Silika destekli katalizörler varlığında alternatif yakıt üretimi: Dimetil eter - metanol
Alternative fuel production in the presence of supported silica catalysts: Dimethyl ether - methanol
Yazar: MERVE ÇELİK
Danışman: PROF. DR. NURAY OKTAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yüksek lisans tezi kapsamında, alternatif temiz yakıt olarak sentez gazından DME / MeOH üretimi katalizör çiftleri varlığında gerçekleştirilmiştir. Çalışmada doğrudan yöntem ile DME üretiminde kullanılan katalizör çiftlerinin, metanol dehidrasyon reaksiyonunda aktif olan asidik karakterli bileşeni sentezlenmiştir. Bu kapsamda hidrotermal yöntem kullanılarak mezogözenekli SBA-15 destek malzemesi hazırlanmıştır ve SBA-15'in yapısına emdirme yöntemi kullanılarak kütlece farklı oranlarda (%5, 10 ve 25) STA ilave edilmiştir. Metanol sentez katalizörü olarak ise CuO/ZnO/Al2O3 içerikli ticari HifuelR-120 (HF) katalizörü kullanılmıştır. Aktiviteleri incelenen katalizör çiftleri metanol sentez ve metanol dehidrasyon katalizörlerinin kütlece 1/1 oranında fiziksel karışımı ile hazırlanmıştır. Hazırlanan katalizörlerin yapısal ve fiziksel özelliklerinin belirlenmesi amacı ile N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, XRD, SEM-EDS, TPR, piridin adsorplanmış FTIR ve TG analizleri gerçekleştirilmiştir. Katalizörlerin basınca dayanıklı sürekli akış dolgulu kolon reaktör sisteminde 275oC sıcaklık, 50 bar basınç, H2/CO = 1/1 sabit molar besleme oranı ve 50 ml/dk akış hızı reaksiyon koşulları kullanılarak aktivite test çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan katalizör çiftleri arasında en yüksek katalitik aktivite değerine HF/25STA@SBA-15 katalizörü ile ulaşılmıştır. HF/25STA@SBA-15 katalizör çifti varlığında %41,1 CO dönüşümü ve %56,6 DME seçiciliği elde edilmiştir. Çalışmada HF/25STA@SBA-15 katalizör çifti varlığında 30-50 bar basınç ve 200-300oC sıcaklık aralığındaki reaksiyon parametrelerinin aktiviteye etkisi de incelenmiştir. Optimum reaksiyon sıcaklığı ve basıncı sırasıyla 275oC ve 50 bar olarak belirlenmiştir. Ayrıca doğrudan DME sentezinde oluşan CO2 gazının reaksiyondan uzaklaştırılması için HF/25STA@SBA-15 katalizör çifti ile birlikte kütlece 1/15 oranında kullanılan Huntitin 275oC sıcaklık ve 50 bar basınç reaksiyon koşullarında DME seçiciliğine etkisi incelenmiştir. HF/25STA@SBA-15/Huntit varlığında gerçekleştirilen aktivite test çalışmasında Huntitin CO2 tutma kapasitesinin reaksiyon süresince giderek azaldığı görülmüştür. Huntit varlığında gerçekleştirilen aktivite testi sonucunda ortalama CO dönüşümü ve DME seçiciliği sırasıyla %41,7 ve %56,8 olarak elde edilmiştir. Çalışma kapsamında sentez gazından doğrudan DME üretimi tek bir reaktörde gerçekleştirilerek metanol sentez reaksiyonun termodinamik sınırlamaları bertaraf edilmiştir ve daha yüksek CO dönüşümüne ulaşılmıştır.

Abstract:
Within the scope of the master thesis, production of DME/MeOH from synthesis gas as an alternative clean fuel was carried out in the presence of admixed catalyst pairs. In this study, the acidic component of the catalyst pairs used in direct synthesis of DME, which is active in the methanol dehydration reaction, was synthesized. For this purpose, the mesoporous SBA-15 support material was synthesized by hydrothermal method and STA incorporated into the structure of SBA-15 in different ratios by mass (5, 10 and 25%) by using impregnation method. Commercial HifuelR-120 catalyst containing CuO/ZnO/Al2O3 was used as a methanol synthesis catalyst. The admixed catalyst pairs used in this study were prepared with physically mixture of methanol synthesis and methanol dehydration catalysts by 1/1 mass ratio. N2 adsorption-desorption, XRD, SEM-EDS, TPR, pyridine adsorbed FTIR and TG analyzes were performed to determine the structural and physical properties of the prepared catalysts. Activity tests of catalysts were carried out in a pressure resistant fixed bed tubular reactor experiment system by using 275oC temperature, 50 bar pressure, 50 ml/min flow rate with syngas feed composition H2/CO = 1/1 molar ratio as a reaction parameters. Among the prepared catalyst pairs, HF/25STA@SBA-15 catalyst pair exhibited highest catalytic activity values with 41.1% CO conversion and 56.6% DME selectivity. In the presence of HF/25STA@SBA-15 catalyst pair, the effect of reaction parameters on the activity in the pressure range of 30-50 bar and temperature range of 200-300oC was also investigated. The optimum reaction temperature and pressure were determined as 275oC and 50 bar, respectively. Also, Huntite as a sorbent was used in mass ratio of 1/15 with HF/25STA@SBA-15 catalyst pair to remove CO2 gas formed in DME synthesis from the reaction medium. And the effect of sorbent on CO conversion and DME selectivity at 275oC temperature and 50 bar pressure reaction conditions was investigated. In the activity test performed in the presence of HF/25STA@SBA-15/Huntite, CO2 sorption capacity of Huntite was gradually decreasing during the reaction period. As a result of the activity test performed in the presence of sorbent, the average CO conversion and DME selectivity were obtained as 41.7% and 56.8%, respectively. In the study, the direct synthesis of DME from synthesis gas was carried out in a single reactor, and the thermodynamic limitations of the methanol synthesis reaction were overcome, thus higher CO conversion was achieved.