Skip to main content

Odseki

J2-1724

Izdelava novega reaktorskega koncepta za mikrokinetične študije ter njegova uporaba za selektivno oksidativno dehidrogenacijo alkanov in spajanje metana

Vodja projekta: Dr. Andrej Pohar

 

Vsebinski opis projekta

Reaktorski sistem, katerega bo sestavljal ogrevan reaktor s strnjenim slojem katalizatorja z regulatorji pretoka in tlaka, bo oblikovan z računalniško podprtim načrtovanjem, in bo izdelan v odseku. Načrtovanje reaktorjev temeljimo na načelu tehnik intenzifikacije procesov, za proizvodnjo v skladu z učinkovito rabe naravnih virov in energije, pri čemer je zagotovljen natančen nadzor nad pogoji delovanja in enakomerna porazdelitev zadrževalnih časov reaktantov in produktov. Učinkovito upravljanje toplote je ključnega pomena in želena je homogena porazdelitev temperature, kar bo doseženo s pomočjo CFD simulacijami prenosa toplote. V tem primeru je bistveno kako hitro lahko plin segrejemo v reaktorju glede na njegov pretok in tako ugotovimo tudi, ali potrebujemo pred-gretje. Reaktor bo imel možnost recikla s kondenzacijsko enoto za odstranjevanje vode. Temperatura in pretok se bosta prilagajala zapisanemu programu, kar bo omogočilo nemoteno in neprekinjeno eksperimentiranje preko več dni. Avtomatizacija izdelanega reaktorja bo izvedena z izdelavo regulacijsko-avtomatizacijskega sistema (SCADA), kar bo pomembno tudi za vse ostale izvajane in prihodnje projekte ter za upravljanje reaktorjev na večji skali.

Reaktor bo modeliran z disperznim modelom, ki bo upošteval pojave konvekcije, difuzije, disperzije in reakcije, kateri najbolj vplivajo na celoten proces kemijske pretvorbe. Izvedeno bo večnivojsko modeliranje. Mikrokinetični model bo razvit ob upoštevanju mehanizmov, določenih z DFT in Monte Carlo kinetičnimi izračuni. Določili bomo empiričen izraz za reakcijsko hitrost iz limitnih korakov mikrokinetičnega modela, kar bo omogočilo obsežne simulacije pri različnih procesnih pogojih. Modeliranje bomo izvedli v programskem jeziku Python z uporabo numeričnih in znanstvenih modulov. Metodo končnih razlik bomo uporabil za diskretizacijo računske domene. Bolj zapleteno modeliranje CFD bo izvedeno s programom OpenFOAM; v tem primeru bodo izvedene CFD simulacije realnega nasutja v reaktorju s strnjenim slojem. Delce katalizatorja bomo zasnovali glede na pridobljene SEM slike. Simulirali bomo cilindrični izsek, ki bo predstavljal celotno nasutje, kar bo učinkovito znižalo potrebno računsko moč in spomin. S pomočjo CFD simulacij bomo pridobili hitrostno in tlačno polje znotraj reaktorja. Po uvajanju snovnega transporta in reakcijske kinetike bomo dobili natančno sliko koncentracijske porazdelitve vseh komponent plina. Popolna predstavitev bo omogočala nadaljnjo optimizacijo reaktorja in oblike katalizatorja (npr. manjši padec tlaka, krajše difuzijske poti). Vzporedni izračuni bodo izvedeni na super-računalniku (»computer cluster«) na Kemijskem inštitutu. Razvit procesni model bo osnova za uspešno nadaljnje povečevanje procesa na pilotni ali na industrijski nivo. Regresijske analize z uporabo ustreznih algoritmov bom uporabil za zmanjševanje stroškov delovanja in zagotavljanje najugodnejšega obratovanja.
Reaktor z visokim hitrostnim gradientom bo zagotovil pridobitev dejanskih kinetičnih parametrov, model CFD pa bo vključeval snovi transport, tako kot je stanje v realističnem reaktorju. To bo omogočilo optimizacijo reaktorske geometrije za pilotno in industrijsko raven, kjer bo uporabljen katalizator v obliki peletov. Na primer, če so difuzijske poti do površine katalizatorja prevelike, se lahko uporabijo manjši delci; če bo padec tlaka previsok, se lahko simulirajo različne oblike peletov, hitrost pretoka pa se lahko prilagodi glede na širino in dolžino reaktorja. Kompromis je vedno prisoten in na ta način se je mogoče približati optimalnemu delovanju. V idealnem primeru bodo rezultati 3D CFD modela blizu rezultatom 1D modela, v katerem ni radialnih variacij hitrostnega polja in koncentracij. Prav tako bo zelo zanimivo videti, katera korelacija za padec tlaka bo najbolj natančna v primerjavi s rezultati CFD in kako oblika peletov vpliva na tokovni profil in padec tlaka.

 

Osnovni podatki glede financiranja

Projekt financira ARRS v okviru cenovne kategorije C za obdobje treh let v obsegu 2.469 letnih ur. Pričetek financiranja je 1. 7. 2019.

 

Faze projekta in njihova realizacija

WP1: Delovni paket 1 opisuje načrtovanje in izgradnjo sistema reaktorja z strnjenim slojem katalizatorja, ki temelji na tehnologiji intenzifikacije procesov, za učinkovito proizvodnjo kemikalij z natančnim nadzorom delovnih pogojev, avtomatskim nadzorom in spremljanjem ter analitsko opremo za analizo sestave plinov. Celoten razvoj in delovanje reaktorja je bil predstavljen in opisan na konferenci SKD (Slovenski kemijski dnevi COBISS.si - ID 80967427).

WP2: V sklopu WP2 se pripravi katalizatorje, in se jih razvrsti glede na njihovo aktivnost, selektivnost in stabilnost, ter optimizira z uporabo kombinacij različnih materialov in geometrij, s ciljem razvoja tehnologije, primernih za komercialno uporabo, in doseganja skoraj 100-odstotne selektivnosti proti želenim alkenom [1,2].

 

 

WP3: V sklopu WP3 se izvedejo eksperimenti z oksidativno dehidrogenacijo ogljikovodikov ter oksidativnim sklapljanjem metana, da bi proizvedli kemične produkte z visoko selektivnostjo, kar naj bi imelo velik vpliv na znanstveno in industrijsko skupnost, predvsem zaradi okolijskih pomislekov [3,4].

 

 

WP4: Z združevanjem pristopov, kot so mikrokinetičnega modeliranje, simulacije CFD in določanje oblike delca katalizatorja, je bil razvit procesni model, ki je omogočil optimizacijo geometrije reaktorja in ekonomsko učinkovitost, kar je omogočilo uspešno širitev procesa na pilotsko in industrijsko raven z uporabo regresijskih analiz za zmanjšanje stroškov in zagotavljanje najučinkovitejšega delovanja [5–7].

WP5: Analiza rezultatov in stanja je omogočila razvoj poslovnega scenarija, ki je vključeval analizo trga in izdelka, ter definiral poslovni model z možnimi partnerji, stroški, dejavnostmi, viri, kupci, prihodki, odnosi s kupci, kanali in vrednostno ponudbo, ter je bil dokončan ob koncu tretjega leta.

 

 

Bibliografske reference, ki izhajajo neposredno iz izvajanja projekta

[1]         D. Bajec, A. Kostyniuk, M. Huš, M. Grom, A. Pohar, B. Likozar, Catalytic methane halogenation by bromine over microporous SAPO-34 zeolite material towards methyl bromide, dibromomethane and hydrogen bromide, J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 142 (2023) 104645. doi.org/10.1016/J.JTICE.2022.104645.

[2]         D. Bajec, M. Grom, D.L. Jurković, A. Kostyniuk, M. Huš, M. Grilc, B. Likozar, A. Pohar, A Review of Methane Activation Reactions by Halogenation: Catalysis, Mechanism, Kinetics, Modeling, and Reactors, Process. 2020, Vol. 8, Page 443. 8 (2020) 443. doi.org/10.3390/PR8040443.

[3]         M. Huš, D. Kopač, D. Bajec, B. Likozar, Effect of Surface Oxidation on Oxidative Propane Dehydrogenation over Chromia: An Ab Initio Multiscale Kinetic Study, ACS Catal. 11 (2021) 11233–11247. doi.org/10.1021/ACSCATAL.1C01814/ASSET/IMAGES/LARGE/CS1C01814_0014.JPEG.

[4]         D. Kopač, B. Likozar, M. Huš, Metal-doped Cr2O3 as a catalyst for non-oxidative propane and butane dehydrogenation: A multiscale kinetic study, Appl. Surf. Sci. 575 (2022) 151653. doi.org/10.1016/J.APSUSC.2021.151653.

[5]         Ž. Kovačič, B. Likozar, M. Huš, Electronic properties of rutile and anatase TiO2 and their effect on CO2 adsorption: A comparison of first principle approaches, Fuel. 328 (2022) 125322. doi.org/10.1016/J.FUEL.2022.125322.

[6]         A. Pohar, A Review of Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulations of Mixing in the Pharmaceutical Industry, Biomed. J. Sci. Tech. Res. 27 (2020). doi.org/10.26717/BJSTR.2020.27.004494.

[7]         D. Ješić, V. Erklavec Zajec, D. Bajec, G. Dolanc, G. Berčič, B. Likozar, Computational investigation of auto-thermal reforming process of diesel for production of hydrogen for PEM fuel cell applications, Int. J. Energy Res. 46 (2022) 17068–17083. doi.org/10.1002/ER.8370.

 

Logotip ARRS in drugih so-financerjev

Za slepe in slabovidne(CTRL+F2)
barva kontrasta
velikost besedila
označitev vsebine
povečava