Catalysts and kinetics of Fischer-Tropsch process

Abstract

Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu Fischer-Trospch -prosessia ja sen yleisimpiä reaktori- ja katalyyttivaihtoehtoja sekä vertailtu eri vaihtoehtojen hyviä ja huonoja puolia. Kirjallisuusosassa on esitetty myös kolme suosituinta FT-synteesin mekanismivaihtoehtoa. Lisäksi työssä on käyty läpi viime aikoina julkaistut, hiilimonoksidin kulutusta kuvaavat kineettiset mallit sekä rauta- että kobolttikatalyyteille. Lopuksi työssä on lyhyesti kuvailtu kirjallisuudesta löytyviä selektiivisyysmalleja.

Työn soveltavaa osaa varten Flowbat -simulointiohjelmaan kehitettiin dynaaminen mikrokanavareaktorimalli. Mallin reaktiokinetiikka koottiin kobolttikatalyytille tarkoitetusta hiilimonoksidin reaktionopeusyhtälöstä sekä kirjallisuudesta löytyneestä selektiivisyysmallista. Mallin testaus ja kinetiikkaparametrien arviointi suoritettiin vertaamalla simulointituloksia kirjallisuudessa julkaistuihin mikrokanavareaktorikokeisiin. Lopuksi mallin avulla tarkasteltiin reaktio-olosuhteiden (lämpötila, paine ja syötön H2/CO- moolisuhde) vaikutusta FT-synteesin tuotejakaumaan.

Simulointien perusteella näyttää siltä, että mikrokanavareaktorissa aineen- ja lämmönsiirto ovat hyvin tehokkaita ja FT-synteesin tuotejakauma on herkkä ainoastaan kineettisen mallin parametreille. Mallin mukaan metaanin selektiivisyys kasvaa, kun lämpötila ja syötön H2/CO- moolisuhde kasvavat ja kun paine pienenee. Hiiliketjun keskimääräinen hiiliatomien lukumäärä kasvaa, kun lämpötila, paine ja H2/CO- moolisuhde pienenevät. Tulokset vastaavat yleistä käsitystä FT-synteesin käyttäytymisestä lämpötilan ja H2/CO- moolisuhteen osalta. Mallin ennustamat, paineen funktiona tapahtuvat muutokset poikkeavat kirjallisuudessa raportoiduista ilmiöistä.

Sekä kirjallisuustyön että mallinnuksen pohjalta voidaan todeta, että FT-synteesin reaktiomekanismien ja kineettisten mallien tutkimukseen on panostettava jatkossa lisää, jos tuotejakauma halutaan ennustaa tarkasti.