbon ve diğer emisyonlar, doğal kaynakların tükenmesi ve küresel çevre, sağlık ve toplum sorunları gibi kritik sorunlara uygun ve kalıcı bir çözüm olarak kabul edilmektedir. Hidrojenin evrendeki en bol bulunan element olması, hafif olması, kalorifik değerinin yüksek olması, yenilenebilir, sürdürülebilir ve temiz bir enerji olması gibi birçok avantajı bulunmaktadır. Fosil yakıtlar gibi diğer enerji kaynaklarının aksine hidrojen herhangi bir kirliliğe neden olmaz ve yakıt hücrelerinin ürettiği tek yan ürün saf sudur. Hidrojenin tüm bu avantajları ve temiz enerjiye olan acil ihtiyaç, dünyayı hidrojen enerjisine geçiş için stratejik planlama ve Ar-Ge çalışmalarına odaklanmaya yöneltmiştir. Günümüzde en yaygın kullanılan hidrojen üretim yöntemi buhar reformasyonudur ve küresel hidrojen üretiminin neredeyse %50'sini sağlamaktadır. Yenilenebilir kaynaklardan yeşil hidrojen üretimi çevresel etki açısından kritik öneme sahip olsa da bu teknolojilerin kullanımı bugün fosil bazlı reform yöntemlerine kıyasla çok düşüktür ve geliştirilmesi için uzun bir yol kat edilmesi gerekmektedir. Bu nedenle araştırmacılar özellikle hammadde olarak biyo-yenilenebilir enerji kaynakları veya biyoyakıt kaynakları kullanan yeni çevre dostu hidrojen üretim teknolojilerinin geliştirilmesine odaklanmışlardır. Hidrojen, enerji depolama ve taşıma için bir seçenek olabilir. Yenilenebilir enerji kaynakları, özellikle güneş ve rüzgar enerjisi, düzenli aralıklarla üretildiklerinde ancak talep görmediklerinde depolanmaları gerekir. Hidrojen, bu amaçla kullanılabilecek bir enerji depolama yöntemi olarak öne çıkar. Hidrojen, elektrik enerjisine dönüştürülebilir ve daha sonra hidrojen yakıt hücreleri aracılığıyla elektrik enerjisi olarak geri dönüştürülebilir. Doğal gaz kullanmak yerine, biyo-etanol, bütanol veya gliserol gibi yenilenebilir kaynaklardan hidrojen üretimi, sürdürülebilir enerji elde etmek açısından önemlidir. Diğer substratlarla karşılaştırıldığında, n-bütanol, etanol veya metanol gibi hidrokarbonlar, daha yüksek hidrojen içeriği, daha düşük buhar basıncı, daha fazla su toleransı ve mevcut yakıt dağıtım boru hatlarında doğrudan kullanılabilme gibi çeşitli avantajlar sunmaktadırlar. Ek olarak, etanolün daha düşük reformasyon sıcaklığı, yerleşik üretimi ve altyapısı nedeniyle daha düşük maliyetler, daha kolay kullanım, daha düşük karbon ayak izi gibi birçok avantajı vardır. Hidrojen üretimi için etanol ve bütanol karışımının kullanılması, doğal gaza göre daha yüksek hidrojen verimi, daha düşük toksisite, azaltılmış enerji gereksinimleri ve daha sürdürülebilir bir hammadde dahil olmak üzere çeşitli avantajlara sahiptir. Karışım ayrıca iyileştirilmiş katalizör performansı ve daha iyi enerji yoğunluğu sunarak çok yönlü ve verimli bir alternatif haline getirir. Ayrıca, etanol ve bütanolün yenilenebilir kaynaklardan elde edilebilmesi, yeşil hidrojen üretme çabalarında hayati önem taşıyan daha düşük karbon ayak izine katkıda bulunmaktadır. Hidrokarbon yakıtlar, buhar reformasyonu (SR), kısmi oksidasyon (PO) ve oksidatif buhar reformasyonu (OSR) gibi işlemlerle hidrojene dönüştürülebilir. Maliyet etkinliği, ölçeklenebilirlik, büyük hacimlerde hidrojen üretme yeteneği, endüstriyel ölçekte kolay uygulanabilirlik, hammadde bulunabilirliği ve entegrasyon kolaylığı gibi birçok avantajı nedeniyle buhar reformasyonu günümüzde en çok tercih edilen hidrojen üretim yöntemidir. SR ayrıca, Karbon Yakalama ve Depolama Sistemleri (CCS) ile eşleştirilmediği takdirde CO₂ emisyonları ürettiği için özellikle karbon ayak izi olmak üzere önemli dezavantajlara sahiptir. Kısmi oksidasyon, hidrokarbonların sınırlı miktarda oksijenle reaksiyona girmesini ve hidrojen, karbon monoksit ve diğer gazların bir karışımını üretmesini içerir. POX, daha hızlı başlatma ve daha hızlı geçici tepki süreleri gibi avantajlar sağlayan hızlı, ekzotermik bir işlemdir. Ancak, hidrojen verimi buhar reformuna (SR) kıyasla önemli ölçüde daha düşüktür. Hem çevre dostu hidrojen üretimi elde etmek, hem de yüksek hidrojen verimliliği elde etmek için, hammadde olarak biyo yenilenebilir enerji kaynaklarını veya biyoyakıtları etkili bir şekilde kullanan yeni yöntemler geliştirmek ve uygulamak gerekmektedir. Oksidatif buhar reformasyonunda hem su buharı hem de oksijen, hidrokarbon yakıtını yakıt hücreleri için uygun hidrojen açısından zengin bir yakıt akımına dönüştürmek için oksidanlar olarak birlikte beslenir. Böylece, ekzotermik kısmi oksidasyon reaksiyonu, endotermik buhar reformu için gereken ısıyı sağlar. Aynı zamanda, SR proses beslemesine O2 eklenmesi, hidrokarbon yakıtın oksidasyonuna yol açar; bu, harici bir ısı kaynağına olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve karbon oluşumunu en aza indirmeyi sağlar. Membran sistemleri, önemli verimlilik ve performans iyileştirme potansiyeli sunarak, geleneksel sistemlere göre giderek daha güçlü bir alternatif olarak kabul edilmektedir. Membran reaktörlerde, membran, reaktanları ürünlerden ayıran ve belirli moleküllerin reaksiyon odasına nüfuz etmesine izin veren fiziksel bir bariyer görevi görür. Membran reaktörler, kimyasal reaksiyonu membran ayırma prosesiyle birleştirir. Bu kombinasyon, reaktanların eş zamanlı dönüşümünü ve ürünlerin membran üzerinden seçici olarak ayrılmasını sağlar; böylelikle termodinamik limitler aşılır ve çok daha yüksek verimlilikte hidrojen üretimi elde edilebilmektedir. Bu nedenle bu çalışmada, etanol-bütanol karışımından membran reaktör ile oksidatif buhar reformasyonu ile hidrojen üretimi, hem prosesin enerji ihtiyacını en aza indirmek hem de hidrojen verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için incelenmiştir. Tüm bu avantajlar nedeniyle, bu çalışmada geleneksel reaktörler ile birlikte membran reaktörler çalışılmış ve kıyaslanmıştır. Bu çalışmanın amacı etanol-bütanol karışımından H2 üretimi için optimum koşulları belirlemek ve her iki reaktörde sıcaklık, buhar/karbon oranı (fO1), O2/karbon oranı (fO2), etanol/bütanol oranı parametrelerinin H2 üretimi ve proses verimliliği üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu parametrelerin H2 verimi (%), H2/yakıt oranı, H2O dönüşümü, CO, CO2, CH4 verimleri (%), C oluşumu ve entalpi değişimi (ΔH) üzerindeki etkileri konvansiyonel ve membran reaktörler için araştırılmış ve karşılaştırılmıştır. Hidrojen verimini artırma, süreci optimize etme ve karbon ayak izini azaltma hedeflerine dayanarak, yenilenebilir bir etanol-bütanol karışımından oksidatif buhar reformu ile hidrojen üretiminin termodinamik analizi yürütülmüştür. Konvansiyonel reformer ve membran reaktör prosesleri Aspen Plus yazılımı kullanılarak simüle edilmiştir. Sıcaklık, buhar/yakıt oranı, oksijen/yakıt oranı ve etanol-bütanol oranı parametrelerinin hidrojen verimliliği, H2O dönüşümü, CO, CO2, CH4 verimliliği, karbon oluşumu ve prosesin entalpi değişimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Her iki proses için de bu parametreler incelenmiş ve sonuçlar irdelenmiştir. Gibbs reaktör ve membran reaktör proseslerinin optimum proses koşulları belirlenmiştir. Termodinamik analiz hesaplamaları Gibbs Minimizasyon Yöntemi ile yapılmıştır. Birden fazla eş zamanlı tepkimenin olduğu sistemlerde denge hesaplamaları Gibbs Serbest Enerji Minimizasyonu (GFE) yaklaşımı kullanılarak yapılır. Toplam Gibbs Serbest Enerjisinin minimizasyonu, bir tepkime sisteminin denge bileşimini değerlendirmek için uygun bir yöntemdir. Toplam GFE en küçük değerine ulaştığında ve diferansiyeli belirli bir basınç ve sıcaklıkta sıfıra eşit olduğunda, tepkime veren sistem bu tekniğe göre termodinamik olarak elverişlidir. Elde edilen sonuçlara göre sıcaklık ve buhar/karbon oranı artışının her iki reaktör tipinde de H2 verimi ve H2O dönüşümünü pozitif yönde etkilediği görülmektedir. Membran reaktörde H2 üretimi ve H2O dönüşümü fO1=5'te maksimuma ulaşmaktadır. Konvansiyonel reaktörde maksimum H2 verimi T=800 oC'de %91,43'e ulaşırken, membran reaktörde %92,7 hidrojen verimi T=500 oC'de ulaşmaktadır. Her iki reaktörde de sisteme O2 verilmesi H2 verimini düşürse de kok oluşumunu azaltarak prosesin enerji gereksinimini düşürmüştür. Konvansiyonel reaktörde termal nötr bölgeye fO2 1-2 değerleri arasında ulaşılırken, membran reaktörde bu bölgeye fO2 0-1 değerleri arasında ulaşılmaktadır. Yüksek fO1 değerlerinde (fO1>5) kok oluşumu gözlenmemektedir. Konvansiyonel reaktörde CO ve CH4 verimleri yüksek iken MR'da CO ve CH4 tamamen tüketilmekte ve verimler çok düşük olmaktadır. Yine MR'da CO2 verimi konvansiyonel reaktörden daha yüksektir. Membran reaktör prosesi ile konvansiyonel Gibbs reaktör proseslerine göre çok daha yüksek hidrojen verimliliği elde edildiği ve enerji ihtiyacının konvansiyonel reaktöre göre çok daha düşük olduğu görülmüştür. Konvansiyonel Gibbs reaktöründe 800 oC'nin üzerinde %91.43 hidrojen verimliliği elde edilirken, membran reaktöründe %93.7 H2 verimliliğine 500 oC'de ulaşılmıştır. H2O dönüşümü oranları da paralel şekilde olup, konvansiyonel reaktörde 96.8% iken, MR reaktörde %97.9'dur. Genel olarak, bu çalışmanın sonuçlarına göre, membran reaktör süreci hem yüksek enerji verimliliği hem de düşük karbon ayak izi ile çok daha yüksek verimli hidrojen üretimine olanak tanır. Ancak, bu sistemlerin yüksek ilk yatırım maliyetleri, membran sınırlamaları ve yeni bir teknoloji olması gibi dezavantajları olması nedeniyle büyük ölçekteki kullanımının yaygınlaşması için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulmaktadır.
Özet (Çeviri)
With the energy crisis due to the decrease in fossil fuel resources in the world, the search for different energy sources has been increasing rapidly. Hydrogen, as a fuel and an energy carrier, has significant potential for the transition to clean and renewable energy sources. The most widely used hydrogen production method today is steam reforming. Although green hydrogen production from renewable sources is critical in terms of environmental impact, the use of these technologies today is very low compared to fossil-based reforming methods and a long way is required for its development. Therefore, researchers have particularly focused on the development of new environmentally friendly hydrogen production technologies using bio-renewable energy sources or biofuel sources as raw materials. Hydrocarbon fuels can be converted to hydrogen through processes such as steam reforming (SR), partial oxidation (PO) and oxidative steam reforming. In oxidative steam reforming, both water vapor and oxygen are fed together as oxidants to convert hydrocarbon fuel into a hydrogen-rich fuel stream suitable for fuel cells. Thus, the exothermic partial oxidation reaction provides the heat required for endothermic steam reforming. Unlike conventional reformers, it is possible to exceed thermodynamic limits with membrane reactors, thus much higher efficiency can be achieved. Therefore, in this study, hydrogen production by oxidative steam reforming from ethanol-butanol mixture with a membrane reactor is studied to both minimize the energy need of the process and maximize the hydrogen efficiency. Conventional reformer and membrane reactor processes are simulated using Aspen Plus software. The effects of temperature, ethanol-butanol ratio, steam-fuel ratio, and oxygen-fuel ratio parameters on hydrogen efficiency are examined. Optimum process conditions for both processes are determined. Thermodynamic analysis calculations are made with Gibbs Minimalization Method. According to the results of the study, it is seen that higher hydrogen efficiency is achieved with the membrane reactor process in lower temperatures. In the conventional reactor, 91.43% hydrogen efficiency is achieved above 800 oC, while 93.7% H2 efficiency is achieved in the membrane reactor at 500 oC. H2O conversion rates are also parallel, 96.8% in the conventional reactor and 97.9% in the MR reactor. Unlike the conventional reactor, CH4 and CO are completely consumed in the MR process. Also, energy requirements are lower than in the conventional reactor.
Benzer Tezler
- 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 reforming and partial oxidation of acetic acid and acetone
Asetik asit ve asetonun su buharı reformlama ve oksidatif su buharı reformlama proseslerinin termodinamik analizi
BÜŞRA GONCA KIZILPELİT
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU
PROF. DR. ŞEYMA AYDINOĞLU
- 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
- Experimental investigation of an integrated solar driven wastewater treatment system for trigeneration applications
Başlık çevirisi yok
MURAT EMRE DEMİR
Doktora
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiUniversity of Ontario Institute of TechnologyPROF. DR. İBRAHİM DİZER
- Chevrel faz bileşiklerinin hidrojen üretim potansiyellerinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile incelenmesi
Investigation of hydrogen production potentials of Chevrel phase compounds by density functional theory
TUĞÇE SEVİNÇ DAĞ
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASEMİN ÇİFTCİ
DOÇ. DR. GÖKHAN SÜRÜCÜ