1. İyonik Sıvıların Rafinasyon Proseslerindeki Uygulamaları
Petrol rafinasyonu, yüzyılı aşkın bir süredir küresel ekonomik kalkınmayı ve teknolojik ilerlemeyi yönlendiren kilit teknolojilerden biri olmuştur. Rafinerilerde kullanılan teknolojinin çoğu olgunlaşmış olarak kabul edilse de, endüstri her zaman süreç iyileştirmeleri yapmanın, çevresel etkiyi azaltmanın, güvenliği artırmanın ve maliyet düşüşleri sağlamanın yollarını aramaktadır. Özellikle, Hidrodesülfürizasyon (HDS), Hidro-denitrojenasyon (HDN), Hidrodeoksijenasyon (HDO) ve alkilasyon için mevcut teknolojinin geliştirilmesine odaklanılmıştır. Benzersiz fiziksel ve kimyasal özellikleri ve geleneksel olarak kullanılan solventler veya katalizörlere göre çevresel avantajları nedeniyle, bu tür rafineri prosesleri için iyonik sıvılara olan ilgi son yıllarda katlanarak artmaktadır [1]. IL bazlı alkilasyon katalizörlerinin, geleneksel HF bazlı teknoloji ile ilişkili korozyon (Stres Korozyon Çatlaması gibi), güvenlik ve işletilebilirlik sorunlarının büyük zorluklarından kaçınırken verimli alkilasyonu kolaylaştırdığı kanıtlanmıştır. Alkilasyon, yüksek oktanlı benzin oluşturmak için tipik olarak sülfürik asit veya HF gibi bir katalizör kullanır. Ancak, HF kullanımı Philadelphia rafinerisindeki patlamalarla ilişkilendirilmiştir. ABD Kimyasal Güvenlik Kurulu (CSB), HF kullanımına ilişkin güvenlik düzenlemelerinin güncellenmesi çağrısında bulunmuştur. İyonik sıvılar (IL’ler) kullanılarak akaryakıtların ekstraktif kükürt giderimi (EDS) son yıllarda yoğun bir şekilde çalışılmıştır ve HDS’ye alternatif veya tamamlayıcı bir yöntem olarak iyi bir geleceğe sahiptir. Bu proses, yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve asil bir katalizör ve hidrojen gereksinimi gibi zorlu koşullar altında işletilmektedir. Bu mevcut teknoloji kullanıldığında, çelik borular Yüksek Sıcaklık Hidrojen Saldırısı (HTHA) arızasına eğilimli olabilir. HTHA (bazen ‘metan reaksiyonu’ olarak da adlandırılır), çelik basınçlı kap içinde bulunan gaz halindeki moleküler hidrojen ile çelik matrisinde veya karbürlerde bulunan karbon atomları arasında yüksek sıcaklıklarda meydana gelir. Bu reaksiyon sırasında metan molekülleri üretilir. Bu olay, yüzey dekarbürizasyonu nedeniyle mekanik özelliklerin kaybına ve çoğunlukla tane sınırlarında bulunan metan kabarcıklarının neden olduğu kusurların oluşumuna yol açabilir. Tesoro Anacortes kazası, rafinerinin “nafta hidro-işlemci ünitesinin” bir bakım duruşundan sonra çalıştırılması sırasında meydana gelmiştir.
Temel IL uygulamalarını analiz etmek için sağlam simülasyon metodolojileri uygulanmıştır: fiziksel ve kimyasal CO2 yakalama, gaz ayırma, sıvı-sıvı ekstraksiyonu, ekstraktif distilasyon, soğutma çevrimleri ve biyorafineri [2].
2. Biyodizel Üretiminin Sayısal Simülasyonları
Biyodizel üretiminin hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları, Reynolds stres modeli (RSM) ile birleştirilmiş girdap dağılım modeli (EDM) uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Hesaplanan biyodizel verimi deneysel sonuçlarla iyi bir şekilde karşılaştırılmıştır [3]. Mekala, dolgulu yatak reaktörlerinde akışkan akışı, ısı ve kütle transferi taşınım denklemlerini çözmek için ANSYS Fluent kodunu uygulamıştır. [4]. Bu çalışma, yüksek kaynama noktalı akışkan kullanarak oleik asit ve metanolün FAME’ye dönüşümü için bir esterifikasyon reaktörünün Multifizik tasarımını içermektedir. Muhtemelen ilk kez fenil-naftalin, FAME için esterleşme reaksiyonunu sürdürmek için gerekli ısıyı sağlamak üzere önerilmiştir. [5]. Bu araştırma çalışması çerçevesinde, iyonik sıvılar organik reaksiyonlarda esterleşme reaksiyonunun çözücüleri ve katalizörleri olarak uygulanmıştır. Petrol ve gaz endüstrilerindeki gelişmelerle birlikte yüksek kaynama sıcaklığına sahip sıvıların üstün nitelikleri, organik konsepti esterleşme reaktörünü ısıtmak için daha uygun ve daha güvenli (sıvı metal ile temas eden su buhar patlaması tehlikesine neden olabilir) hale getirmektedir. COMSOL Multiphysics kodu kullanılmış ve süreklilik, akışkan akışı, ısı transferi ve difüzyon ile kimyasal reaksiyon kinetiği denklemlerini eş zamanlı olarak çözmüştür.
3. Sonuçlar Bölümü
Şekil 1, t = 20.000 s’de esterleşme reaktörü içindeki üç boyutlu sıcaklık alanını göstermektedir.
Şekil 1: t=20.000 saniyede esterleşme reaktörü içindeki sıcaklık alanının 3D grafiği.
Şekil 1’den reaktörün alt bölümündeki sıcaklığın üst taraftaki sıcaklıktan daha yüksek olduğu görülebilir. Bunun nedeni endotermik esterleşme reaksiyonunun fenil-naftalin sıvısı tarafından sağlanan ısıyı tüketmesidir. İyonik sıvının ve reaktanların (oleik asit ve metanol) termal iletkenliğinin daha düşük bir değere sahip olduğuna dikkat edilmelidir. Şekil 2, reaktör içindeki 3D FAME konsantrasyon alanını göstermektedir.
Şekil 2: Esterifikasyon reaktörü içindeki FAME konsantrasyon alanının 3D grafiği.
Şekil 2, FAME dönüşümünün yaklaşık %100 olduğunu göstermektedir. Benzer bir değer Ref. [6] Şekil 3, reaktör yüksekliği boyunca eksenel FAME konsantrasyonunu göstermektedir.
Şekil 3. 160°C sıcaklıkta fenil-naftalin sıvısı için esterifikasyon reaktör yüksekliği boyunca FAME konsantrasyonunun eksenel grafiği.
Şekil 3, FAME konsantrasyonunun zamanla arttığını göstermektedir. FAME’de y = 0,1 m’den y = 0,4 m’ye kadar hafif bir düşüş vardır. Bunun nedeni iyonik sıvının ve reaktanların (oleik asit ve metanol) termal iletkenliklerinin daha düşük değerlere sahip olmasıdır.
4. Sonuçlar
Bu makalede, imidazolyum iyonik sıvı kullanılarak biyodizel üretiminin gelişmiş bir CFD simülasyonu sunulmuştur. COMSOL yazılımı kütle korunumu (süreklilik), akışkan akışı (Navier-Stokes), ısı transferi ve difüzyon ile esterleşme reaksiyonu taşıma denklemlerini eş zamanlı olarak çözmektedir. Isı akısının esterleşme sürecini sürdürmek için gerekli ısı akısını sağlayabileceği gösterilmiştir. Metanol ve oleik asit konsantrasyonlarının reaktör ekseni boyunca azaldığı bulunmuştur. Esterifikasyon reaktörü ekseni boyunca FAME kütle fraksiyonu artar. Bunun nedeni endotermik reaksiyonların ısıyı tüketmesidir. Reaktörün iç ve dış yüzeyleri fenil-naftalin yüksek kaynama sıvısı tarafından sağlanan ısıya maruz kalır. Esterleşme reaksiyonu içinde oluşan suyun kaynamasını ve buharlaşmasını önlemek için, esterleşme reaktörü içindeki basınç 700 kPa’ya ayarlanır. Suyun T = 160 °C’deki doymuş basıncının 620 kPa olduğu unutulmamalıdır. Esterleşme reaksiyonu sırasında oluşan su damlacıkları gazdan daha ağır olduğu için düşer ve alttan çıkarılır. Çoğunlukla reaktör girişinde iyonik sıvı ile reaksiyona girebilirler. Ayrıca, ısıtma sistemi arızalanırsa (elektrik güç kaynağı arızası veya fenil-naftalin sıvı pompasındaki teknik sorun nedeniyle), buhar esterleşme reaktörünün içinde yoğunlaşarak su kabarcıklarının oluşmasına ve esterleşme reaktörüne ısı transferinin daha da azalmasına neden olabilir. Bu nedenle, esterleştirme reaktörünün normal çalışmasını sürdürmek zor olabilir. Yüksek basınç uygulayarak, bu reaktörün çalışmasını sürdürmek daha kolaydır. Bazı durumlarda, su ve iyonik sıvılar arasında yan reaksiyonlar meydana gelir. Bu sorunla mücadele etmek için su uzaklaştırılır. Bir petrokok brülörü esterleştirme reaktörü için gerekli ısı akışını sağlayabilir. Bu reaktörü dizel ve biyodizel yakıtlar üretmek için gecikmeli koklaştırıcı ünitesinin (DCU) yakınında uygulamak mümkündür.
Bu araştırma hakkında daha fazla bilgi için Referans [5].
5. Referanslar
[1] Haifa Ben Salah, Paul Nancarrow, Amani Al-Othman, Ionic liquid-assisted refinery processes – A review and industrial perspective, Fuel, Volume 302, 2021, https://lnkd.in/dYf4X79V.
[2] Jose Palomar, Jesús Lemus, Pablo Navarro, Cristian Moya, Rubén Santiago, Daniel Hospital-Benito ve Elisa Hernández Chemical Reviews, 2024 124 (4), 1649-1737, https://lnkd.in/d2U4ExbR
[3] Mohiuddin, A.K.M.; Adeyemi, N. Atık Yemeklik Yağ Kullanarak Biyodizel Üretiminin Sayısal Simülasyonu. ASME 2013 Uluslararası Makine Mühendisliği Kongresi ve Sergisi IMECE2013 Bildiriler Kitabı, San Diego, CA, ABD, 15-21 Kasım 2013, https://asmedigitalcollection.asme.org/IMECE/proceedings-abstract/IMECE2013/V08AT09A003/261194
[4] Mekala, S.J. Süperkritik Paketlenmiş Yataklı Katalitik Reaktörde Termal ve Kütle Difüzyonu Etkileri ile Reaktif Akışın HAD Çalışmaları. Doktora Tezi, Universitat Politècnica de Catalunya, Barselona, İspanya, 2016, https://upcommons.upc.edu/handle/2117/113679.
[5] Davidy, A. Yüksek Kaynama Noktalı Fenil-Naftalin Sıvısı ile Isıtma Yoluyla Yağ Asidi Metil Ester (Biyodizel) Esterleştirme Reaktörünün Termal Hidroliği ve Termokimyasal Tasarımı. Sıvılar 2022, 7, 93, https://www.mdpi.com/2311-5521/7/3/93#B13-fluids-07-00093.