Hydrogen production from biogas in a membrane reactor
Membran reaktörde biyogazdan hidrojen üretimi
Yazar: YAĞMUR NALBANT ATAK
Danışman: PROF. DR. CAN ÖZGÜR ÇOLPAN
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Enerji = Energy ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production ; Karbon depolama = Carbon storage ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Membran reaktör = Membrane reactor

Özet:
Fosil yakıtların tükenmesi ve enerji talebindeki artış nedeniyle temiz hidrojen üretimine ilgi artmıştır. Aynı cihazda hem hidrojen üretimi hem de hidrojen ayrımı sağlayan membran reaktörlerde hidrojen üretimi her geçen gün artmaktadır. Bu tezde, besleme gazından (biyogaz ve metan) hidrojen üretimi sağlayan membran reaktörün performansını iyileştirmek için matematiksel modelleme yöntemi kullanılmıştır. MATLAB programı kullanılarak, bir membran reaktörün 1- boyutlu modelleri geliştirilmiş ve ayrı ayrı doğrulanmıştır. Reaktörün sıcaklık dağılımları, tüm türlerin molar akış hızlarının değişimi, metan dönüşümü ve hidrojen geri kazanımı reaktör uzunluğu boyunca incelenmiştir. Doğrulanan 1-boyutlu membran reaktör modeli, CO2 yakalama sistemi ve çeşitli tesis bileşenlerinden oluşan entegre bir sisteme entegre edilmiş ve MATLAB programı ile elektrokimya (reaksiyon kinetiği) ve termodinamik (enerji ve ekserji analizi) ilkelerini kullanarak sistem düzeyinde model geliştirilmiştir. Bazı çalışma parametrelerinin (çalışma sıcaklığı, buhar-karbon oranı ve reaksiyon basıncı) sistem performansı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Daha sonra entegre sistemdeki her bir bileşenin ekserji yıkım oranları ve her bir bileşenin ekserji yıkım hızı değerleri incelenmiştir. Dahası membran reaktörlerin çalışma prensibini daha iyi anlamak için, deneysel çalışmalar İtalya'daki Membran Teknoloji Enstitüsü'nde gerçekleştirilmiştir. Son olarak, reaktörün davranışını hem eksenel hem de radyal yönlerde araştırmak için COMSOL Multiphysics yazılımı kullanılarak 2-boyutlu membran reaktör modelleri geliştirilmiştir.

Abstract:
The interest in the production of clean hydrogen has increased due to the depletion of fossil fuels and the increase in energy demand. The hydrogen production by the membrane reactors that provide both hydrogen production and hydrogen separation in the same device is increasing day by day. In this thesis, the mathematical modeling method is used to improve the performance of the membrane reactor providing hydrogen production from biogas and methane. 1-dimensional models of a membrane reactor were developed by MATLAB program and validated separately. The temperature distributions of the reactor, the change of molar flow rates of all species, methane conversion, and hydrogen recovery were investigated along the reactor length. The validated 1-dimensional membrane reactor model was integrated into an integrated system consisting of CO2 capture system and various plant components and the system-level model was developed in the MATLAB program using principles of electrochemistry (reaction kinetics) and thermodynamics (energy and exergy analysis). The effects of some operating parameters (operating temperature, steam-carbon ratio, and reaction pressure) on system performance were investigated. Then, the exergy destruction rates of each component in the integrated system and the exergy destruction rate values of each component were examined. Moreover, in order to better understand the operating principle of the membrane reactors, the experimental studies were realized at the Membrane Technology Institute in Italy. Finally, 2-dimensional membrane reactor models were developed using COMSOL Multiphysics software to investigate the behavior of the reactor through both the axial and radial directions.