Claus prosesi reaksiyon fırını ve atık ısı kazanının modellenmesi ve optimizasyonu
Modeling and optimization of reaction furnace and waste heat boiler of Claus process
Yazar: ECEM MÜGE ANDOĞLU
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN KAYTAKOĞLU
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Atık ısı = Waste heat ; Hidrojen sülfür = Hydrogen sulfide ; Kinetik modeller = Kinetic models ; Süreç optimizasyonu = Process optimization

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, Claus proses termal basamağının iki ardışık reaktör olarak kinetik tabanlı modellenmesi ve bir bütün olarak optimize edilmesidir. Tez çalışmasında reaksiyon fırını ve atık ısı kazanı için ayrı ayrı basitleştirilmiş kinetik model çıkarılarak DSMOKE ortamında detaylı kinetik model verileriyle doğrulanmıştır. Doğrulanan kinetik modeller kullanılarak her iki ünite için matematiksel model çıkarılmış, atık ısı kazanı bir ısı değiştirici yerine ısı geçişli tıpa akış reaktörü olarak modellenmiş ve modeller MATLAB ortamında simüle edilmiştir. Simülasyon sonuçları literatürle karşılaştırılıp modeller doğrulandıktan sonra optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Reaksiyon fırını giriş sıcaklığı, havanın fırına besleme hızı, yakıtın fırına besleme hızı ve asidik gazın fırına giriş hızı karar değişkenleri olarak seçilmiştir. Termal basamak çıkışındaki elementel kükürt miktarının maksimize edilmesi temel amaç olarak belirlenmiş, ayrıca kazan içerisinde üretilen yüksek basınçlı buhar miktarının maksimize edilmesi ikinci bir amaç olarak eklenerek çok-amaçlı optimizasyon problemi de çözülmüştür. Optimizasyon çalışmaları MATLAB ortamında gerçekleştirilmiş olup, program içinde yer alan fmincon, ga, particleswarm ve gamultiobj çözücüleri kullanılarak karar değişkenleri için optimum değerler ve amaç fonksiyonu sonuçları elde edilmiştir. Ayrıca alternatif olarak bir deneysel tasarım yöntemi olan Taguchi metodu da optimizasyon çalışmaları için kullanılmış, Minitab programı yardımıyla varyasyon analizleri yapılmış ve optimum değerler belirlenmiştir. Yapılan optimizasyon çalışmaları neticesinde hem kazan çıkışındaki elementel kükürt miktarının, hem de kazanda üretilen yüksek basınçlı buhar miktarının arttığı belirlenmiştir.

Abstract:
The aim of this thesis is to model the thermal section of the Claus Process as a configuration of two reactors, which are reaction furnace and waste heat boiler (WHB), and then optimize the whole section. In the thesis study, two different reduced kinetic schemes were provided for reaction furnace and WHB and validated with the detailed kinetic model on DSMOKE program. Using the validated kinetics, the mathematical models were developed for both units. The waste heat boiler was modeled as a plug flow reactor with heat transfer, instead of a heat exchanger, and the models were simulated in the MATLAB environment. The simulation results were compared with the literature and the models were verified, and then optimization studies were carried out. The temperature of the feed gas mixture, the air molar flow rate, the fuel molar flow rate, and the acidic gas molar flow rate at the inlet of the reaction furnace were chosen as decision variables. Maximizing the amount of elemental sulfur at the end of the thermal section was the main objective, in addition, maximizing the amount of the steam generated in the WHB was considered as a secondary objective, and the multi-objective optimization problem was solved. Optimization studies were performed in MATLAB environment and optimum values for decision variables and objective function results were obtained by using fmincon, ga, particleswarm and gamultiobj solvers nested in the software. In addition, as an alternative, the Taguchi method, which is a method of design of experiment, was also used for optimization studies, analyzes of variance were carried out using Minitab program and optimum values were determined. As a result of the optimization studies, it was determined that the amount of both elemental sulfur at the WHB outlet and the steam produced at the WHB were increased.