Biyokütle temelli levulinik asit kullanılarak etil levulinat üretimi için alternatif proseslerin tasarımı ve ekonomik analizi
Design and economic analysis of alternative processes for the production of ethyl levulinate using biomass-based levulinic acid
- Tez No: 931574
- Danışmanlar: PROF. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Dünya genelinde enerji talebinin karşılanması için petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtların kullanımı tarih boyunca gerek kolay tedarik edilmeleri gerekse nispeten düşük maliyetleri ve aynı zamanda çoğu kimyasal ile sentetik ürünün üretiminde rol oynamaları nedeniyle tercih edilmekteydi. Dünya nüfusundaki hızlı artış kaynakların tükenmesine sebep olacağı ve azalan kaynaklar talebi karşılayamayacağından dolayı mevcut enerji kaynaklarının güncel tüketim hızıyla 50 yıl daha yeterli geleceği öngörülmektedir. Ayrıca kaynakların sınırlı olması maliyetlerinde de artışa sebebiyet vermektedir. Dahası, özellikle ulaşım sektöründe yakıt olarak kullanılan fosil kaynaklar yanma sonrası meydana getirdikleri çeşitli gazlarla asit yağmuru ve sera gazı oluşumu gibi olumsuz çevresel etkilere neden olmaktadır. Bu durumun uzun vadede küresel ısınma ve dolayısıyla küresel iklim değişikliği ile sonuçlanması beklenmektedir. Belirtilen tüm etkenler birlikte değerlendirildiğinde fosil yakıtlara yenilenebilir, ekonomik olarak rekabetçi ve kolay bulunabilen alternatifler aranmaktadır. Yapılan araştırmalar sonucunda alternatif bir yakıt katkı maddesi olarak yüksek oksijen içeriğine sahip etil levulinatın, diğer potansiyel yakıt katkı maddelerine kıyasla daha yüksek enerji sağladığı görülmektedir. Etil levulinat üretiminde hammadde olarak Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı tarafından açıklanan biyokütleden elde edilebilen ve yenilenebilir on iki biyo–bazlı platform kimyasalından biri olan levulinik asidin kullanılması da diğer yakıt katkı maddeleri arasında etil levulinatın tercih edilmesinin nedenlerindendir. Literatürdeki çalışmalarda lignoselülozik biyokütleden üretilen levulinik asidin saflaştırılması ve levulinik asitten etil levulinat üretilmesi iki ayrı proses olarak incelenirken, bu çalışmada literatürdeki benzerlerinden farklı olarak her iki prosesin birleştirildiği iki farklı hibrit proses tasarımı önerilmiş ve bu prosesler ekonomik açıdan optimize edilmiştir. Önerilen bu proses konfigürasyonlarında, sistemde bulunan suyun saf etilen oksitle reaksiyona girerek tüketilmesiyle etanol, furfural ve formik asit ile oluşturduğu azeotropların ortadan kaldırılması ve bunun beraberinde katma değerli bir yan ürün olan etilen glikol üretilmesi çalışmanın yenilikçi yanıdır. Önerilen proses tasarımlarına ait simülasyon çalışmaları Aspen Plus V12.1 programıyla gerçekleştirilirken, sıvı–sıvı ekstraksiyon ünitesi“Extract”modeliyle, distilasyon kolonları ise“RadFrac”modeliyle simüle edilmiştir. Sistemdeki kimyasalların birbirleriyle olan etkileşimlerini tanıtmak için NRTL–HOC termodinamik modeli kullanılmıştır. Prosesin besleme akımı debisi saatte 90000 kg olup, içeriğinde ağırlıkça %3 formik asit, %4 furfural, %7 levulinik asit ve %86 su bulunmaktadır. Önerilen her iki proses konfigürasyonunda da ekstraktör, besleme akımında bulunan suyun ağırlıkça %96'sının ekstraktta ve levulinik asidin %97'sinin rafinatta geri kazanılması amacıyla tasarlanmış ve çözücü olarak furfural tercih edilmiştir. Prosesin nihai amacı ağırlıkça %99,5 saflıkta etil levulinat eldesidir. Bu amaçla, önerilen ilk proses tasarımında ekstraktör dışında iki reaktif ve üç geleneksel distilasyon kolonu kullanılmıştır. Bu proseste ekstraktörden sonraki ilk kolon olan geleneksel distilasyon kolonunda levulinik asit saflaştırılmış ve etil levulinat üretilen reaktif distilasyon kolonuna beslenerek istenilen saflıkta etil levulinat üretimi gerçekleştirilmiştir. Devamında bu iki distilasyon kolonundan alınan ve su içeren akımlar bir karıştırıcıda toplanarak etilen glikol üretiminin gerçekleştiği diğer bir reaktif distilasyon kolonuna gönderilmiştir. Burada suyun saf etilen oksit ile reaksiyona girmesiyle etilen glikol elde edilmesinin yanı sıra sistemdeki su ile oluşan etanol–su, furfural–su ve formik asit–su azeotropları da ortadan kaldırılmıştır. Prosesi oluşturan ekipmanların minimum toplam yıllık maliyeti sağlayacak şekilde tasarlanmasının ardından tüm sonuçlar bir araya getirildiğinde, proses konfigürasyonu 1 için toplam yıllık maliyet 22.864.560,77 $ olarak bulunmuştur. Bu proses konfigürasyonunda karşılaşılan sıkıntılar gözetilerek yapılan iyileştirmelerle ikinci bir alternatif proses konfigürasyonu önerilmiştir. Önerilen proses konfigürasyonu 2 de ağırlıkça %99,5 saflıkta etil levulinat üretimi hedefiyle başlangıçtaki ekstraktör dışında iki reaktif ve iki geleneksel distilasyon kolonu kullanılarak tasarlanmıştır. Bu konfigürasyonda, ekstraktör çıkışındaki su prosesin başlangıcında saf etilen oksit ile reaksiyona sokularak tüketilmiş ve bu sırada ağırlıkça %85 saflıkta ticari kullanımı olan formik asit elde edilmiştir. Akabinde sırasıyla iki geleneksel distilasyon kolonu kullanılarak levulinik asit, etilen glikol ve furfural bileşenleri saflaştırılmıştır. Etil levulinat üretimi ise prosesin son ekipmanı olan bir reaktif distilasyon kolonunda gerçekleştirilmiştir. Önerilen proses konfigürasyonu 2 için yapılan ekonomik analizde, toplam yıllık maliyet 9.737.319,12 $ olarak hesaplanmıştır. Sonuç olarak çalışılan proses konfigürasyonları karşılaştırıldığında, önerilen ikinci proses konfigürasyonunun toplam yıllık maliyet açısından ilk proses konfigürasyonuna göre %57,41 iyileştirme sağladığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The use of fossil fuels such as oil and natural gas to provide energy demand around the world has been preferred throughout history due to their ease of supply, relatively low cost, and their role in the production of most chemicals and synthetic products. It is predicted that the existing energy resources will last for another 50 years at the current rate of consumption, since the rapid growth of the world's population will cause these resources to be depleted and the diminishing resources will not be able to provide the demand. In addition, the limited resources lead to an increase in their costs. Moreover, the use of fossil fuels, particularly in the transport sector, has negative environmental effects such as acid rains and the formation of greenhouse gases from the various gases such as carbon dioxide, carbon monoxide, methane, nitrogen oxides and sulphur oxides produced when they are burned. This condition is expected to lead to global warming and in the long term, global climate change. When all these factors are considered together, the search is on for renewable, economically competitive and easily accessible alternatives to fossil fuels. As a result of the research, ethyl levulinate, which has a high oxygen content as an alternative fuel additive, was found to provide more energy than other potential fuel additives. At the same time, as announced by the United States Department of Energy, levulinic acid is one of the twelve bio-based platform chemicals that can be derived from biomass, and can be used as the raw material in the production of ethyl levulinate. This is one of the reasons why ethyl levulinate is preferred among the recommended fuel additives. While the purification of levulinic acid produced from lignocellulosic biomass and the production of ethyl levulinate from levulinic acid have been studied as two different processes in the literature, this study proposed two hybrid process configuration alternatives combining both processes, and optimized these configurations economically. In addition, an innovative aspect of the study is the consumption of water by reacting it with pure ethylene oxide feed to eliminate the azeotropes formed with ethanol, furfural and formic acid, and to produce ethylene glycol as a value added by-product. Simulation studies of the proposed process configurations were carried out by using Aspen Plus V12.1 program, where the liquid–liquid extraction unit was simulated by using the“Extract”model and the distillation columns were simulated by using the“RadFrac”model. The NRTL–HOC thermodynamic model was used to introduce the interactions of components in the system with each other. The flowrate of the feed stream is 90,000 kg per hour, and it contains 3% formic acid, 4% furfural, 7% levulinic acid and 86% water by weight. Although two different process configurations have been studied to achieve the specified goals, the extractor is a common equipment for both process configurations proposed, and has been preferred in removing large amounts of water from the feed stream. Furfural which is one of the components in the feed stream was selected as a solvent to extract the organic phase from the feed stream. The aqueous phase of the extractor, which consists mainly of water, was removed from the feed stream as an extract. The levulinic acid, formic acid and furfural present in the feed stream were transferred to the raffinate phase. The extractor was designed for a recovery of 97 wt.% levulinic acid from the raffinate and 96 wt.% water from the extract. It was concluded that an extractor with a solvent:feed ratio of 1.15:1 and a number of trays of 20 was required to achieve the specified design objectives. In process configuration 1, ethyl levulinate with a purity of 99.5 wt.% was obtained by using two reactive and three conventional distillation columns besides the extractor. In this configuration, levulinic acid was first purified in a conventional distillation column and sent into a reactive distillation column where ethyl levulinate was produced at the desired purity. The water-containing streams from these two distillation columns were then collected in a mixer and sent to another reactive distillation column where water was consumed and ethylene glycol was produced. Here, in addition to produce ethylene glycol by reacting water with pure ethylene oxide, azeotropes in the system have also been eliminated by consumption of water. In this reactive distillation column where ethylene oxide reacts with water, ethylene glycol was produced at 99.5 wt.% purity with 99% conversion of the reactants. However, the remaining ethylene glycol that was not separated from the mixture in the column was transferred to the last conventional distillation column. The remaining ethylene glycol was recovered in the desired purity at the last column. The distillate stream from this reactive distillation column was fed to the next conventional distillation column. Due to the presence of mainly ethylene oxide and water, which were not converted to ethylene glycol in the previous reactive distillation column and caused impurities, the distillate stream of this conventional distillation column produced a mixture containing formic acid with a purity of 68 wt.%. A mixture consisting mostly furfural and ethylene glycol was separated into two different streams of high purity furfural recycled to the process and ethylene glycol in the last conventional distillation column. A number of design specifications were identified for each column. Economic analyses were carried out for the columns under the conditions determined the specified design objectives, and the case giving the lowest total annual cost was investigated. Conventional distillation columns were optimized by varying the location of the feed trays and the total number of trays, while reactive distillation columns were optimized by varying the location of the feed trays of each reactant, the starting and ending trays of the reactive zones and the total number of trays. Eventually, the total annual cost of process configuration 1 was found as $ 22,864,560.77 when the results of all columns were added together. As the result of observation of the deficiencies in process configuration 1, another process configuration was proposed as a second alternative. The process configuration 2 proposed was designed by using two reactive and two conventional distillation columns in addition to the extractor with the same aim of producing ethyl levulinate with a purity of 99.5 wt.%. The feed stream was fed into the extractor in order to exctract the excess water, and it was separated into two phases which were the aqueous phase rich in extract and the organic phase rich in raffinate as the process configuration 1. Since all the water in the feed stream could not be removed in the extractor, the remaining water was consumed by reacting it with pure ethylene oxide in a reactive distillation column at the beginning of the process flowsheet. The first reactive distillation column was also used to produce commercially usable formic acid with a purity of 85 wt.%. The conversion of the reactants 99.9% in the reaction of ethylene glycol production process prevented the formation of as many impurities as in process configuration 1, because the reactants were consumed more in this configuration, resulting in formic acid with a purity of 85 wt.%. Afterward, furfural recycled to the process with a purity of 99.9 wt.%, highly pure ethylene glycol, and levulinic acid were purified in two conventional distillation columns sequentially connected. The economic analyses investigated the case where the total annual cost is minimized by using the design variables adjusted to achieve the identified design objectives as in process configuration 1. The production of ethyl levulinate was carried out in a second reactive distillation column, which is the last equipment of the process. In the economic analysis of process configuration 2, the total annual cost of the process was calculated as $ 9,737,319.12. In conclusion, when both process configurations were compared in terms of total annual cost, it has been found that the process configuration 2 reduced the total annual cost by 57.41% compared to the process configuration 1.
Benzer Tezler
- Treatment of sugar industry wastewater by advanced oxidation processes in the presence of heterojunction catalysts supported on graphene-graphitic carbon nitride
Şeker endüstrisi atık sularının grafen/grafitik karbon nitrür destekli hetero-birleşik katalizörler varlığında ileri oksidasyon prosesleri ile arıtımı
GÜLEN TEKİN
Doktora
İngilizce
2020
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜHEYDA ATALAY
- Biyokütle temelli aktif karbonların elektrokimyasal çift tabaka kapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanımı
Use of biomass based activated carbons as electrode materials in electrochemical double-layer capacitors
İFFET IŞIL GÜRTEN İNAL
Doktora
Türkçe
2016
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEKİ AKTAŞ
- Biyokütle temelli aktif karbon destekli manyetik demir nanoparçacık (AC-Fe3O4 MNPs) sentezi, karakterizasyonu ve sulu ortamdan p-nitrofenolün heterojen fenton benzeri reaksiyon ile gideriminin araştırılması
Synthesis and characterization of biomass based activated carbon supported magnetic iron nanoparticle (AC-Fe3O4 MNPs) and investigation of the elimination of heterogeneous fenton-like reaction with p-nitrophenol from aqueous medium
AMANI ALDIRDEERY ALTAYEB SALIH
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Kimya MühendisliğiMersin ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYLA ÖZER
- Biyokütle temelli yüksek performans süperkapasitör elektrot malzemelerinin üretilmesi ve elektrokimyasal özelliklerinin araştırılması
Production of biomass-based high performance supercapacitor electrode materials and investigation of their electrochemical properties
YALÇIN ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiYozgat Bozok ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESRA YILDIZ
- Biyokütle temelli karbon yarı iletken enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesi ve diyot uygulamaları
Development of biomass based carbon semiconductive energy storage materials and diot applications
SÖZER SÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiRecep Tayyip Erdoğan ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKÇEN AKGÜL