Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4978
Main Title: Analysis of fluidized-bed and fluidized-bed-membrane reactor concepts for oxidative coupling of methane
Translated Title: Die Analyse der Wirbelschicht- und Wirbelschicht-Membranereaktor Konzepte für oxidative Kopplung von Methan
Author(s): Sadjadi, Setarehalsadat
Advisor(s): Wozny, Günter
Referee(s): Wozny, Günter
Schomäcker, Reinhard
Sint Annaland, Martin van
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Oxidative Coupling of Methane (OCM) is a reaction for converting methane, as the main component of natural gas, directly to ethylene. The importance of OCM is based on the economic interest of ethylene which can be used widely in different chemical processes. Currently about 150 billion cubic meters of methane are flared or vented annually which leads to production of about 400 million tonnes of carbon dioxide each year. This makes OCM of great environmental benefit as well because of the current non-sustainable use of natural gas. However, OCM research has not found its industrial application till now after almost three decades of research, due to low yields of ethylene production. This work is focused on applicability of the fluidized-bed reactor (FBR) concept for OCM and testing the novel idea of fluidized-bed membrane reactor (FBMR) for the first time on OCM. In the course of this work, two FBRs and one FBMR have been tested in pilot-plant scale. All reactors are installed in the UniCat OCM mini-plant based in Technische Universität Berlin. FBRs have the advantage of providing an isothermal catalyst bed to prevent hot-spot formation, which is one of the main problems of OCM due to highly exothermic reactions. The FeCrAlloy reactor is designed for studying the material influence on OCM FBRs and to see if this material can provide better results in contrast with OCM stainless steel reactors. The reactor of the same dimensions was designed using quartz glass as the reactor material, as it is an inert material to have a base of comparison. Different reaction temperatures and reactant compositions have been tested for both reactors and the highest C2 yield achieved from FeCrAlloy FBR was 20% (methane conversion of 49%) at low nitrogen content of 40%. The maximum C2 yield achieved from the quartz glass reactor in the same conditions was 23% (methane conversion of 47%). The results showed the applicability of FeCrAlloy for OCM although it shows lower performance in comparison with quartz glass because of material reactivity at high temperatures, however, the difference is not so significant and it can be even lower in larger scales where the effect of the reactor wall material decreases. The scale of FBRs used in this work is one of the largest OCM FBRs reported in accessible literature and the C2 yield obtained is the highest as well. The FeCrAlloy FBR was modified by installing two membranes in order to study the novel concept of OCM FBMR, resulting in a performance enhancement achieved by dosing oxygen inside the fluidized-bed through the membranes. In this case, the fluidized-bed provides an isothermal catalyst bed and the membranes provide distributed dosage of oxygen, supplying the advantages of both fluidized-bed and membrane reactors in one reactor. The highest C2 yield achieved from this reactor was 19.5% with a gas flow containing 55% nitrogen dilution, which is a 2% improvement of C2 yield in comparison with the result from the FeCrAlloy FBR without membranes at the same conditions (17.5% C2 yield). The catalyst used for most of the experiments was 2.2%Na2WO4-2%Mn/SiO2, prepared by incipient wetness impregnation. Two other catalysts were prepared, by coating in a fluidized bed granulator, as well as a catalyst prepared on a monolithic ordered mesoporous silica support. However, the performance of these two catalysts was not as promising as the conventional catalyst prepared by incipient wetness impregnation. The second chapter of this work is a detailed explanation of experimental set-up used in this work. The experimental results from fluidized-bed reactors and fluidized-bed membrane reactor are discussed in chapter 3 and 4. The last chapter is about conclusion and the new ideas for the future work.
Die oxidative Kopplung von Methan (OCM) ist eine Reaktion zur direkten Umwandlung von Methan, einem Erdgasbestandteil, zu Ethen. Die Bedeutung der OCM beruht auf dem wirtschaftlichen Interesse an Ethen, welches vielseitig in der chemischen Industrie eingesetzt werden kann. Außerdem ist die OCM von großem Nutzen für die Umwelt aufgrund der derzeitig nicht nachhaltigen Nutzung von Erdgas. Jährlich werden ungefähr 150 Milliarden Kubikmeter Methan verbrannt oder abgelassen, was zu einer jährlichen Produktion von ca. 400 Millionen Tonnen Kohlendioxid führt. OCM kann aufgrund der aktuell nicht nachhaltigen Nutzung von Erdgas von großem ökologischen Nutzen sein. Jedoch konnte die OCM-Forschung auch nach 3 Jahrzehnten aufgrund der niedrigen Ethylen-Ausbeute noch zu keiner industriellen Anwendung führen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Anwendbarkeit des Wirbelschichtreaktor-Konzepts (FBR) für die OCM und die erstmalige Testung der neuartigen Idee eines Wirbelschichtmembranreaktors (FBMR) für die OCM. Im Laufe dieser Arbeit wurden zwei FBR und ein FBMR im Pilotmaßstab getestet. Alle Reaktoren sind aufgebaut in der Unicat OCM-Miniplant der Technischen Universität Berlin. FBRs haben den Vorteil eines isothermen Katalysatorbetts, wodurch die Bildung von Hot Spots durch stark exotherme Reaktionen unterbunden wird, eines der Hauptprobleme der OCM. Der FeCrAlloy-Reaktor wurde entwickelt, um bei OCM FBRs den Materialeinfluss zu untersuchen, und um zu sehen, ob dieses Material bessere Ergebnisse erzeugen kann im Vergleich zu Edelstahl-OCM-Reaktoren. Ein Reaktor gleicher Dimensionen wurde aus inertem Quarzglas entwickelt, um als Vergleichsbasis zu dienen. Verschiedene Reaktionstemperaturen und Zusammensetzungen der Edukte wurden in beiden Reaktoren untersucht. Im FeCrAlloy-Wirbelschichtreaktor konnte eine maximale C2-Ausbeute von 20 % (Methan-Umwandlung von 49 %) bei niedriger Stickstoff-Verdünnungszusammensetzung von 40 % erreicht werden. Die maximal erreichte C2-Ausbeute im Quarzglas-Reaktor bei gleichen Konditionen lag bei 23 % (Methan-Umwandlung bei 47 %). Die Ergebnisse zeigen die Eignung von FeCrAlloy für die OCM, obwohl die Leistung etwas niedriger war im Vergleich zum Quarzglasreaktor, aufgrund der Materialreaktivität bei hohen Temperaturen. Die Differenz ist nicht signifikant und kann weiter verringert werden bei größeren Maßstäben, wo der Einfluss der Reaktorwand nachlässt. Die FBRs in dieser Arbeit sind unter den größten bisher gemeldeten, auch im Vergleich zu aktueller Literatur, und die C2-Ausbeute ist höher als anderweitig berichtet. Der FeCrAlloy-FBR wurde modifiziert, um innen zwei Membranen einzubauen, um das neuartige Konzept eines OCM FBMRs zu untersuchen, was zu einer Leistungssteigerung durch Dosierung von Sauerstoff durch die Membranen in das Wirbelbett führte. In diesem Fall liefert Wirbelschicht ein isothermes Katalysatorbett und die Membranen erzeugen verteilte Dosierung von Sauerstoff, wodurch die Vorteile von FBR und Membranreaktor in einem Reaktor vereint werden können. Die höchste C2-Ausbeute dieses Reaktors lag bei 19,5 % mit einem Gasfluss mit 55 % Stickstoff Verdünnung, was eine 2% ige Verbesserung der C2-Ausbeute im Vergleich zum FeCrAlloy-FBR ohne Membranen unter gleichen Bedingungen (17,5% C2-Ausbeute) ist. Für die meisten Experimente wurde ein 2,2 % Na2WO4-2 % Mn/SiO2-Katalysator verwendet, welcher über das Feuchte-Imprägnierverfahren hergestellt wurde. Außerdem kamen ein mit dem Wirbelschichtgranulierer hergestellter und ein 2,2 % Na2WO4-2 % Mn-Katalysator auf monolithischem Silica-Träger zum Einsatz. Allerdings zeigten die Katalysatoren aus der Feuchte-Imprägnier-Herstellung die besten Ergebnisse. Das zweite Kapitel dieser Arbeit beinhaltet die detaillierte Erklärung zum Versuchsaufbau. Die experimentellen Ergebnisse des Wirbelschichtreaktors werden in Kapitel 3 ausführlich besprochen, die Ergebnisse des Wirbelschicht-Membran-Reaktors werden in Kapitel 4 diskutiert. Das letzte Kapitel präsentiert neue Ideen für die Zukunft.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5290
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4978
Exam Date: 23-Sep-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 4-Feb-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): fluidization
OCM
membrane
methane
natural gas
Wirbelschicht
OKM
Membran
Methan
Erdgas
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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