A study on mathematical modeling of direct synthesis of dimethyl ether in structured membrane reactors
Mimarili membran reaktörlerde dimetil eter sentezinin matematiksel modellenmesi
- Tez No: 730995
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET KERİM AVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Matematiksel modelleme, Membranlar, Organik bileşikler, Mathematical modelling, Membranes, Organic compounds
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
CO2'nin dimetil etere (DME) dimetil etere (DME) katalitik dönüşümü membranlı mikrokanal reaktörde modellenmiştir. Buharı ayrıştırabilen α-Al2O3 destekli SOD membran tabakası, reaktör mimarisinde reaksiyon ve süpürme kanalları arasında bulunmaktadır. Reaksiyon kanalları, sırasıyla metanolün oluşumu ve dehidrasyonundan sorumlu Cu–ZnO/Al2O3 (CZA) ve HZSM–5 katalizörlerinin fiziksel karışımıyla kaplanmıştır. CO2-H2 gaz karışımı (H2/CO2) reaksiyon kanalına 6×103 ml gk-1 sa-1 boşluk hızıyla gönderilmiş, eşit sıcaklık ve basınçtaki H2 gazı ise membrandan süzülen buharı uzaklaştırmak üzere süpürme kanalına beslenmiştir. Kütle ve momentum korunum denklemlerini baz alan izotermal yatışkın hal modeli ANSYS programında numerik olarak çözülmüştür. Hesaplanan performans metrikleri, 483–543 K ve 30–50 bar aralığında literatürde belirtilen deneysel verilerden minimal sapma göstermektedir. Enerji korunum denklemlerinin modele eklenmesiyle elde edilen neredeyse sabit sıcaklık profili ve değişmeyen reaktör performansı, izotermal koşulların geçerliliğini tasdik etmektedir. Membran entegrasyonu reaksiyon karışımına H2 girişi ve H2O çıkışı sağladığından, CO2 dönüşümünü (~60) ve DME verimini (~%30) membransız sonuçlara göre en az üç kat artırmaktadır. Sıcaklık ve basıncın artırılması membran işlevini ve faydalarını daha belirgin hale getirmektedir. Süpürücü H22 gazını zıt yönlü beslemek daha üstün H2O ayrımı sağlamaktadır. Süpürme kanalının oransal giriş hızı (vrat) membran kütle aktarımını önemli ölçüde etkilemektedir. Katalizör kütle oranını (CZA/HZSM-5) artırmak hem performans metriklerini hem de reaktör kapasitesini iyileştirmektedir. 1 MW'lık elektrolizörün gerekli hidrojeni sağlaması halinde, ~7 m3'lük reaktör sistemi yıllık 1×103 ton CO2'den 2.76×102 ton DME sentezleyebilmektedir.
Özet (Çeviri)
Catalytic transformation of CO2 into dimethyl ether (DME) is modeled in a membrane microchannel reactor. The reactor geometry includes an α-Al2O3 supported SOD membrane layer, capable of in-situ H2O removal, residing between a reaction channel and a parallel permeate channel. Reaction channels are washcoated with a physical mixture of Cu–ZnO/Al2O3 (CZA) and HZSM–5 catalysts, which are responsible for the synthesis and dehydration of methanol respectively. CO2-H2 reactant mixture (H2/CO2=3) is dosed to the reaction channel at space velocity=6x103 ml gcat-1 h-1 whereas, pure H2 at identical temperature and pressure, is fed to the permeate channel to sweep permeated steam. A steady-state isothermal reactor model based on the mass and momentum conservation equations is solved numerically using ANSYS software. Computed performance metrics show minimal deviation from the reported experimental data at 483–543 K, 30–50 bar. Incorporation of energy conservation to the model results in near-constant temperature profile and almost identical reactor performance, which validates isothermal operation. Owing to steam effux from and H2 influx to the reactive stream, membrane integration increases CO2 conversion (~60%) and DME yield (~30%) by a factor of >3 compared to membraneless operation. The benefits become more significant at higher temperature and pressures. Sending sweep H2 counter-currently offers superior H2O removal. Relative inlet velocity of the permeate inlet (vrat) affects membrane mass transfer dramatically. Adopting higher CZA/HZSM-5 mass ratio improves both performance metrics and the reactor capacity. With a ~7 m3 reactor system, 2.76x102 tons of DME can be synthesized from 1x103 tons of CO2 annually, provided that 1MW electrolyzer provides the required H2.
Benzer Tezler
- Kentsel atıksu arıtma tesisi anaerobik çamur çürütücülerinin dinamik proses modelleme yaklaşımı ile analizi
Analysis with dynamic process modeling approach of anaerobic sludge digesters of the urban wastewater treatment plant
KERİM EKİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Varvasyonel hibrit eleman metodu ile baraj-rezervuar etkileşim probleminin çözümü
Solving dam-reservoir interaction problem by using variational hybrit element method
BÜLENT YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ERTAÇ ERGÜVEN
- Değişken kesitli baraj-rezervuar etkileşim problemlerinin varyasyonel hibrid eleman metodu ile çözümü
Başlık çevirisi yok
HAKAN UÇAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERTAÇ ERGÜVEN
- Removal of odor emissions from food fermentation and petrochemical production processes with using biological treatment methods
Gıda fermentasyon ve petrokimya üretim sektörleri kaynaklı koku emisyonlarının biyolojik arıtma yöntemleri ile giderilmesi
İLKER AKMIRZA
Doktora
İngilizce
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR ALP
- 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