Mini kanal Fischer tropsch reaktörünün hidrodinamiği
Hydrodynamics of the minichannel Fischer tropsch reactor
Yazar: SELAY UZUNLAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERTUĞRUL ERKOÇ
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Fischer Tropsch sentezi için mikroreaktörler son zamanlarda hem akademik hem de endüstriyel araştırma toplulukları tarafından büyük ilgi görmüştür. Bu reaktörler diğer reaktörlerde gözlenen sorunlara alternatif çözümler sunar. Endüstriyel işletmelerde sermaye maliyetlerinde önemli bir düşüş ve reaktör boyutlarında avantaj sağlarlar.
FTS'inde kullanılan sentez gazı; kömürden, doğal gazdan veya biyokütleden üretilebilir ve hammadde açısından zengindir. Çok iyi ısı ve kütle transferi gerektiren bu sentez, geleceğin enerji sistemlerinde önemli bir rol üstlenmeye adaydır.
Taylor akış, çok verimli ısı ve kütle transferinin ürün seçiciliğinde önemli olduğu, çok fazlı reaksiyonlarda ürün verimliliğini artırmak için kullanılan mikro reaktörlerdeki gaz-sıvı reaksiyonlarının gerçekleşmesinde sıkça tercih edilen iki fazlı bir akıştır. Taylor akışıyla ilgili çalışmalar pratikteki çok sayıda uygulamalarından dolayı son birkaç yılda bir çok araştırmaya konu olmuştur.
Bu tezde mini ve mikro kanallarda kontrollü ve tam Taylor akışı sağlayarak; Taylor akış rejimindeki kabarcıklar arasında kalan sıvı slug içindeki girdap oluşumu sayesinde Fischer Tropsch için verimli ısı ve kütle transferi sağlayan hidrodinamik koşullar incelenmiştir. Bilinen çalışmalardan farklı olarak gerçek reaksiyon gazları ve sıvısı kullanılarak besleme yapılmıştır.
Çalışma 4 kısımdan oluşmaktadır. İlk aşamada 1 mm çapındaki L,Y,T tipi minikanal reaktörlerde CO ve H2 gazları ile olefin sıvısı arasında düzenli Taylor akışı veren hızlar ve şartlar tespit edilmiştir.
İkinci aşamada boyutsuz sayılar hesaplanmış, buna bağlı olarak literatür modelleri ile deneysel sonuçlar MATLAB yazılımı kodlamaları kullanılarak karşılaştırılmıştır.
Üçüncü aşamada yeni bir model önermesi yapılarak slug ve kabarcık uzunlukların deneysel ve teorik uygunluğuna, kanal tipleri ve gaz türüne göre değişimlerine bakılmıştır.
Son aşamada ise önerilen modellemeler, kabarcık ve slug uzunluğu hesaplanmasında gaz tipinden bağımsız olarak kullanılabilmesi için düzeltilmiş ve L,Y,T tipi mini kanallarda kullanılabilecek 3'er model elde edilmiştir.
Çalışma sonunda, kabarcık ve slug uzunluklarının gaz ve sıvı yüzeysel hızlarından önemli ölçüde etkilendiği, sisteme gönderilen gaz türünün uzunluklara etkisinin az olduğu ve bu nedenle ihmal edildiği, kanal tipinin slug uzunluğu üzerinde kabarcık uzunluğundan daha etkili olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Microreactors for Fischer Tropsch Synthesis (FTS) have drawn intense interest from both academia and industrial reaches groups recently. They provide alternative solution to traditional reactor drawbacks. They conduce fast heat and mass transfer by reducing transfer distances. They lead drop in industrial capital cost and they have miniature size benefits.
Syngas as a reactant of FTS is very rich about raw material and it can be produced form coal biodiesel. While FTS can be called as candidate to dominate future energy systems, it requires great heat and mass transfers about product selectivity. So, it is come up with microreactors for multi-phase flows.
Taylor flows is used to perform gas-liquid reaction in microchannel and it is efficient for harsh reactions with large transfer area. There have been many reaches for investigating it performance in different area.
In this thesis, It was investigated Taylor floe hydrodynamics which is lead heat and mass transfer by vortex is between slug and bubble with controlled and exact Taylor flow. The difference of this study from literature is using the real reaction gas and liquids.
The study can be divided four parts. In first part It is identified the velocities which is forming exact Taylor flow in 1 mm micro channel with L, Y, T type connection. In the second part dimensionless number is calculated and the obtained bubble and slug lengths are compared with the modellings in literature. Then, the following it is suggested new models up to slug and bubble length in different reactor and gas type with high correlations. Lastly, the models are regulated as independent form gas type to calculate bubble and slug length as three equations which is representing reactor connection type L, Y, T.
As a result, it is determined there are high efficiency of velocity on bubble and slug length while gas type is poor effect on them. So density, surface tension, and viscosity of the gas is come about as efficient parameters and Cannel connection type is more active on them.