Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Towards an intrinsic kinetic model for the partial oxidation of methanol using a MoFe catalyst

Schmidt, Manfred LU (2020) KETM05 20192
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract (Swedish)
På en testuppställning med 5 mikrorektorer, utfördes en serie kinetiska tester. Uppställningen möjliggör matning av variabla koncentrationer av metanol, vatten, dimetoxymetan och CO. Även reaktionstemperatur och tryck in i rektorerna är justerbart. Rektorerna är parallella och matas en i taget, vilket gör att 5 prover kan testas under samma förhållanden utan avbrott. Begränsningar på grund av mass- och värmetransport utvärderas och minimeras med hjälp av teoretiska kriterier och experiment.Uppställningen användes för att göra kinetiska tester på metanoloxidation över en kommersiell järnmolybdat katalysator. Resultaten användes för att uppskatta parametrarna i en simpel modell som sedan stämdes av mot ett nytt sätt av tester som... (More)
På en testuppställning med 5 mikrorektorer, utfördes en serie kinetiska tester. Uppställningen möjliggör matning av variabla koncentrationer av metanol, vatten, dimetoxymetan och CO. Även reaktionstemperatur och tryck in i rektorerna är justerbart. Rektorerna är parallella och matas en i taget, vilket gör att 5 prover kan testas under samma förhållanden utan avbrott. Begränsningar på grund av mass- och värmetransport utvärderas och minimeras med hjälp av teoretiska kriterier och experiment.Uppställningen användes för att göra kinetiska tester på metanoloxidation över en kommersiell järnmolybdat katalysator. Resultaten användes för att uppskatta parametrarna i en simpel modell som sedan stämdes av mot ett nytt sätt av tester som verifikation. Med ett r2-värde på 76.7% kan modellen räknas som ett första utkast med möjlighet till förbättring. Ett värde på “predicted”r2-värde beräknades också (76.6%). Likheten mellan dessa kan tolkas som en stabilitet i modellen.Även omr2-värdet är ganska lågt så modelleras huvudkomponenterna, förutom syret, relativt bra.En parameter i modellen, i oxidationsreaktionen av formaldehyd, kunde inte beräknas. Detta kan ses som en brist i modellen.I studien testades även åldring av katalysatorn. Resultaten visar att åldringen påverkar omsättning av metanol och selektiviteten mot formaldehyd och övriga biprodukter. Den här effekten reducerades dock när vatten matades tillsammans med metanol. (Less)
Abstract
A series of kinetic experiments were performed using a custom made 5-micro reactor setup. The setup allows for input of varying concentration of methanol, water, dimethoxymethane and O2, and adjustable reaction temperature, and pressure. The reactors are used in sequence, to allow5 different samples to be tested under the same conditions. The influence of mass and heat transport limitations were checked, and reduced, using a combination of theoretical criteria and experiments. The setup was used to take measurements in the kinetically limited region on methanol oxidation over a commercial iron molybdate type catalyst. The results were used to estimate the parameters of a simple model, and a set of new tests were used as verification. With... (More)
A series of kinetic experiments were performed using a custom made 5-micro reactor setup. The setup allows for input of varying concentration of methanol, water, dimethoxymethane and O2, and adjustable reaction temperature, and pressure. The reactors are used in sequence, to allow5 different samples to be tested under the same conditions. The influence of mass and heat transport limitations were checked, and reduced, using a combination of theoretical criteria and experiments. The setup was used to take measurements in the kinetically limited region on methanol oxidation over a commercial iron molybdate type catalyst. The results were used to estimate the parameters of a simple model, and a set of new tests were used as verification. With an r2-value equal to 76.7%, the model is to be considered a first draft and a proof of concept. However, the similarity of the predicted r2-value (76.6%) can be seen as a sign of robustness. Despite the lowr2-value, the model manages to capture the behaviour of the main components, except oxygen. One parameter for the oxidation reaction of formaldehyde could not be estimated, which indicates that this part is lacking in the model. A short study of the effects of ageing was conducted. The result indicated changing conversion of methanol and changing selectivities towards formaldehyde and the different byproducts at higher temperatures. This effect was reduced when water was present in the feed. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Hur matematisk modellering underlättar effektiviseringsarbetet inom formaldehydproduktion.
Formaldehyd är en liten molekyl som består av en kolatom en syreatom och två väteatomer. Kombinationen av atomer tillsammans
med det faktum att den är liten gör den väldigt användbar. Till exempel så används formaldehyd som ett lim i flera olika träprodukter som MDFskivor och plywood. Det används även i kombination med andra ämnen för att tillverka en mängd olika plastdetaljer som bland annat kan hittas i bilar. Ett annat viktigt användningsområde är som desinficerings- och konserveringsmedel.
Tillverkning
Det som kommer ut ur en formaldehydfabrik är en lösning av formaldehyd i vatten, och ofta med lite metanol. Metanolen minskar risken för att... (More)
Hur matematisk modellering underlättar effektiviseringsarbetet inom formaldehydproduktion.
Formaldehyd är en liten molekyl som består av en kolatom en syreatom och två väteatomer. Kombinationen av atomer tillsammans
med det faktum att den är liten gör den väldigt användbar. Till exempel så används formaldehyd som ett lim i flera olika träprodukter som MDFskivor och plywood. Det används även i kombination med andra ämnen för att tillverka en mängd olika plastdetaljer som bland annat kan hittas i bilar. Ett annat viktigt användningsområde är som desinficerings- och konserveringsmedel.
Tillverkning
Det som kommer ut ur en formaldehydfabrik är en lösning av formaldehyd i vatten, och ofta med lite metanol. Metanolen minskar risken för att lösning stelnar (polymeriserar). Eftersom lösningen stelnar snabbare när temperaturen sjunker så tillverkas formaldehyd nästan alltid nära den industri som använder ämnet. Detta innebär att produktionen ofta måste vara flexibel och att storleken på fabriken kan variera beroende på hur mycket som behövs på den plats där formaldehyden tillverkas.
För att tillverka formaldehyd används en katalysator som består av järn, syre och en metall som heter molybden. Katalysatorn är formad som små porösa ringar, tänk Froot Loops, för att ytan ska bli så stor som möjligt, men ändå hålla ihop på ett bra sätt. Ringarna läggs i rör som värms upp från utsidan till ca 400°C med hjälp av ånga eller olja. Rören och värmningen är inneslutna av en behållare. Gemensamt brukar dessa delar kallas en reaktor. Ju fler rör som finns i reaktorn desto mer formaldehyd kan produceras. Igenom rören leds en gasblandning som består av kvävgas med ca 10% metanol, 10% syre och lite vatten. Gasen tränger in i katalysatorn och när metanolen kommer i kontakt med ytan så reagerar den till formaldehyd och vatten. Ibland kan det dock ske andra reaktioner, varpå andra ämnen bildas. Dessa är inte önskvärda och separeras från gasen innan den slutgiltiga produkten kan skickas vidare.
Effektivisering
Det finns många olika sätt att göra en process mer effektiv, både sett till energi och material. Eftersom både produktionen av metanol och formaldehyd kräver energi och leder till utsläpp av växthusgaser så är det viktigt att så stor andel som möjligt av metanolen blir formaldehyd i slutändan. Detta kan regleras genom att variera koncentrationen av metanol, syre och vatten i gasen som leds in till reaktorn, eller förändra temperatur och tryck i reaktorn. Ett annat sätt att höja andelen är att lägga till ämnen, eller ändra formen på katalysatorn. För att ta reda på hur tillverkningsprocessen kan göras så effektiv som möjligt görs kontinuerligt tester på nya varianter av katalysatorn under olika förhållanden. Dessa tester är mycket tidskrävande och det är ofta svårt att veta på förhand vad som kommer att fungera eller inte.
Modellera verkligheten
Genom att skapa en modell som beskriver de reaktioner som sker i reaktorn utifrån de yttre förhållandena så skulle vissa resultat kunna förutspås med hjälp av en dator. Praktiska försök kommer dock alltid att behövas inom forskningen, då en modell alltid är en förenkling av verkligheten och därmed inte alltid stämmer till 100%.
Fördelen med datorn är att det tar mycket kortare tid att räkna fram ett resultat än vad det tar att göra samma test i praktiken. Datorn skulle därför kunna räkna fram resultaten från en mängd olika förhållanden och ge förslag på vilka tester eller förhållanden som ger bäst resultat. Dessa tester skulle sen kunna göras praktiskt för att dubbelkolla att resultaten från modellen stämde. Därmed har kan mängden praktiska försök minskas avsevärt.
För att göra en modell så behövs två huvudsakliga delar. Den första är ett sätt att beskriva vad som händer på ett sätt som datorn kan förstå. Detta görs oftast med hjälp av så kallade modellekvationer. En modellekvation fungerar som en koppling mellan de yttre (mätbara) förhållandena och ett resultat. Det andra är en mängd datapunkter som beskriver resultatet för ett specifikt förhållande. Datapunkterna används för att bestämma konstanter i modellekvationerna. Efter att detta är gjort kan modellen jämföras med nya testvärden för att se hur bra modellen beskriver verkligheten.
Genom att förfina de metoder som används för att göra mätningar, och förbättra modellen, så kan den användas för att minska mängden jobb som krävs för att hitta nya bättre katalysatorer och metoder för att tillverka formaldehyd. På så sätt minskar industrins kostnader samtidigt som utsläpp av växthusgaser reduceras. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Schmidt, Manfred LU
supervisor
organization
course
KETM05 20192
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
formaldehyde, intrinsic kinetics, modelling, plug-flow reactor, molybdenum, chemical engineering, kemiteknik
language
English
id
9024290
date added to LUP
2020-07-31 14:33:41
date last changed
2020-07-31 14:33:41
@misc{9024290,
  abstract     = {{A series of kinetic experiments were performed using a custom made 5-micro reactor setup. The setup allows for input of varying concentration of methanol, water, dimethoxymethane and O2, and adjustable reaction temperature, and pressure. The reactors are used in sequence, to allow5 different samples to be tested under the same conditions. The influence of mass and heat transport limitations were checked, and reduced, using a combination of theoretical criteria and experiments. The setup was used to take measurements in the kinetically limited region on methanol oxidation over a commercial iron molybdate type catalyst. The results were used to estimate the parameters of a simple model, and a set of new tests were used as verification. With an r2-value equal to 76.7%, the model is to be considered a first draft and a proof of concept. However, the similarity of the predicted r2-value (76.6%) can be seen as a sign of robustness. Despite the lowr2-value, the model manages to capture the behaviour of the main components, except oxygen. One parameter for the oxidation reaction of formaldehyde could not be estimated, which indicates that this part is lacking in the model. A short study of the effects of ageing was conducted. The result indicated changing conversion of methanol and changing selectivities towards formaldehyde and the different byproducts at higher temperatures. This effect was reduced when water was present in the feed.}},
  author       = {{Schmidt, Manfred}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Towards an intrinsic kinetic model for the partial oxidation of methanol using a MoFe catalyst}},
  year         = {{2020}},
}