Bitkisel atık yağdan biyodizel üretiminin yapıldığı bir tepkimeli damıtma kolonunun sıcaklık denetimi
Temperature control of a reactive distillation column where biodiesel is produced from vegetable waste oil
Yazar: TUBA ŞİMŞEK
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN KARACAN
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Atık yağlar = Waste oils ; Bitkisel atıklar = Plant wastes ; Biyodizel = Biodiesel ; Damıtma kolonları = Distillation columns ; Dinamik benzetim = Dynamic simulation ; Doğrusal olmayan modeller = Nonlinear models

Özet:
Bu çalışma, bitkisel atık yağlardan biyodizel üretiminin yapıldığı laboratuvar ölçekli bir tepkimeli damıtma kolonunda prosesin sıcaklık denetimini sağlamak için yapılmıştır. Bu kapsamda, teorik olarak benzetim çalışmalarına ek deneysel çalışmalar da yapılmıştır. Kazan sıcaklığındaki aşırı yükselmeler bu proseste sabunlaşmaya neden olduğundan, deneysel ve teorik benzetim çalışmaları yapılırken özellikle bu parametre üzerinde durulmuştur. Deneysel çalışmalara başlamadan önce Aspen HYSYS paket programı kullanılarak önerilen prosesin yatışkın hal benzetimi, optimizasyonu ve dinamik hal (MPC) benzetimleri yapılmıştır. Sistemin yatışkın koşul optimum işletim parametreleri; kazan ısısı 0,028 kW, geri akma oranı 3, toplam besleme akış hızı 0,0007 kmol/sa, metanol:yağ molar oranı 6:1 olarak bulunmuştur. Bu işletim parametreleri yatışkın koşul deneysel çalışmaları için kullanılmıştır. Daha sonra deneysel çalışmalardan elde edilen dinamik verilerle en küçük kareler yöntemiyle prosesin iletim fonksiyonu hesaplanmıştır. ASPEN HYSYS paket programında teorik ve MATLAB'da deneysel dinamik benzetim çalışmaları yapılmıştır. Kazan ısısına 40,50 ve 60 W değerleri verilerek kazan sıcaklığının zamanla değişiminin bulunduğu teorik ve deneysel çalışmalar karşılaştırılmıştır. Elde edilen yatışkın koşul numunelerin GC analizleri yapılmış ve kazan ısıları 40, 50 ve 60 W değerleri için sırasıyla %92,450, %94,398 ve %94,568 biyodizel içeriği tespit edilmiştir. Bu çalışmalar doğrultusunda, tepkimeli dolgulu damıtma kolonunun kazan sıcaklığının denetimi doğrusal olmayan model öngörülü denetim (NLMPC) yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. MATLAB ortamında yapılan bu benzetim kazan sıcaklığına artı ve eksi yönde set noktası etkileri verilerek yapılmıştır. Hata Mutlak Değerlerinin Toplamı (IAE) ve Hata Karelerinin Toplamı (ISE) yöntemleriyle sonuçların güvenilirliği değerlendirilmiştir.

Abstract:
This study was carried out to provide temperature control of the process in a laboratory scale reaction distillation column where biodiesel is produced from waste vegetable oils. In this context, additional experimental studies were carried out on theoretical simulation studies. Since excessive increases in the boiler temperature cause saponification in this process, this parameter has been especially emphasized while conducting experimental and theoretical simulation studies. Before starting the experimental studies, steady state simulation, optimization and dynamic state (MPC) simulations of the proposed process were made using the Aspen HYSYS package program. Steady condition optimum operating parameters of the system; The reboiler temperature was 0.028 kW, the reflux ratio was 3, the total feed flow rate was 0.0007 kmol/h, and the methanol:oil molar ratio was 6:1. These operating parameters were used for steady-state experimental studies. Then, the transmission function of the process was calculated by the least squares method with the dynamic data obtained from the experimental studies. Theoretical simulation studies were carried out in ASPEN HYSYS package program and experimental dynamic simulation studies were carried out in MATLAB. By giving 40, 50 and 60 W values to the reboiler heat, the theoretical and experimental studies in which the reboiler temperature changes over time are compared. GC analyzes of the aforementioned experimental studies were carried out and the biodiesel content of 92.450%, 94.398% and 94.568% was determined for the reboiler heat of 40, 50 and 60 W, respectively. In line with these studies, the bottom product temperature control of the reactive packed distillation column was carried out by the nonlinear model predictive control (NLMPC) method. This simulation made in the MATLAB environment was made by giving the positive and negative set point effects to the boiler temperature. The reliability of the results was evaluated by the IAE (integral of the absolute value of error) and ISE (integral of the square of the error) methods.