FBE- Kimya Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/69

Gözat

Yazar "Atakül, Hüsnü" ile FBE- Kimya Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
  • Öge
    Bazı Türk Linyitlerinin Akışkan Yatakta Yanma Özellikleri Ve Aglomerasyonlarının İncelenmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, ) Hilmioğlu, Bilgin ; Atakül, Hüsnü ; Kimya Mühendisliği ; Chemical Engineering
    Bu çalışmada, Türkiye ‘nin önemli linyit rezervlerinden Beypazarı, Çan Soma, Tunçbilek ve Yatağan linyitlerinin atmosferik akışkan yataklı yakıcıdaki yanma davranımları incelenmiştir. Çalışma 10 cm çapında laboratuar ölçeğinde bir akışkan yatak kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Akışkan yatak sistemi bilgisayar kontrollü olup elde edilen bütün veriler bilgisayar ortamında saklanmış ve değerlendirilmiştir. Deneyler sırasında aktif yatak ve serbest bölge sıcaklıkları ile CO, NOx, SO2 ve O2 değerleri sürekli olarak ölçülmüştür. Kömürler 1.0-1.9, 1.9-2.7 ve 2.7-3.3 mm ‘lik fraksiyonlar şeklinde yakılmıştır. Kömürlerin yanma süreçlerinin özellikleri, önemli ölçülerde kömürlerin özellikleri tarafından etkilenmektedir. Özellikle kömürlerin kırılganlık özellikleri serbest bölgede yanmanın yoğunlaşmasına ve yanma kalitesinin düşmesine neden olmaktadır. Örneğin, diğer linyitlere kıyasla daha kırılgan olan Beypazarı linyitinin yandığı akışkan yataklarda sürüklenme çok fazla olmakta ve serbest bölge sıcaklıkları aktif yatak sıcaklıklarının aşabilmektedir. İncelenen kömürler için 700-900°C arasında akışkan yatakta kararlı yanma sağlanmaktadır. Akışkan yatakta 900°C ‘ın üstünde bütün kömürler için aglomerasyon eğilimi başlamaktadır. Aglomerasyon öncesinde bazı koşullarda, aglomerasyon ‘un bir aşaması olarak nitelendirilen ayrışma olayı görülmektedir. Ayrışma, kömür ve yatak malzemesinin boyut ve yoğunlukları, kömürlerin kırılganlık özellikleri ve anorganik yapıları ile operasyon hızından etkilenmektedir. Bütün bu özelliklerin her biri aglomerasyon ‘un ortaya çıkmasını belirli ölçülerde etkilemektedir. Kullanılan linyitler 870-1120°C arasında değişen sıcaklıklarda aglomerasyona uğramaktadırlar. Bu çalışmanın koşullarında aglomerasyona en yatkın olan kömür 870°C ‘a kadar düşen aglomerasyon sıcaklığı ile Beypazarı, en yüksek aglomerasyon sıcaklığına (1000-1120°C) sahip olan kömür ise Çan linyiti olmuştur. Kömürlerin aglomerasyon sıcaklıkları operasyon koşulları tarafından etkilenebilmektedir.
  • Öge
    Linyitlerin dolaşımlı akışkan yatakta hava, oksijence zengin hava ve oksiyanma ortamlarında yanma davranımlarının incelenmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Engin, Berrin ; Atakül, Hüsnü ; 10274596 ; Kimya Mühendisliği ; Chemical Engineering
    Bu çalışmada linyit kömürlerinin dolaşımlı akışkan yatakta (DAY) hava ile, oksijence zenginleştirilmiş hava (OZH) ile ve oksiyanma (OY) koşullarında yanma davranışları incelenmiştir. Havayla yapılan deneylerde, hava fazlalık katsayısı (HFK) 1.1 -1.4 (0.02) aralığında seçilmiştir. Oksijence zengin havayla yapılan yanma deneylerinde havadaki oksijen oranı %21-28 arasında değişmiştir. Oksiyanma çalışmaları ise geri döndürülen baca gazları (DBG)+ O2 karışımlarıyla gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, Türkiye'nin değişik bölgelerinden toplanmış toplam 19 adet linyit kömürü kullanılmıştır. Bu kömürler L1-L19 olarak kodlanmıştır. Havayla yapılan yakma çalışmalarında bütün kömürler, oksijence zengin hava ile yakma ve oksiyanma çalışmalarında ise ikişer kömür kullanılmıştır. Her üç yanma rejimi deneylerinde kullanılan kömürler Bursa-Orhaneli (L15) ve Manisa-Soma (L19) bölgelerinden alınan kömürlerdir. Yanma deneyleri 30 kW termal kapasitesindeki dolaşımlı bir akışkan yatak yakma sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sisteme bağlı bir ölçme ve kontrol ünitesi vasıtasıyla deneyler boyunca, sistem içerisinde değişik seviyelerdeki noktalarda sıcaklık ve basınç değişimleri ve hat üstü (on-line) çalışan iki gaz analiz sistemi kullanılarak baca gazı emisyonları tüm deneyler boyunca sürekli olarak ölçülmüş ve kaydedilmiştir. Hava ve yakıt besleme debileri yine bu sistem vasıtasıyla ayarlanmıştır. Kullanılan kömürler Van Krevelen grafiğinde linyitleri tanımlayan H/C (0.08-0.12) ve O/C (0.20-0.35) sınırları içerisinde kalmakta, ancak oldukça geniş bir dağılım göstermektedir. Kömürlerin yanma süreçleri yatışkın koşullara ulaşıldıktan sonra, yanma stabilitelerini test etmek amacıyla bu koşullarda uzun süre (>8 saat) devam ettirilmiştir ve herhangi bir sorunla karşılaşılmamıştır. Havayla gerçekleştirilen yanma sürecinde en düşük sıcaklıklar dağıtıcı elek civarında, en yüksek sıcaklıklar ise kömür besleme noktasının üstündeki bölgede ölçülmüştür. Benzer bir durum oksijence zengin havayla ve oksiyanma koşullarında gerçekleşen yanma deneylerinde de geçerlidir. Hava fazlalık katsayısındaki değişim sıcaklık profilinde önemli bir değişiklik yaratmamıştır. Ancak sıcaklık profili yanma ortamı tarafından etkilenebilmektedir. Oksijence zengin havayla gerçekleştirilen yanma sürecinde yüksek oksijen oranlarında yanma yoğunluğunun, havayla yanmaya kıyasla, daha alt bölgelere kaydığı görülmüştür. Sıcaklık profilinin üniformluk derecesini belirlemek için temel alınan ve yakıcıda ölçülen en yüksek ve en düşük sıcaklıklar arasındaki farkı gösteren TAY, havayla yanma sürecinde biri hariç diğer tüm kömürler için 30 - 80 oC gibi görece düşük olmuş ve dar bir aralıkta değişmiştir. Kömürlerin başlangıç deformasyon sıcaklıkları temel alındığında, güvenli yanma açısından en hassas ve en güvenli olan kömürler sırasıyla Kütahya -Ayvalı pano (L3) ve Çanakkale-Çan (L17) linyitleri olmuştur. Havayla yanma sürecinde NOx ve SO2 gibi ana kirleticiler hava fazlalık katsayısı (HFK) tarafından etkilenmektedir. HFK artıkça NOx emisyonlarında bir artma eğilimi ortaya çıkmıştır. NOx emisyonu, genel olarak 100-400 mg/Nm3 aralığında değişmiştir. Kömürlerin %30'u için ise emisyonlar 200 mg/Nm3 altında kalmıştır. Kömürlerin yanma sürecinde SO2 emisyonları L7, L8 ve L19 haricindeki kömürler için 1100-20000 mg/Nm3 ölçülmüş olup geniş bir aralıkta değişmiştir. L7, L8 ve L19 linyitlerinin yanma sürecinde baca gazlarındaki SO2 miktarı ölçülmeyecek derecede düşük olmuştur. En yüksek SO2 emisyonları en yüksek yanabilir kükürt içeriğine sahip olan L17 (Syanar: %6.15) ve L18 (Syanar: %3.23) linyitlerinin yanması sırasında ölçülmüştür. Genel olarak SO2 emisyonu kömürlerin yanar kükürt içerikleriyle uyumlu olmuştur. Yani kükürt miktarı artıkça SO2 emisyonları artmıştır. Bu kirleticilerin birim enerji başına ölçülen miktarları, yanma rejimi tarafından da etkilenebilmektedir. Her üç yanma rejiminde kullanılan iki kömür, Bursa-Orhaneli (L15) ve Manisa-Soma (L19) için ölçülen NOx emisyonları (mg/MJ) hava ve oksijence zengin havayla yanma rejimlerinde göreceli olarak bir birbirine yakın olurken, oksiyanma koşullarında önemli ölçülerde düşmüştür. Bu düşme Orhaneli ve Soma linyitleri için, uygulanan yanma koşullarında, sırasıyla %70-80 ve %50-60 aralığında değişmiştir. Benzer bir durum SO2 emisyonları için de geçerlidir. Oksiyanma koşullarında, Orhaneli kömürünün yanması sırasında gözlenen SO2 emisyonları (mg/MJ), havayla yanmaya göre yaklaşık % 58, OZH ile yanmaya göre ise yaklaşık %60 daha düşük olmuştur. Soma linyiti için ise SO2 emisyonu hiçbir koşulda ölçülecek seviyelere çıkmamıştır. Kömürlerin yanma verimi ise %85-95 aralığında değişmiştir Baca gazları geri döndürülerek kömürlerin oksiyanma süreci başarıyla gerçekleştirilmiştir. Bu süreçte baca gazlarındaki CO2 oranı O2/DBG karışımındaki oksijen oranı ile hızla yükselerek kuru temelde %96'ya kadar çıkarılabilmiştir.
  • Öge
    Sentez Gazından Sıvı Yakıt Üretimine Yönelik Alternatif Fıscher Tropsch Katalizörlerinin Geliştirilmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014-12-24) Baranak, Murat ; Atakül, Hüsnü ; 10059452 ; Kimya Mühendisliği ; Chemical Engineering
    Ham petrol fiyatlarının artmasına bağlı olarak, Fischer Tropsch (FT) sentezi günümüzde daha fazla ilgi çekmekte ve ekonomik olarak uygulanabilir hale gelmektedir. Ekonomik ve stratejik faktörlerde bu ilginin artmasına katkı sağlamaktadır. FT sentezinin en önemli kısıtlarından bir tanesi halen kullanılmakta olan katalizörlerin hedeflenen ürünlere, örneğin benzin aralığındaki hidrokarbonlara karşı olan seçiciliklerinin düşük olmasıdır. Geleneksel FT reaktörlerinde elde edilen hidrokarbon ürünler metandan kırk karbonlu hatta daha uzun hidrokarbonlara kadar değişen geniş bir dağılım göstermektedir. Seçicilik problemini aşabilmek için, FT reaktörleri uzun zincirli vaks üretimini maksimize edecek şartlarda çalıştırılmaktadırlar. FT reaktörü sonrasında uygulanan ürün iyileştirme aşamasında ise elde edilen ham sıvı ürün (“syn-crude”) parçalama, izomerizasyon... vb. çeşitli operasyonlardan geçirilerek benzin, dizel ve çeşitli kimyasallara dönüştürülmektedir. FT reaktöründe seçiciliğin arttırılması ve bu iki aşamalı prosesin tek aşamada gerçekleştirilebilmesi, FT aktif katalizörlerle hidroizomerizasyonu/parçalamayı gerçekleştirme özelliklerine sahip katalizörlerinin bir arada kullanılması yoluyla sağlanabilir. Zeolitler, FT reaktörlerine bu ikinci katalitik fonksiyonun eklenmesi amacıyla kullanılabilecek katalitik malzemelerin başında gelir. FT aktif metaller (demir, kobalt) ile zeolitin birlikte kullanıldığı katalizörlerde; aktif metali FT reaksiyonları vasıtasıyla hidrokarbon zincirlerinin oluşmasını sağlar, zeolit ise parçalama ve izomerizasyon reaksiyonları yoluyla oluşan hidrokarbonların zincir uzunluğunu düzenler. Bunun yanı sıra, zeolit kanalları içerisinde gerçekleşen reaksiyonlar sonucunda ortaya çıkan ürünlerin zincir uzunlukları doğal olarak kanal boyutlarıyla sınırlanmış olmaktadır. Bu iki katalitik fonksiyona birden sahip olan bu katalizörler “bi-fonksiyonel (bi-functional)” katalizörler olarak isimlendirilmektedir. Bu tez çalışmasında, sıvı ürünler, özellikle benzin grubu hidrokarbonlara karşı yüksek seçiciliğe sahip alternatif FT katalizörlerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada zeolit destekli demir bazlı FT katalizörleri üzerine yoğunlaşılmıştır. Tez temel olarak iki tip çalışmayı içermektedir: i. Deneysel çalışma. ii. Proses simülasyonu. Deneysel çalışmada, demir ve çeşitli zeolitler kullanılarak bi-funsiyonel zeolit-destekli katalizörler sentezlenmiş ve incelenmiştir. Çalışmada destek malzemesi olarak ZSM-5 (Z), mordenit (M), beta (B), Zeolit Y (Y) ve ferrierite (F) olmak üzere beş farklı tip zeolit kullanılmıştır. Sentezlerde, silika alümina oranları farklı iki farklı tip Zeolit Y kullanılmıştır. Bu kapsamda, altı tanesi bi-fonksiyonel biri baz demir (desteksiz) olmak üzere, toplam yedi adet katalizör sentezlenmiş, karakterize edilmiş ve bunların FT sentezindeki performansları incelenmiştir. Sentezlenen katalizörler kullanılan zeolitin tipine bağlı olarak SFeZ, SFeM, SFeB, SFeF, SFeY5, SFeY80 ve BFe (baz demir) olarak isimlendirilmiştir. Sentezlenen katalizörler, XRD, BET, ICP, SEM ve TGA gibi çeşitli analiz yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Sentezde kullanılan taze zeolitlerin asiditeleri n-bütil amin desorpsiyonu TGA yöntemi ile belirlenmiştir. FT sentezinden elde edilen gaz ve sıvı faz ürünlerinin bileşim analizleri gaz kromatografi cihazları kullanılarak yapılmıştır. Katalizörlerin FT aktivite/performans testleri ise basınçlı sabit yatak tipi bir reaktör kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın bir bölümünde, katalizör testleri sabit basınç ve önceden belirlenmiş bir gaz bileşimi için üç farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlara göre, sentezlenen bütün katalizörlerin FT sentezinde aktivite gösterdikleri belirlenmiştir. Ancak katalizörlerin aktivite dereceleri, beklendiği gibi farklı olmuştur. Kullanılan zeolitin tipi ve yapısının katalizörlerin aktivite ve seçiciliklerini etkiledikleri görülmüştür. Sonuçlar, sentezlenen zeolit destekli demir katalizörlerin baz demir katalizöre kıyasla daha yüksek FT akitivitesi, daha düşük CO2, vaks ve hafif hidrokarbon seçiciliği, daha yüksek benzin grubu hidrokarbon seçiciliği ve daha düşük aktif metal gereksinimi gibi önemli avantajlara sahip olduğunu göstermiştir ZSM-5 destekli demir katalizör (SFeZ) benzin aralığındaki hidrokarbonlara karşı en yüksek seçiciliği gösterirken, en yüksek dönüşüm değerleri beta destekli katalizörlerden (SFeB) elde edilmiştir. ZSM-5 destekli katalizörle yürütülen FT sentezinden benzin aralığındaki hidrokarbonların üretilen tüm hidrokarbon ürünler içindeki oranı %74 olarak saptanmıştır. Tezin ikinci bölümünde, ZSM-5 içerikli demir bazlı katalizörler üzerinde yoğunlaşılmıştır. Çalışma kapsamında katalizörler iki farklı yöntem kullanılarak sentezlenmiştir: i. impregnasyon, ii. fiziksel karışım. Farklı demir yükleme oranlarına sahip (%4, %9, %18) katalizörler sentezlenmiş ve test edilmiştir. Bunun yanı sıra, taze ZSM-5 zeolitine seçici yüzey de-alüminasyonu işlemi uygulanmış ve elde edilen de-alümine zeolit destekli demir esaslı FT katalizörün sentezinde kullanılmıştır. Sentezlenen katalizörler yine daha önce belirtilen yöntemler kullanılarak karakterize edilmişlerdir. Sıcaklık, basınç, boşluk hızı, sentez gazının bileşimi gibi parametreler temel alınarak katalizörlerin FT sentezi aktiviteleri testleri değişik koşullarda gerçekleştirilmiştir. ZSM-5 destekli katalizörler emdirme yöntemiyle, hibrit katalizörler ise ZSM-5 ile baz demirin fiziksel olarak karıştırılması yoluyla sentezlenmiştir. Katalizörlerin performansları aktivite, seçicilik ve hidrokarbon üretimleri temel alınarak karşılaştırılmıştır. Katalizörlerin katalitik aktivitelerinin katalizör sentez yöntemi, katalizörlerin demir oranı ve reaksiyon işletme koşullarından önemli ölçüde etkilendiği gözlenmiştir. Sentezlenen bütün katalizörler 553 K’de %40’ın üzerinde bir CO dönüşümü sağladığı görülmüştür. Emdirme yöntemi ile hazırlanan katalizörlerle gerçekleştirilen FT sentezlerinde üretilen sıvı ürünlerde benzin aralığındaki hidrokarbonların oranı %50 ile % 74 arasında değişirken, hibrit katalizörde bu oranı %45 olarak saptanmıştır. Zeolit içerikli katalizörler ile yapılan sentezlerde vaks oluşumu gözlenmemiştir. De-alümine edilmiş ZSM-5 kullanılarak sentezlenen demir bazlı katalizör, benzin aralığındaki hidrokarbonlara karşı, aynı oranda demir içeren ZSM-5 destekli katalizöre göre daha yüksek bir seçicilik göstermiştir. Katalizördeki demir oranını artması, beklenildiği gibi katalizör aktivitesinin artmasını sağlamıştır. Sıcaklık ve basıncın artışı ile boşluk hızının düşüşü de, aynı şekilde, reaksiyon aktivitesinin artmasına yol açmıştır. Basınç artışının hidrokarbon seçiciliğini ağır hidrokarbonlara kaydırdığı, boşluk hızının ise incelenen koşullarda seçicilik üzerinde etkili olmadığı görülmüştür. %9 demir içeren katalizör ile 260 saat süren bir ömür testi gerçekleştirilmiş ve test boyunca kaydadeğer bir aktivite kaybı gözlenmemiştir. Bi-fonksiyonel FT katalizörleri kullanan FT tesisleri için optimum proses tasarımı ile işletme şartlarının belirlenebilmesi amacıyla, tez kapsamında bir proses simülasyonu çalışması yapılmıştır. Üç farklı kömürden benzin üretim prosesinin benzetimi yapılarak, proseslerin performansları parametrik olarak incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. İncelenen prosesler şunlardır: 1. Tek geçişli kömürden benzin üretim prosesi (CTL-OT), 2. Artık gazın FT reaktörüne geri beslendiği kömürden benzin üretim prosesi (CTL-RC), 3. Artık gazın sentez gazına dönüştürülerek geri beslendiği kömürden benzin üretim prosesi (CTL-RC-SR). İncelenen bütün prosesler sentez gazı üretimi, gaz temizleme ve FT sentezi gibi temel proses aşamalarından oluşmalarına rağmen, FT artık gazının değerlendirilmesi ve hedeflenen son ürünler (elektrik, benzin vb.) açısından birbirlerinden ayrılmaktadırlar. Simülasyon çalışmasının sonuçları, bi-fonksiyonel FT katalizörlerinin yüksek benzin seçiciliğine sahip olmaları sayesinde, FT prosesinden ürün iyileştirme (product up-grading) aşamasının kaldırılmasının ve sistemin basitleştirilmesinin mümkün olduğunu göstermiştir. Artık gaz geri besleme oranı, buhar reformlama reaktörünün basınç, sıcaklık ve su buharı karbon oranı (S/C) ile FT reaktörünün dönüşüm ve seçiciliği proseslerin performansını etkileyen kritik parametreler olarak belirlenmiş ve sistem performansına etkileri parametrik olarak incelenmiştir. Simülasyon çalışması sonucunda, en yüksek benzin üretim verimi (%50.2) CTL-RC-SR prosesiyle elde edilmiştir. CTL-RC ve CTL-OT prosesleri sırasıyla %31.4 ve %22.3 benzin üretim verimi değerleri ile bu prosesi takip etmektedirler. Elektrik üretim verimlerinde ise beklenildiği gibi benzin veriminin tersine bir eğilim görülmüş ve prosesler şu şekilde sıralanmıştır : CTL-OT (%22.6) > CTL-RC (%15.8) > CTL-RC-SR (%0.5). Alternatif proseslerin CO2 emisyonları (kg CO2/GJ FT yakıtı) açısından karşılaştırıldıklarında en yüksek emisyonu CTL-OT prosesinde oluştuğu görülmüştür. Emisyonlar temel alındığında prosesleri şu şekilde sıralanmaktadır: CTL-OT (135.1) > CTL-RC (80.3) > CTL-RC-SR (26.8).