Kinetic modelling of isosynthesis
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
2023-12-12
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
118 + 8
Series
Abstract
Isosynthesis is a catalytic process where CO and H2 are reacted over a specific catalyst, typically a ZrO2 catalyst, to produce a mixture of hydrocarbons. The process favours the formation of i-C4 hydrocarbons which are used in a variety of applications in the chemical industry. Since the discovery of the process, there has been a limited amount of research done on isosynthesis, with even less research into the kinetic modelling of the process. The aim of this work was to develop models for the isosynthesis process and calculate the kinetic parameters for said models through optimization. In the literature review part of the thesis the isosynthesis process is discussed from a modelling standpoint. This includes the derivation of the rate equations in heterogeneous catalysis and the numerical methods often used in kinetic modelling. In the numerical methods, the Nelder-Mead simplex method and Levenberg-Marquardt algorithm are explained, and both are later used in the applied part. In the applied part of the thesis, three models have been developed for the isosynthesis process. The first model contains all the significant products of the isosynthesis process, the second model contains only the i-C4 products, and the last model is like the first one, with slightly different rate equations. The rate equations for the last model were formed based on a proposed reaction mechanism pathway for iso-synthesis. The evaluated kinetic parameters for each model included the pre-exponential factors and the activation energies of each reaction. Each model and the resulting kinetic parameters were evaluated, and the last model was determined as the best, with the most reliable values for the kinetic parameters.Isosynteesi on katalyyttinen prosessi, jossa CO ja H2 reagoivat tietynlaisella katalyytillä, yleensä ZrO2 katalyytillä, muodostaen seoksen eri hiilivetyjä. Tämä prosessi suosii i-C4 hiilivetyjen muodostumista, joilla on monia eri käyttötarkoituksia kemianteollisuudessa. Prosessia on tutkittu sen löytämisen jälkeen rajallisesti ja näistä tutkimuksista vielä pienempi osuus liittyy sen kineettiseen mallinnukseen. Tämän työn tavoitteena on muodostaa isosynteesi prosessille malleja ja laskea kyseisille malleille kineettiset parametrit optimoinnin avulla. Kirjallisuuskatsauksessa isosynteesiä käsitellään mallinnuksen näkökulmasta. Tämä sisältää reaktionopeusyhtälöiden muodostamista heterogeenisesti katalysoiduille reaktioille ja kineettisessä mallinnuksessa käytettyjä numeerisiä menetelmiä. Käsiteltyihin numeerisiin menetelmiin kuuluvat Nelder-Mead simplex -menetelmä ja Levenberg-Marquardt algoritmi, joita käytetään myöhemmin soveltavassa osiossa. Työn soveltavassa osiossa, kolme mallia on muodostettu isosynteesi prosessille. Ensimmäinen malli sisältää kaikki isosynteesissä syntyvät merkittävät tuotteet, toinen malli sisältää vain i-C4 tuotteet ja viimeinen malli muistuttaa paljon ensimmäistä, mutta eroina ovat reaktionopeusyhtälöt. Viimeisen mallin reaktionopeusyhtälöt perustuvat yhteen isosynteesille ehdotetulle reaktiomekanismi polulle. Jokaisen mallin laskettuihin kineettisiin parametreihin kuuluivat mallien sisältämien reaktioiden frekvenssitekijät ja aktivoitumisenergiat. Tämän jälkeen jokainen malli ja jokaisen mallin lasketut kineettiset parametrit arvioitiin. Viimeisen mallin todettiin olevan parhain ja jolla oli myös kineettisille parametreille luotettavimmat arvot.Description
Supervisor
Alopaeus, VilleThesis advisor
Lehtonen, JuhaHeikkinen, Niko
Keywords
isosynteesi, kineettinen mallinnus, heterogeeninen katalyysi, i-C4