ABE saflaştırma proseslerinin benzetimi, optimizasyonu ve ekonomik analizi
Simulation, optimization and economic analysis of ABE purification processes
Yazar: FATİH AKMAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İNCİ 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:
Biyobütanol, farklı atık biyokütle kaynaklarından elde edilebilen yenilenebilir bir biyoyakıttır. Biyobütanol, benzinle yüksek uyumluluğunun yanı sıra, daha yaygın olarak kullanılan biyoetanole göre suyla daha az karışabilirlik, daha yüksek enerji içeriği ve daha düşük buhar basıncı gibi avantajlara da sahiptir. Biyobütanol üretimi, Clostridia bakterileri kullanılarak ABE (aseton-bütanol-etanol) fermantasyonu ile gerçekleştirilebilir. ABE prosesinin, gaz sıyırma, pervaporasyon ve sıvı-sıvı ekstraksiyonu gibi yerinde ürün geri kazanımı teknolojileri ile entegre edilmesi, biyobütanol üretimi için etkili bir yol olarak kabul edilmektedir. Yerinde ürün geri kazanımı sonrasında elde edilen ürünler saflaştırma ünitesinde besleme akımı olarak kullanılmaktadır. Yerinde ürün geri kazanımı sonunda elde edilen besleme konsantrasyonu ve ürün seçiciliği; kullanılan bakterilerin performansı, üretim sırasında fermantasyonu gerçekleştirilen ham maddelerdeki değişimler ve geri kazanım performansına bağlı olarak değişkenlik gösterir. 
Bu çalışma kapsamında ayırma ve saflaştırma ünitesi besleme akımında bulunan aseton, bütanol ve etanol bileşenlerinin konsantrasyonlarındaki değişikliklerin proseste kullanılan ekipmanların tasarımı üzerindeki etkileri CHEMCAD benzetim programı kullanılarak değerlendirilmiştir. Proses benzetim çalışmalarında, NRTL ve UNIQUAC termodinamik model olarak seçilmiştir. Optimizasyon çalışmalarında, CHEMCAD benzetim programında duyarlılık analizi aracı kullanılmıştır. Ağırlıkça %99,9 bütanol, %99,4 aseton ve %90,4 etanol saflığı elde etmek üzere benzetim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Farklı konsantrasyonlara sahip besleme akımları ve farklı proses işletme basınçları kullanılarak beslemedeki konsantrasyon değişikliklerinin proses ekipmanlarının tasarımına etkilerinin basınç ile nasıl değiştiği araştırılmıştır. Ayrıca besleme konsantrasyonu ve proses işletme basıncındaki değişiklerin enerji ihtiyacı ve maliyet değerlerine etkisi incelenmiş ve saflaştırma prosesinin enerji ihtiyacının, yıllık işletme maliyetinin ve toplam yıllık maliyet değerlerinin işletme basıncının düşürülmesi ile düştüğü belirlenmiştir.

Abstract:
Biobutanol is a renewable biofuel that can be obtained from different waste biomass sources. In addition to its high compatibility with gasoline, biobutanol also has advantages such as lower miscibility with water, higher energy content and lower vapour pressure than bioethanol, which is more widely used. Biobutanol production can be carried out by ABE (acetone-butanol-ethanol) fermentation using Clostridia bacteria. Integrating the ABE process within situ product recovery technologies such as gas stripping, pervaporation and liquid-liquid extraction is considered an effective way to produce biobutanol. The products obtained after in situ product recovery are used as feed stream in the purification unit. The feed concentration and product selectivity obtained from in situ product recovery varies depending on the performance of the bacteria used, the changes in the raw materials fermented during production, and the recovery performance.
In this study, the effects of acetone, butanol and ethanol concentrations of the feed stream to the separation and purification unit on the design of the equipment used in the process were investigated by using the CHEMCAD simulation program. In the process simulation studies, NRTL and UNIQUAC were chosen as thermodynamic models. The sensitivity analysis tool in the CHEMCAD simulation program was used for optimization studies. The simulation studies were carried out to obtain purities of 99.9wt% butanol, 99.4wt% acetone and 90.4wt% ethanol. Using different concentrations for the feed streams, and different process operating pressures, it was investigated how the effect of concentration changes in the feed on the design of the process equipment changes with the pressure. In addition, the effects of changes in the feed concentration and the process operating pressure on the energy requirement and the cost values were examined, and it was determined that the energy requirement, total operation cost and total annual cost of the purification process decreased with the decreasing of operating pressure.