Atık gaz akımından çözücü geri kazanımına yönelik bir membran sistemin tasarımı ve benzetimi
Design and simulation of a membrane system for solvent recovery from waste gas stream
Yazar: ALİ KIRIM
Danışman: DOÇ. DR. YAVUZ SALT
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Membranlar prosesleri, uzun yıllardır sıvı ve gaz fazındaki karışımların ayrılması amacıyla kullanılan önemli ayırma işlemi proseslerinden biridir. Membran uygulamaları çevreci olması, diğer uygulamalara kıyasla daha düşük maliyetli olabilmesi, daha düşük enerji tüketimine sahip olması, yüksek verimlilik ile işletilebilmesi özellikleri ile son yıllarda ön plana çıkmaktadır. Günümüzde endüstriyel tesislerde oluşan atık gaz akımlarından organik çözücü geri kazanımı ekonomik ve çevresel faktörler açısından büyük öneme sahiptir. Bu gaz karışımlarından çözücünün uzaklaştırılması için membran esaslı ayırma proseslerinin kullanımı hem uygulamada kolaylık hem de işletimde avantajlar sağlayabilmektedir. Çözücü geri kazanımı için kullanılan membranın tipi endüstriyel tesisin özelliklerine göre değişiklik gösterebilmekle beraber çoğunlukla içi boş lif olarak öngörülmektedir. Aynı zamanda kulanılan membranın üretildiği malzeme gerçekleştirilecek olan ayırma işlemi için önem arz etmektedir.
Bu çalışmada, tolüen ve havadan oluşan atık gaz akımından tolüenin geri kazanıldığı bir tesisin adsorpsiyon temelli prosesine alternatif olarak membran esaslı bir proses üzerinde çalışılmıştır ve CHEMCAD paket programı ile benzetimi yapılmıştır. Bu çalışmalar, PI içi boş lif membranlar kullanıldığı varsayımı ile gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, membran modülleri karşıt akışlı olarak simüle edilmiştir. Tolüenin atık gaz karışımından daha düşük enerji tüketimi, daha yüksek verim ve daha yüksek saflık oranı ile ayrılmasını sağlamak amacıyla yapılan bu çalışmada membran üniteleri basınç farkı prensibine dayandırılarak işleme tabi tutulmuştur. Adsorpsiyon esaslı mevcut sistem ile membran esaslı sistem, ayırma performansı, elde edilen ürün saflığı ve verim açısından karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Membrane processes are one of the important separation processes used for the separation of liquid and gas phase mixtures for many years. Membrane applications have come to fore in recent years with their environmental friendliness, lower cost and energy consumption compared to other applications, and high efficiency operation. Today, the organic solvent recovery from waste gas stream formed in industrial plants has great importance in terms of both economic and environmental factors. The use of membrane-based separation processes for the recovery of solvent from these gas mixtures can provide both convenience in practice and advantages in operation. Although the type of membrane module used for the solvent recovery may vary according to the characteristics of the industrial plants, hollow fiber membrane modules are widely used in different industrial applications. At the same time, the material from which the membrane is produced is crucial for the separation process to be carried out.
In this study, a membrane-based process was studied as an alternative to the adsorption-based process of a plant where toluene is recovered from the waste gas stream consisting of toluene and air, and it was simulated using the CHEMCAD package program. Simulation studies were carried out with the assumption that PI hollow fiber membranes modules were used. At the same time, the membrane modules were simulated as counter current flow. Membrane units were run based on the pressure difference, recovering the toluene from the waste gas mixture with lower energy consumption, higher efficiency and higher purity. The adsorption-based system and the membrane-based system were compared in terms of separation performance, product purity and yield.