Fischer-Tropsch-katalyyttien aktiivisuuden karakterisointi
Åman, Elina (2017)
Åman, Elina
Metropolia Ammattikorkeakoulu
2017
All rights reserved
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2017110916785
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2017110916785
Tiivistelmä
Insinöörityö tehtiin osana VTT:llä käynnissä olevia hankkeita, joissa tutkitaan hiilidioksidin käyttöä Fischer-Tropsch-synteesin lähtöaineena. Tavoitteena oli selvittää, voiko hiilidioksidista tuottaa rautakatalyytillä kevyitä tai raskaita hiilivetyjä. Tutkittavina suureina käytettiin tuotejakeiden selektiivisyyksiä sekä katalyytin aktiivisuutta kuvaavia lähtöaineiden konversioita.
Kokeet suoritettiin putkireaktorissa, jonka ulostulovirtaan oli liitetty online-kaasukromatografi tuotteiden analysointia varten. Syötettävä seoskaasu pidettiin vakiona: 23,75 til-% hiilidioksidia, 71,25 til-% vetyä ja 5 til-% typpeä, jota käytettiin analysoinnissa sisäisenä standardina. Kokeellinen osa aloitettiin viidelle eri rautakatalyytille tehtävillä esikokeilla, joissa pidettiin vakiona syöttövirran virtausnopeus (6 l/h (NTP)) ja reaktorin paine (17 bar). Muuttujina olivat lämpötila ja katalyytin aktivoinnissa käytettävä kaasu (häkä ja seoskaasu). Esikokeiden tulosten perusteella tehtiin koesuunnitelma Fe-Cu-Al-K-katalyytille. Tarkoituksena oli mallintaa C2–C4-yhdisteiden ja hiilimonoksidin selektiivisyydet sekä CO2:n konversio. Koesuunnitelmassa suunnittelumuuttujina käytettiin lämpötilaa (330–430 °C), painetta (1–33 bar) ja tilavuusvirtaa (3–9 l/h (NTP)). Aktivoinnissa käytettävä kaasu jätettiin pois muuttujista, koska esikokeissa selvisi, että hiilimonoksidi aktivoi rautakatalyytin huomattavasti paremmin kuin seoskaasu.
Fe-Cu-Al-K-katalyytille tehtyjen kokeiden tulokseksi saatiin, että C2–C4-yhdisteiden selektiivisyys kasvaa paineen noustessa ja lämpötilan laskiessa. Matalassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa hiilimonoksidin selektiivisyys kasvoi erittäin suureksi. Tilavuusvirta ei saanut merkitsevää kerrointa selektiivisyyksien malleihin, mutta mittaukset osoittivat, että korkeimmat selektiivisyydet saatiin maksimivirtauksella. Konversioon vaikuttavat tekijät jäivät selvittämättä, sillä konversio reagoi herkästi kokeissa tapahtuneille olosuhteiden muutoksille.
Rautakatalyytillä hiilidioksidi ei reagoinut toivottavassa määrin hiilivedyiksi, mutta häkää muodostui katalyytistä ja olosuhteista riippuen 41–99 m-%. Tätä tietoa voidaan hyödyntää jatkoprojekteissa. Jos synteesissä käytetään hiilidioksidia, tarvitaan kaksi reaktoria. Ensimmäisessä reaktorissa hiilidioksidi muutetaan hiilimonoksidiksi rautakatalyytillä ja toisessa häkä reagoi hiilivedyiksi kobolttikatalyytin avulla.
Kokeet suoritettiin putkireaktorissa, jonka ulostulovirtaan oli liitetty online-kaasukromatografi tuotteiden analysointia varten. Syötettävä seoskaasu pidettiin vakiona: 23,75 til-% hiilidioksidia, 71,25 til-% vetyä ja 5 til-% typpeä, jota käytettiin analysoinnissa sisäisenä standardina. Kokeellinen osa aloitettiin viidelle eri rautakatalyytille tehtävillä esikokeilla, joissa pidettiin vakiona syöttövirran virtausnopeus (6 l/h (NTP)) ja reaktorin paine (17 bar). Muuttujina olivat lämpötila ja katalyytin aktivoinnissa käytettävä kaasu (häkä ja seoskaasu). Esikokeiden tulosten perusteella tehtiin koesuunnitelma Fe-Cu-Al-K-katalyytille. Tarkoituksena oli mallintaa C2–C4-yhdisteiden ja hiilimonoksidin selektiivisyydet sekä CO2:n konversio. Koesuunnitelmassa suunnittelumuuttujina käytettiin lämpötilaa (330–430 °C), painetta (1–33 bar) ja tilavuusvirtaa (3–9 l/h (NTP)). Aktivoinnissa käytettävä kaasu jätettiin pois muuttujista, koska esikokeissa selvisi, että hiilimonoksidi aktivoi rautakatalyytin huomattavasti paremmin kuin seoskaasu.
Fe-Cu-Al-K-katalyytille tehtyjen kokeiden tulokseksi saatiin, että C2–C4-yhdisteiden selektiivisyys kasvaa paineen noustessa ja lämpötilan laskiessa. Matalassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa hiilimonoksidin selektiivisyys kasvoi erittäin suureksi. Tilavuusvirta ei saanut merkitsevää kerrointa selektiivisyyksien malleihin, mutta mittaukset osoittivat, että korkeimmat selektiivisyydet saatiin maksimivirtauksella. Konversioon vaikuttavat tekijät jäivät selvittämättä, sillä konversio reagoi herkästi kokeissa tapahtuneille olosuhteiden muutoksille.
Rautakatalyytillä hiilidioksidi ei reagoinut toivottavassa määrin hiilivedyiksi, mutta häkää muodostui katalyytistä ja olosuhteista riippuen 41–99 m-%. Tätä tietoa voidaan hyödyntää jatkoprojekteissa. Jos synteesissä käytetään hiilidioksidia, tarvitaan kaksi reaktoria. Ensimmäisessä reaktorissa hiilidioksidi muutetaan hiilimonoksidiksi rautakatalyytillä ja toisessa häkä reagoi hiilivedyiksi kobolttikatalyytin avulla.