Reverse water-gas shift reaction in dielectric barrier discharge reactor
Loading...
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.
Author
Date
2021-12-14
Department
Major/Subject
Chemical and process engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
77 + 4
Series
Abstract
This master’s thesis study demonstrated a working dielectric barrier discharge (DBD) reactor for reverse water-gas shift reaction (RWGS). The DBD reactor was a plasma reactor that ran in atmospheric pressure and around 100 °C, which was considerably lower than with conventional thermo catalytic methods used in RWGS. The DBD reactor allowed a packed bed to be used in the reaction. Atmospheric pressure, low temperature and applicable catalyst were the major advantages in the DBD technology. The applied catalyst also acted as a way to improve the plasma quality in an effect called plasma catalytic synergy. The literature part of this work briefly discussed the history of RWGS and the thermodynamics of the reaction. Different plasma reactors are presented and discussed. Most importantly the plasma catalytic synergy and the parameters that affect the formation of the plasma were reviewed. Also, some examples of the effect of packed beds in DBD reactors from other studies were reviewed. RWGS was experimented on the effect of plasma power on the conversion, selectivity, and energy efficiency. Experiments were done on multiple catalysts and packing materials in the DBD reactor. The effect of gas hourly space velocity (GHSV) was also tested on an empty reactor by testing different electrode and reactor lengths and volumetric flowrates of the reagents. The reactor worked and produced carbon monoxide via RWGS. The best catalyst that was tested in the reactor was SiO2 + 1 wt-% Pt. The CO2 conversion was 30.9%, CO selectivity 98%, outlet purity 17.8 vol-% CO, and energy efficiency of CO production 1.7 mmol/kJ. Catalysts that form significantly methane were also found. The results show that there is still much work to be done in the efficiency of the process, it was not efficient enough for an economical process yet.Tässä diplomityössä demonstroitiin toimivaa DBD plasmareaktoria käänteisessä vesikaasun siirtoreaktiossa. DBD plasmareaktori toimi ilmanpaineessa ja noin 100 °C lämpötilassa, joka oli aikaisempia termo-katalyyttisiä vesikaasun siirtoreaktion menetelmiä huomattavasti helpommissa olosuhteissa. DBD reaktoriin oli mahdollista sijoittaa katalyyttipeti, sekä ulkoinen lämmitys ja paine. Kyseiset modifikaatiot tarjosivat DBD reaktorille etuja muihin tekniikoihin nähden. Katalyytti plasmareaktorin sisällä paransi myös plasman laatua ilmiössä, jota kutsutaan plasmakatalyyttiseksi synergiaksi. Työn kirjallisuus osassa tehtiin lyhyt katsaus käänteisen vesikaasun siirtoreaktion historiaan sekä termodynamiikkaan ja erilaisia plasmareaktoreita käytiin läpi. Plasmakatalyyttistä synergiaa sekä parametreja, jotka vaikuttavat plasman syntyyn katselmoitiin. Aikaisemmista tutkimuksista käytiin läpi esimerkkejä plasman synnyttämisestä katalyyttipedin pintaan. Työn kokeellisessa osuudessa DBD plasmareaktorilla demonstroitiin kuinka plasman teho vaikuttaa hiilidioksidin konversioon, hiilimonoksidin selektiivisyyteen, sekä hiilimonoksidi tuotannon energiatehokkuuteen kokeilla, joissa käytettiin monia erilaisia katalyyttejä, sekä pedin pakkausmateriaaleja. GHSV:n eli vaihtuman vaikutusta tyhjällä reaktorilla testattiin eri pituisilla elektrodeilla, reaktoriputkilla sekä eri syöttökaasun tilavuusvirroilla. DBD plasmareaktori toimi ja tuott hiilimonoksidia käänteisellä vesikaasun siirtoreaktiolla. Paras katalyytti, jota testattiin kokeissa, oli SiO2 + 1 m-% Pt. Tällä katalyytillä saatiin hiilidioksidin konversioksi 30,9 %, hiilimonoksidin selektiivisyydeksi 98 %, tuotevirran konsentraatioksi 17,8 til-% hiilimonoksidia, sekä energiatehokkuudeksi 1,7 mmol/kJ. Eräät katalyytit myös muodostivat huomattavasti metaania. Tulokset näyttävät, että energiatehokkuudessa on vielä parannettavaa, että prosessi voitaisiin kehittää tuottavaksi.Description
Supervisor
Puurunen, RiikkaThesis advisor
Palo, JasmiinaSimell, Pekka
Keywords
dielectric barrier discharge reactor, plasma, reverse water-gas shift, reactor
