aalto1 untyped-item.component.html
Catalytic dehydrogenation of liquid organic hydrogen carriers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
CHEM3027
Language
en
Pages
78+6
Series
Abstract
Liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) provide a novel method for storing hydrogen. Hydrogen is chemically bound to a carrier compound, which means that hydrogen is not in its flammable form and in addition, no boil-off occurs. Because of this, storage in LOHCs is safer and more efficient, compared to conventional storage methods.
The main focus of the literature part is in presenting and comparing different reactor concepts for LOHC research and commercial applications. It was found, that micro-structured reactors or heat exchanger reactors could be the most optimal reactor concepts for LOHC dehydrogenation applications as they offer the best heat and mass transfer of all studied reactor concepts. Currently, only one commercial LOHC unit exists. The most commonly used and most researched LOHC compounds are dibenzyltoluene, N-ethyl-carbazole and methylcyclohexane. The environmental hazards of LOHC compounds are related to their decomposition products, e.g. benzene.
The experimental part of this thesis covers the dehydrogenation of perhydro-dibenzyltoluene on different platinum catalysts. The tested catalysts were Pt/Al2O3 in packed bed and washcoat form, Pt/TiO2 in washcoat form and Pt/C in packed bed form. The experiments were carried out on different temperatures (270 - 300 °C) and space velocities to compare how the catalysts perform at different conditions. In addition, longer, 48h experiments were carried out to observe catalyst behavior during longer continuous operation. In general, the degree of dehydrogenation (conversion) was higher at lower space velocities (longer residence time) and higher temperatures. The degree of decomposition was observed to be proportional to the degree of dehydrogenation. Washcoat catalysts generally yielded lower degree of decomposition than packed bed catalysts.
Of the studied catalysts, Pt/TiO2 was found to be the best dehydrogenation catalyst as it yielded the highest degree of dehydrogenation and lowest degree of decomposition at typical dehydrogenation conditions. At 300 °C with weight hourly space velocity of 4.57 h-1 the degree of dehydrogenation was 39 % and degree of decomposition was 0.7 %. Based on the experimental results and the literature review, a micro-structured reactor or a heat exchanger reactor with multiple narrow tubes washcoated with Pt/TiO2 would be a viable rector concept for commercial LOHC dehydrogenation applications.
Nestemäiset orgaaniset vedynkantajat tarjoavat uuden menetelmän vedyn varastoimiseksi. Tässä menetelmässä vety on kemiallisesti sidottu kantaja-aineeseen, jolloin vetyä ei lainkaan esiinny sen helposti syttyvässä muodossa. Vedyn spontaania vapautumista ei myöskään tapahdu. Tästä syystä tämä menetelmä tarjoaa turvallisemman ja tehokkaamman tavan varastoida vetyä kuin perinteisesti käytetyt menetelmät.
Kirjallisuusosa keskittyy pääosin erilaisten vedyn kantaja-aineiden tutkimuksessa ja mahdollisissa kaupallisissa sovelluksissa käytettyjen reaktorikonseptien esittelyyn ja vertailuun. Kirjallisuuden perusteella voidaan todeta, että mikrorakenteiset reaktorit ja lämmönvaihdinreaktorit sopivat parhaiten vedynkantajien vedynpoistosovelluksiin niiden erinomaisten lämmön- ja aineensiirto-ominaisuuksien takia.
Diplomityön kokeellisessa osassa poistettiin vetyä perhydro-dibenzyltolueenia erilaisilla platinakatalyyteillä. Testattuja katalyyttejä olivat Pt/Al2O3 pakattuna petinä ja pintakerroksena, Pt/TiO2 pintakerroksena ja Pt/C pakattuna petinä. Kokeita suoritettiin eri lämpötiloissa (270 - 300 °C) ja vaihtumissa, jotta voitiin verrata katalyyttien toimintaa eri olosuhteissa. Lisäksi tehtiin pidempiä 48 tunnin kokeita, jotta voitiin selvittää, miten katalyytit käyttäytyvät pidemmän yhtäjaksoisen käytön aikana. Havaittiin, että vedynpoistosaste (konversio) oli suurempi pienemmillä vaihtumilla (pidempi viipymäaika) ja korkeammissa lämpötiloissa. Lähtöaineen hajoamisasteen havaittiin myös olevan suoraan verrannollinen vedynpoistoasteeseen. Pintakerroskatalyyteillä hajoamisaste oli alhaisempi kuin pakatuilla pedeillä.
Tutkituista katalyyteistä Pt/TiO2:n havaittiin olevan paras vedynpoistokatalyytti, koska se tuotti korkeimman vedynpoistoasteen ja pienimmän hajoamisasteen tyypillisissä reaktio-olosuhteissa. Massavaihtumalla 4.57 h-1 ja 300 °C:ssa vedynpoistoaste oli 39 % ja hajoamisaste 0.7 %. Tulosten perusteella mikrorakenteiset reaktorit tai kapeaputkiset lämmönvaihdin reaktorit Pt/TiO2 pintakerroskatalyytillä ovat sopivia kaupallisiin vedynkantajien vedynpoistosovelluksiin.