Hidrojen sıvılaştırma proses tasarımı ve optimizasyonu

Abstract

Bu tezde, hidrojenin enerji taşıyıcısı olarak kullanımında sıvılaştırma sürecinin önemi vurgulanmıştır. Sıvılaştırma, hidrojenin depolanması ve taşınması açısından kritik bir aşama olup, bu çalışma temel odak noktalarını oluşturmaktadır. Çalışma kapsamında, farklı tek bileşenli soğutucu akışkanların kullanıldığı ön soğutmalı Joule-Thomson hidrojen sıvılaştırma çevrimleri ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Hidrojenin etkin bir şekilde sıvılaştırılabilmesi ve çevrim performansının iyileştirilebilmesi amacıyla çeşitli kaskad Joule-Thomson çevrimleri önerilmiş ve bu çevrimler üzerinden bir boyutlu termodinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Analizlerde kullanılan akışkanların termo-fiziksel özellikleri, NIST REFPROP veri tabanından temin edilerek hesaplamalara dahil edilmiştir. Endüstride yaygın olarak kullanılan sıvılaştırma çevrimlerinin karşılaştığı teknik ve ekonomik zorluklar kapsamlı bir biçimde ele alınmış ve değerlendirilmiştir. Kaskad Joule-Thomson sıvılaştırma çevrimi, yüksek güvenilirlik, kolay ölçeklenebilirlik ve genleşme makinesine gerek duymaması gibi avantajlarla alternatif yöntemlere kıyasla öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, tezde geliştirilen bir boyutlu sayısal çözümleme modeli ile literatürde Chang ve Park [12] tarafından proses simülasyonu kullanılarak optimize edilen iki farklı ön soğutmalı hidrojen sıvılaştırma çevriminin performansları hesaplanmış ve modelin doğruluğu doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, söz konusu çevrimlerin performansını doğrulamakta ve yapılan optimizasyonların geçerliliğini ortaya koymaktadır. Çalışmada tasarlanan çevrimlerin termodinamik performansları, fayda değeri (FOM), ekserji verimi ve özgül enerji tüketimi gibi temel performans göstergeleri açısından değerlendirilmiş; elde edilen veriler mevcut alternatif çevrimlerle karşılaştırılmıştır. Önerilen kaskad Joule-Thomson hidrojen sıvılaştırma çevrimlerinin performansları, akışkanların NIST REFPROP veri tabanından elde edilen gerçek termodinamik-fiziksel özellikleri kullanılarak analiz edilmiştir. Ayrıca, tüm kademelerin basınç seviyeleri, bu tezde geliştirilen bir algoritma aracılığıyla optimize edilmiştir. Bu doğrultuda, dört ve iki ön soğutmalı, çok sıkıştırma seviyeli, ara-soğutmalı kaskad Joule-Thomson hidrojen sıvılaştırma çevrimleri tasarlanmış ve bu çevrimlere ilişkin optimum çalışma parametreleri ile termodinamik performans göstergeleri detaylı bir şekilde sunulmuştur. Sonuç olarak, önerilen 86,4 ton/gün üretim kapasiteli, tek bileşenli soğutucu akışkanların kullanıldığı, dört ve iki ön soğutma kademesine sahip, çok aşamalı ara-soğutmalı sıkıştırmalı ve çoklu Joule-Thomson vanasında genleşmeli kaskad Joule-Thomson hidrojen sıvılaştırma çevrimlerinin optimum çalışma parametreleri ve performans göstergeleri belirlenmiştir. Bu tezde geliştirilen kaskad Joule-Thomson hidrojen sıvılaştırma çevrimlerinde, çok basınç seviyeli ara-soğutmalı sıkıştırma ve çoklu Joule-Thomson vanasında genleşme yöntemleri ile çevrimlerin fayda değerleri ve ekserji verimlilikleri maksimize edilerek özgül enerji tüketimleri azaltılmıştır. Bu sayede literatüre ve endüstriyel uygulamalara önemli katkılar sağlanmıştır.This thesis emphasizes the importance of the liquefaction process in the utilization of hydrogen as an energy carrier. Liquefaction is a critical step for the storage and transportation of hydrogen, and it forms the core focus of this study. The research investigates in detail pre-cooled Joule-Thomson hydrogen liquefaction cycles using different single-component refrigerants. To effectively liquefy hydrogen and improve the cycle performance, various cascade Joule-Thomson cycles are proposed, and one-dimensional thermodynamic analyses are performed for these cycles. The thermophysical properties of the fluids used in the analysis are sourced from the NIST REFPROP database and incorporated into the calculations. The technical and economic challenges faced by commonly used liquefaction cycles in industry are comprehensively addressed and analyzed. The cascade Joule-Thomson liquefaction cycle stands out compared to alternative methods due to its advantages, such as high reliability, ease of scalability, and the lack of need for an expansion machine. In this context, the performance of two different pre-cooled hydrogen liquefaction cycles, optimized using process simulation by Chang and Park [12] in the literature, was calculated with the one-dimensional numerical solution model developed in this thesis, and the accuracy of the model was validated. The results obtained confirm the performance of the respective cycles and validate the optimization efforts. The thermodynamic performance of the cycles designed in this study is evaluated in terms of key performance indicators, such as the figure of merit (FOM), exergy efficiency, and specific energy consumption; the data obtained are compared with those of existing alternative cycles. The performance of the proposed cascade Joule-Thomson hydrogen liquefaction cycles was analyzed using the real thermodynamic and physical properties of the fluids, obtained from the NIST REFPROP database. Additionally, the pressure levels of all stages were optimized using an algorithm developed within this thesis. In this regard, four and two pre-cooling stage, multi-compression level, inter-stage cooled cascade Joule-Thomson hydrogen liquefaction cycles were designed, and the optimum operating parameters and thermodynamic performance indicators for these cycles were presented in detail In conclusion, the optimum operating parameters and performance indicators for the proposed cascade Joule-Thomson hydrogen liquefaction cycles, which utilize single-component refrigerants and have a production capacity of 86.4 tons per day, were determined. These cycles feature two and four pre-cooling stages, multi-stage inter-cooling compression, and expansion through multiple Joule-Thomson valves. In the cascade Joule-Thomson hydrogen liquefaction cycles developed in this thesis, the figure of merit (FOM) and exergy efficiency were maximized, and specific energy consumption was minimized through multi-pressure stage inter-cooling compression and expansion via multiple Joule-Thomson valves. As a result, this work makes significant contributions to both academic literature and industrial applications.