Katalitik etan dehidrojenasyonu ile hidrojen ve etilen üretimi
Hydrogen and ethylene production by catalytic ethane dehydrogenation
Yazar: BÜŞRA ERYILDIRIM
Danışman: PROF. DR. NURAY OKTAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yüksek lisans tezi kapsamında, alternatif enerji taşıyıcısı olan COx içermeyen saf hidrojen ve petrokimya endüstrisi için önemli bir hammadde olan etilen, etan dehidrojenasyonu ile yüksek teknoloji reaktör sistemleri kurularak üretilmiştir. Çalışmada, Cr veya Mo içerikli yüksek yüzey alanına sahip SBA-15 ve Zr-SBA-15 destekli katalizörler sentezlenmiştir. Hazırlanan katalizörlerin yapısal ve fiziksel özellikleri N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, XRD, TPR, SEM, EDS, ICP-MS ve TG analizleriyle belirlenmiştir. Katalizörlerin aktivite test çalışmaları farklı sıcaklıklarda (400-750℃), konvansiyonel ısıtmalı reaktör sisteminde ve düşük enerji kullanarak yüksek sıcaklıklara ulaşabilen, böylece enerji verimliliği sağlayan mikrodalga ısıtmalı reaktör sisteminde gerçekleştirilmiştir. 5Cr@SBA-15 katalizörü varlığında konvansiyonel ısıtmalı reaktör sisteminde 650℃ sıcaklığın altında etan dönüşümü ihmal edilebilecek kadar düşük seviyede iken, mikrodalga ısıtmalı reaktör sisteminde 650℃ sıcaklıkta neredeyse tam dönüşüm değerine ulaşılmıştır ve 400℃ sıcaklıkta dahi etan dönüşümü elde edilmiştir. 5Cr@SBA-15 ve 5Mo@SBA-15 katalizörlerinde konvansiyonel ısıtmalı reaktör sisteminde 650℃ sıcaklıkta elde edilen etan dönüşüm değerlerine mikrodalga ısıtmalı reaktör sisteminde 450℃ sıcaklıkta ulaşılmıştır. 5Mo@SBA-15 katalizörünün konvansiyonel ısıtmalı reaktör sistemindeki düşük etilen verimi, mikrodalga ısıtmalı reaktör sistemi kullanılarak arttırılmıştır. Konvansiyonel ısıtmalı sistemlerde iletim ve konveksiyon mekanizmaları sırasında oluşan ısı kayıpları, mikrodalga enerjisinin direkt olarak katalizöre gönderilerek ısının malzemenin iç hacminden üretilmesi ile önlenebilmekte ve katalizör üzerinde oluşan mikroplazmalar (sıcak nokta) mikrodalga ısıtmalı sistemde yüksek dönüşüm değerlerine ulaşılabilmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada mikrodalga enerjisi kullanılarak konvansiyonel ısıtmanın gerçekleştiği sistemlere kıyasla yüksek enerji tasarrufu sağlanarak hidrojen ve etilen üretilmiştir. Ayrıca, Pd içerikli membran reaktör sistemi kullanılarak yüksek derişimde hidrojen üretilmiştir.

Abstract:
In the scope of master thesis, COx-free pure hydrogen, an alternative energy carrier, and ethylene, which is an important raw material for the petrochemical industry, were produced by ethane dehydrogenation installing high-technological reactor systems. In this study, SBA-15 and Zr-SBA-15 supported catalysts with high surface area containing Cr or Mo were synthesized. The structural and physical properties of the prepared catalysts were determined by N2 adsorption-desorption, XRD, TPR, SEM, EDS, ICP-MS and TG analysis. The activity tests of the catalysts were carried out at different temperature (400-750℃) in the conventional heated reactor system and in the microwave heated reactor system, which provides energy efficiency by reaching high temperatures with low energy utilization. In the presence of 5Cr@SBA-15 catalyst, ethane conversion below 650℃ in the conventional heated reactor system was negligible, while almost complete conversion was achieved at 650℃ in the microwave heated reactor system and also, ethane conversion was achieved even at 400℃.  Over the 5Cr@SBA-15 and 5Mo@SBA-15 catalysts, ethane conversion values obtained at 650℃ in conventional heated reactor system were reached at 450℃ in microwave heated reactor system. The low ethylene yield of the 5Mo@SBA-15 catalyst in the conventional heated reactor system was increased by using the microwave heated reactor system. Heat losses during transmission and convection mechanisms in conventional heated systems can be prevented by sending microwave energy directly to the catalyst and generating heat from the internal volume of the material, and microplasmas (hot spot) formed on the catalyst allow high conversion values to be reached in microwave heated system. In this study, hydrogen and ethylene were produced by providing high energy savings compared to conventional heating systems using microwave energy. In addition, high concentration hydrogen was produced by using Pd containing membrane reactor system.