Şeker fabrikası atık sularının cstr tipli reaktörde arıtılması ile üretilen biyogazın saflaştırma yöntemlerinin araştırılması
Investigation of purification methods of biogas generated by treatment of sugar factory wastewater in cstr type reactor
Yazar: HÜLYA HERDEM
Danışman: PROF. DR. UĞUR ŞAHİN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Biyogazın, laboratuvar ölçekli arıtma sisteminde, su scrubbing yöntemi ile, arıtılması çalışılmıştır. 3 grup deneysel çalışma yürütülmüştür. 1. Grup deneysel çalışmada, tasarım ve kurulum ile ilgili sorun giderme ve optimal akış hızlarının tespiti yapılmıştır. Absorpsiyon kolonunda iki tip dolgu maddesi kullanılmış ve 3 bar kolon basıncına çıkılarak biyogaz ölçümleri yapılmıştır. 1. GRUP deneysel çalışmalarımız deney sistemindeki eksiklerin giderildiği hazırlık aşamasını oluşturmuştur. 2. GRUP deneysel çalışmalarda 2 tanesi random 1 tanesi structure tipli olmak üzere 3 tip dolgu maddesi kullnılmıştır. Bunlar biyofix, pall ring ve metal tel sargısı dolgu maddeleridir ve bu dolgu maddeleri ile yüzey etkin alanı be basıncın biyogaz bileşenleri derişimine etkisinin değişimi incelenmiştir. Gaz ve su akışkanlarının debileri çalışma boyunca sabit tutulmuş, çalışmalar oda sıcaklığında yapılmış, kolon basıncı ise 1-5 bar arasında tutulmuştur. Safsızlıkları oluşturan CO2 ve H2S gazlarının metandan ayrılmasında, en iyi performans biyofix ile elde edilmiş, kolon basıncının artırılması ile yüksek metan derişimleri elde edilmiştir. Bu çalışmalrda metan kazanım etkinliği % 28,3 karbondioksit uzaklaştırma etkinliği % 46,0 ve H2S uzaklaştırma etkinliği % 96,0 olarak hesaplanmıştır. Düşük basınçlarda ve kimyasal kullanmaksızın ılımlı bir gaz arıtma işlemi oldukça zor proseslerdir. Bu tez kapsamında bu zorluğun üstesinden gelmek için çok yüksek yüzey alanlarına sahip yenilikçi dolgu maddeleri ile önerilmektedir. 3. GRUP deneysel çalışmamızda ise, inovatif ve yenilikçi yönü olan, etkin yüzey alanları yüks ek olan biyomedialar kullanılmıştır. Bunlar, biyofix (800 m2/m3), hebei-sinta (1200 m2/m3), pingxiangdır (3500 m2/m3) ve bu dolgu maddelerinin etkisi konvansiyonel dolgu maddesi olan pall ring (217 m2/m3) ile karşılaştırılmıştır. Çalışmalar üç farklı absorpsiyon sıcaklığı (5, 13, 17°C) ve 5 farklı absorpsiyon basıncında (3, 4, 5, 6, 7 bar) 60 deney yapılarak gerçekleştirilmiştir. Beklenildiği gibi, düşük sıcaklıklarda metan derişimi artmış ve karbondioksit derişimi düşmüştür. Basıncın yükselmesi de aynı etkiyi göstermiştir. En iyi metan kazanım etkinliği (%27,7 ± 0,3) ve en iyi karbondioksit uzaklaştırma etkinliği (%42.1 ± 0,7) değerlerine pingxiang dolgu maddesi ile ve 5°C sıcaklık ve 7 bar kolon basıncı olan absorpsiyon koşullarında ulaşılmıştır. Bu koşullar altında H2S derişimi 78 ppm'den 8 ppm'e düşmüştür. Deneylerimizde gaz yıkama sularının pH'ı 7,5'ten 4,5'e düşmüş ve asidik özellikli su elde edilmiştir. Su ve gaz fazların akış hızlarının oranı 0,02'de sabit tutulmuştur.

Abstract:
The purification of biogas by water scrubbing method in a laboratory scale treatment system has been studied. Three groups of experimental studies were carried out. In the 1st group experimental study, troubleshooting of the design and installation and determination of the optimal flow rates were carried out. Two types of packing materials were used in the absorption column and biogas measurements were made by increasing the column pressure of 3 bar. Our 1st GROUP experimental studies constituted the preparatory stage in which the deficiencies in the experimental system were eliminated. In the 2nd GROUP experimental studies, 3 types of packing materials were used, 2 of which were random and 1 of which was structure type. These are biofix, pall ring and metal wire wrap fillers, and the effect of these packings on the surface active area and pressure on the concentration of biogas components has been investigated. The flow rates of gas and water fluids were kept constant throughout the study, the studies were carried out at room temperature, and the column pressure was kept between 1-5 bar. In the separation of CO2 and H2S gases, which constitute impurities, from methane, the best performance was obtained with biofix, and high methane concentrations were obtained by increasing the column pressure. In these studies, the methane recovery efficiency was calculated as 28.3%, the carbon dioxide removal efficiency as 46.0% and the H2S removal efficiency as 96.0%. Moderate gas purification at low pressures and without the use of chemicals is a very difficult process. In this thesis, innovative packing materials with very high surface areas are proposed to overcome this challenge. In our 3rd GROUP experimental study, biomedia with innovative and innovative aspects and high effective surface areas were used. These are biofix (800 m2/m3), hebei-sinta (1200 m2/m3), pingxiang (3500 m2/m3) and the effect of these fillers is compared with the conventional packing material, pall ring (217 m2/m3). The studies were carried out by performing 60 experiments at three different absorption temperatures (5, 13, 17°C) and 5 different absorption pressures (3, 4, 5, 6, 7 bar). As expected, the methane concentration increased and the carbon dioxide concentration decreased at low temperatures. The increase in pressure also had the same effect. The best methane recovery efficiency (27.7±0.3%) and carbon dioxide removal efficiency (42.1±0.7%) were achieved with pingxiang filler and absorption conditions at 5°C temperature and 7 bar column pressure. Under these conditions, the H2S concentration decreased from 78 ppm to 8 ppm. In our experiments, the pH of the gas washing waters decreased from 7.5 to 4.5 and acidic water was obtained. The ratio of the flow rates of the water and gas phases was kept constant at 0.02.