Doğalgaz buhar reformasyonu ile hidrojen üretiminin simülasyonu ve optimizasyonu
Simulation and optimization of hydrogen production by steamreforming of natural gas
Yazar: AKBAR KHOSHNOUDI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİZ GÜLTEKİN AKAY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Dünyada üretilen hidrojenin (H2) büyük bir kısmı doğal gaz buhar reformasyonu ile üretilmektedir ve bu yöntem halen ürün verimi ve enerji tüketimi açısından en uygun maliyetli yöntem olarak kabul edilir. Bu çalışmada, ASPEN HYSYS V12 yazılımı kullanılarak endüstriyel bir doğal gazin buhar reformasyonu prosesinin bir simülasyon ve optimizasyon çalışması yapılmıştır. Tüm parametreler, hidrojen üretim bölgesi üniteleri (Reformer Reaktör, su gaz dönüştürücü reaktörü) ve arıtma bölgesi üniteleri (Separatör ve PSA) dahil olmak üzere eksiksiz bir işlem sürecini başarıyla yürütmek için optimize edilmiştir. Reformer ve su gaz dönüştürücü reaktörlerindeki sıcaklıklar sırasıyla 900oC, 300oC'de ayarlanmıştır. 5 at m'lik bir basınçta ve buhar karbon oranı (S/C) 2,5 olacak şekilde belirli koşullar altında elde edilebilecek en yüksek hidrojen üretimi 402,2 kg/saat tespit edilmiştir. Ayrıca arıtma bölgesinde istenmeyen CO2 ve CO gazlarının ~ %100'ü uzaklaştırılmış ve uzaklaştırılan atık gazlar arasında bir miktar CH4 ve H2'de bulunmaktadır. Isı entegrasyonu yapıldıktan sonra prosesin ısıtma, soğutma ısı değişim ünitelerinde enerji tüketiminde yaklaşık %51,6 oranında tasarrufu sağlanmıştır. PSA atık gazlar çıkışında CO %18,95, C2O %46,03, H2O %3,17, CH4 %0,52 ve %31,33 H2 bulunmaktadır. Nihai ürün olarak %77,83 verim ile %100 saf H2 üretilmiştir. Bu hidrojen içeriği birçok uygulamada, özellikle yakıt pillerinde olmak üzere, petrol, doğal gaz rafineri ve petrokimya uygulamaları için de uygundur.

Abstract:
It is considered the most cost-effective method in terms of product yield and energy consumption, which is produced by natural gas steam reforming, which makes most of the Hydrogen (H2) produced in the world. In this study, a simulation and optimization study of an industrial natural gas steam reforming process was performed using ASPEN HYSYS V12 software. All parameters have been optimized to successfully run a complete process including hydrogen generation zone units (Reformer Reactor, Water Gas Conversion Shift Reactor) and purification zone units (Separator and Pressure Swing Adsorption PSA). The temperatures in the Reformer and Water Gas Conversion reactors were set at 900oC and 300oC, respectively. The highest possible hydrogen production 402.2Kg/h was obtained under certain conditions at a pressure of 5 atm and a vapor-carbon ratio (S/C) of 2.5. In addition, ~ 100% of the unwanted CO2 and CO gases were removed in the treatment zone, and there is also a small amount of CH4 and H2 among the waste gases removed. Therefore, after the heat integration is done, approximately 51.6% of the energy consumption has been saved in the process's heating and cooling heat exchange units. There is CO 18.95%, C2O 46.03%, H2O 3.17%, CH4 0.52%, and 31.33% H2 at the tail gas outlet (PSA liquid outlet). As the final product, 100% pure H2 was produced with a yield of 77.83%. This hydrogen content is suitable for fuel cells, petroleum, natural gas refinery, and petrochemicals use in many applications.