TAHLİYE CİHAZI SEÇİMİ /ŞEYDA ERTARLA

HİDROJEN TEKNOLOJİLERİ: HİDROJEN KURUTUCULAR

Ayşe Dİlay ERDALI Kimya Mühendisi YEDİC Mühendislik

Çok yönlü kullanıma sahip olan ve “enerji taşıyıcısı” olarak nitelendirilen hidrojen günümüzde mevcut olan teknolojiler aracılığıyla depolanabilir, taşınabilir ve kullanılabilir durumdadır. Yenilenebilir kaynaklar, nükleer, doğal gaz, kömür ve yağ dahil olmak üzere çok çeşitli kaynaklardan hidrojen üretilebilmektedir. Endüstrilerde ham madde olarak kullanılabilmektedir. Hidrojen boru hatları ile veya sıvı halde, sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) gibi gemilerle taşınabilmektedir. Ulaşım araçlarında güç kaynağı olarak kullanılmak üzere arabalar, kamyonlar, gemiler ve uçaklar için yakıta dönüştürülebilmektedir. Endüstriyel tesislerde hidrojen kullanımı; petrol rafinerilerinde (%33), amonyak üretiminde (% 27), metanol üretiminde (%11) ve demir çelik üretiminde (%3) oranındadır. Hidrojen üretim pazarının 2022 yılında yaklaşık 155 milyar dolar değerine yükselmesi bekleniyor. Orta ila uzun vadede, özellikle petrol rafinerileri, petrokimya sektöründe hidrojen kullanımı için önemli bir potansiyel vardır. Hidrojen talebinin ise üçte biri ulaşım sektöründeki uygulamalar içindir. Shell’in 2017’de yaptığı çalışmada, saf hidrojenin kullanıldığı 113 milyon yakıt hücreli elektrikli aracın (FCEV) 2050 yılında ulaştırma sektöründeki enerji tüketimini ve sera gazı emisyonlarını azaltmada önemli katkı sağlayacağı ve 68 milyon ton yakıt ve yaklaşık 200 milyon ton karbon emisyonundan tasarruf sağlayabildiği sonucuna varmıştır[1]. Şekil 1.1.’de hidrojen üretim teknolojilerine ait şematik bir gösterim bulunmaktadır.

Şekil 1.1. Hidrojen üretim teknolojileri [2].

2019 yılı itibariyle dünyada yaklaşık 70 milyon ton (Mt) “saf” hidrojen talebi bulunmaktadır. Burada "saf" olarak nitelendirilen hidrojen, kirletici maddelere tölerasyonu az olan uygulamalarda kullanılan ve spesifik uygulamalarda ihtiyaç duyulan hidrojen anlamına gelmektedir. Günümüzde üretilen hidrojenin % 95'inden fazlası fosillerden (ve az miktarda biyo-proseslerden) üretilmektedir ve üretilen hidrojen saf değildir[3]. Hidrojene ihtiyaç duyan tesisler maliyetler sebebi ile hidrojeni kendi bünyelerinde üretmek zorundadırlar. Bu nedenle dünyada saf hidrojen ihtiyacı artarken hidrojen saflaştırma ekipmanlarına ihtiyaç da artacaktır.

Hidrojen içerisindeki nem; membran kurutucular, soğutmalı kurutucular, adsorpsiyon tipi kurutucular ile ayrılabilmektedir. Membran kurutucular yüksek maliyete sahipken, soğutmalı kurutucuların hidrojen saflığı açısından geliştirilmesi gerekmektedir. Bu noktada adsorpsiyon tipi kurutucular hidrojen saflaştırma için gelecek vadetmektedir. Saf hidrojen gazının son ürün olduğu proseslerde kullanılan adsorbentli kurutucuların tasarımı oldukça karmaşıktır. Tasarım; adsorpsiyon teorisi hakkında derin bir bilgiye, optimal proses koşullarına, adsorpsiyona etki eden besleme ve son ürün bileşenlerinin özelliklerinin iyi tanımlanmasına dayalıdır. Optimal bir tasarım, proses verimliliğini ve adsorpsiyon kolonunun ömrünü uzatarak proses ömrünü en üst düzeye çıkarabilir [3].

Hidrojenden nemin giderilmesi amacıyla kullanılan adsorpsiyon tipi kurutucu sistemi genel olarak kuru tulacak hidrojen gazı, su buharı, katı bir adsorbent/desikant, süpürme gazından meydana gelmektedir. Adsorpsiyon işlemi bir mekanizmaya dayanmaktadır. Gaz halindeki moleküller van der Waals kuvvetleri, polar-polar çekim, iyon-iyon çekim, polar-iyon çekim, London kuvvetleri, yerçekimi ve tanımlanmamış diğer moleküller arası kuvvetler tarafından katı yüzeylere çekilmektedir. Bu kuvvetlerden bazıları 500 ila 1000 Angstrom gibi aralıklarda bile önemli derecede etkilidir[4]. Adsorbentlerin yüksek adsorpsiyon potansiyeline sahip yüzeyleri var dır. Kurutucularda kullanılan adsorbentler En genel anlamda kurutucularda kullanılacak adsorbentin seçiminde nem tutabilme kapasitesi, rejenerasyon sıcaklığı, çiğlenme noktası, fiziksel kararlılık, rejenerasyon döngü sayısı, maliyet ve ömür önem arz etmektedir. Aktif alumina, moleküler elek ve silika jeller endüstride en yaygın kullanılan adsorbent tipleridir. Alüminyum oksit (Al2O3) olarak bilinen alümina çeşitli kristal şekillerde bulunmaktadır[5]. Moleküler elekler sentetik zeolitler olarak da bilinmektedir. Nemi silika jel veya kilden daha güçlü bir şekilde tutmasına karşın rejenerasyon sıcaklığı diğer adsorbentler göre daha yüksektir. Ancak saflaştırılmak istenen gaz, çok düşük bir bağıl neme sahipse moleküler elekler bu tip sistemlerde ekonomik olmaktadır. Resim 1.1.’de aktif aluminaya yer verilirken Resim 1.2.’de moleküler elek örneği yer almaktadır.

Resim 1.1. Aktif Alumina

Resim 1.2. Moleküler Elek Silika jel, bileşiminde yüksek miktarda silisyum dioksit (SiO2) bulunduran bir adsorbent türüdür. Amorf gözenekli bir yapıya sahiptir. Birbirine bağlı bu gözenekler, adsorpsiyon ve kılcal yoğunlaşma ile suyu çeken ve tutan geniş bir yüzey alanı oluşturmaktadır. Silika jelin popülaritesi, aşındırıcı olmayan, toksik olmayan yapısından kaynaklanmaktadır. Ayrıca silika jellerin rejenerasyon ısısı diğer adsorbentlere göre düşük olduğundan hidrojen kurutma proseslerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Silika jellerin adsorpladıkları nem miktarına bağlı olarak doygun hale geldiğinde renk değiştiren türleri mevcuttur. Resim 1.3.’te adsorpladığı su miktarına/doygunluklarına göre renk değiştiren ve renk değiştirmeyen silika jellere ait örneklere yer almaktadır.

Resim 1.3. Neme doygunluklarına göre renk değiştiren ve renksiz silika jel türleri

Hidrojen kurutucularda kullanılacak adsorbent türü, saflaştırma işlemini etkileyen en önemli parametrelerden biridir. Adsorbentlerin adsorpsiyon kapasiteleri saflaştırma işleminin niteliğini belirlemektedir. Adsorbentlerin nem tutma kapasiteleri bağıl neme ve zamana bağlı olarak değişmektedir. Şekil 1.2.’de değişen bağıl neme göre farklı adsorbent türlerinin su tutma kapasitelerine yer verilmiştir. Şekil 1.3.’te ise %75 bağıl neme sahip bir gazın kurutma süresine bağlı olarak farklı adsorbent türlerinin su tutma kapasiteleri bulunmaktadır.

Süpürücü gaz olarak azot gazı kullanılmaktadır. Bunlara ek olarak hidrojen ekipmanlarında sızdırmazlık önemli bir ölçüt olduğu için hidrojen kurutucularda kullanılan akış kontrol ve güvenlik elemanları diğer kurutuculara göre farklılık arz etmektedir. Resim 1.4’te Türkiye’de ilk ve yerli hidrojen kurutucu olan Yedic Mühendislik firmasının ürünü yer almaktadır.

Şekil 1.2. Çeşitli adsorbentlerin bağıl neme göre H2O adsorpsiyon kapasitesi

Şekil 1.3. Çeşitli adsorbentlerin zamana göre H2O adsorpsiyon kapasitesi

KURUTUCULARIN TASARIMI

Hidrojen kurutucular, gazla temas ederek adsorbentler aracılığıyla nemi gazın bünyesinden ayırmaktadır. Kurutucu kolonlar

Resim 1.4. Rejeneratif Hidrojen Kurutucu

genellikle iki ya da daha fazla kolon kullanımıyla saflaştırma işlemini gerçekleştirmektedir. Kolonların içerisine adsorbentler belirli konfigürasyonlarda yüklenerek adsorpsiyon işlemi optimize edilmektedir. Nemi gidermek amacıyla kullanılan kurutma sistemleri de rejeneratif olaraf tasarlanabilmektedir. Rejeneratif gaz kurutma sistemlerin genel özelliği sistemin sürekli çalışmaya uygun bir tasarıma sahip olmasıdır. Rejenerasyon işlemi, adsorplama kapasitesi dolan adsorbentlerin kolondaki sıcaklık veya basınç değerinin düşürülmesiyle tekrar kullanılabilir hale getirilmesidir. Bu işlem sırasında nemli hidrojen gazı ikinci bir kolona yönlendirilip süreç kesintiye uğramadan kurutma işlemi devam etmektedir. Bu nedenle rejenerasyon işlemi, kurutucular için ayırt edici bir özelliktir[6]. Sistemde rejenerasyon işlemi için süpürücü gaza ihtiyaç vardır, hidrojen pahalı olduğu için süpürücü gaz olarak kullanılması istenmemektedir. Bu nedenle inert bir gazın süpürücü olarak sisteme beslenmesi gerekmektedir. [1] Adolf. J., Fischedick., M. Shell Deutschland Oil GmbH. (2017). Shell Hydrogen Study, Energy of the Future, Sustainable Mobility through Fuel Cells and H2. Hamburg.

[2] Nowotny, J. Hoshino, T. Dodson, Atanacio, J. Ionescu M., Peterson V., Prince K.E., Yamawaki, M. Bak, T. Sigmund, W. Veziroglu, N. Alim, M.A. (2016). Towards Sustainable Energy. Generation of Hydrogen Fuel Using Nuclear Energy. International Journal of Hydrogen Energy, 1-14.

[3] Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. Hydrogen Production: Natural Gas Reforming.https://www. energy.gov/eere/fuelcells/hydrogenproduction-natural-gas-reforming. 21 Şubat 2020.

[4] White, D. Weber, B. Donaldson Company, Inc. (2005). The Adsorption Dryer Process. CAGI Technical Article Program (TAP).

[5] Gülen, J. Boztepe, A. (2015). Aktif Alümina.https://inovatifkimyadergisi. com/aktif-alumina. 21 Şubat 2020. [6] Grace Davison, Sylobead Adsorbents for Process Applications, (2010). Almanya.