Modeling and Design of the Fluidized Bed Reactor for the Oxidative Coupling of Methane

Modellierung und Design eines Wirbelschichtreaktors für die Oxidative Kupplung von Methan

  • Oxidative Coupling of Methane (OCM) is a promising process concept for conversion of Methane as a major component in the natural gas into valuable chemical intermediates such as ethylene. Heart of this process is a chemical reaction between methane and oxygen with a help of a solid catalyst at high temperatures (700-900°C). This reaction has been investigated thoroughly in the past 30 years, however there has been no successful commercial application so far because of the limited ethylene yieldsOxidative Coupling of Methane (OCM) is a promising process concept for conversion of Methane as a major component in the natural gas into valuable chemical intermediates such as ethylene. Heart of this process is a chemical reaction between methane and oxygen with a help of a solid catalyst at high temperatures (700-900°C). This reaction has been investigated thoroughly in the past 30 years, however there has been no successful commercial application so far because of the limited ethylene yields. This thesis tries to answer the question if possible industrial application of the OCM is possible with the use of a fluidized bed reactor. Fluidized bed reactor is a promising reactor concept because it can handle very exothermal reactions like OCM under isothermal conditions and at the same time it has the potential to recirculate and reactivate the deactivated catalyst in continuous manner. Operation of a fluidized bed reactor has been investigated using complex CFD simulations with the help of commercial tool Fluent as well as experimentally. Performed CFD simulations take into account heat, mass and momentum transport, reaction kinetics in a two phase mixture, and are among first such complex simulations done so far. In the CFD simulations, it was found out that the hydrodynamics of the fluidized bed plays an important role on the reactor performance, and several different geometries have been investigated in order to uncover to which extent it effects the reactor performance. During the course of this thesis an experimental set-up was constructed which allow testing of the different amounts of catalyst (30-300g) under high temperature (600-1000°C) and wide range of flow-rates (0.1-40 L/min). Moreover, a metal reactor was constructed out of a special FeCrAlloy for the evaluation of the OCM in the fluidized bed under high pressure conditions. Three types of catalysts (La/CaO, Sr-La/CaO, Na-W-Mn/SiO2) have been thoroughly investigated for their potential use in the fluidized bed. Highest yield to C2 obtained in the experiments amounts to 19.6% which is among highest yield ever reported in the literature for the OCM in the fluidized beds. Moreover, Na-W-Mn/SiO2 catalyst proved to have high resistance to abrasion as well as high stability. It was found out that amount of sodium on this catalyst type is crucial not only for the performance but also for the good fluidization behaviour. La-based catalyst proved to have very stable performance, however they proved to be prone to abrasion, and not suitable for use in the fluidized bed without support. During the course of this thesis the idea of the Fluidized Bed Membrane Reactor (FBMR) was developed. This idea was first tested using detailed CFD models which showed over 40% yield improvement over the classical fluidized bed reactor. The concept of a fluidized bed membrane reactor for the OCM proved to be very promising and further investigation is necessary in order to evaluate if this concept is suitable for industrial application.show moreshow less
  • Die Oxidative Kupplung von Methan (OCM-Prozess) ist ein viel versprechendes Verfahren für die Umwandlung von Methan, welches als Hauptbestandteil in Erdgas vorkommt, in wertvolle chemische Zwischenprodukte wie Ethylen. Die Hauptreaktion dieses Verfahrens ist die chemische Reaktion zwischen Methan und Sauerstoff, die mit Hilfe eines festen Katalysators bei hohen Temperaturen (700-900°C) erfolgt. Diese Reaktion wurde in den letzten 30 Jahren zwar sehr genau untersucht, jedoch fand es aufgrund der Die Oxidative Kupplung von Methan (OCM-Prozess) ist ein viel versprechendes Verfahren für die Umwandlung von Methan, welches als Hauptbestandteil in Erdgas vorkommt, in wertvolle chemische Zwischenprodukte wie Ethylen. Die Hauptreaktion dieses Verfahrens ist die chemische Reaktion zwischen Methan und Sauerstoff, die mit Hilfe eines festen Katalysators bei hohen Temperaturen (700-900°C) erfolgt. Diese Reaktion wurde in den letzten 30 Jahren zwar sehr genau untersucht, jedoch fand es aufgrund der begrenzten Ausbeute an Ethylen keine kommerzielle Anwendung. Die vorliegende Arbeit versucht die Frage zu beantworten, ob eine industrielle Anwendung des OCM-Prozesses mit dem Einsatz eines Wirbelschichtreaktors möglich ist. Ein Wirbelschichtreaktor ist ein interessanter Reaktortyp für diese Reaktion, da er stark exotherme Reaktionen wie den OCM-Prozess unter isothermen Bedingungen verwirklichen kann und gleichzeitig das Potential aufzeigt, den deaktivierten Katalysator in einem kontinuierlichen Prozess zu reaktivieren. Der Betrieb des Wirbelschichtreaktors wurde sowohl mit Hilfe von komplexen CFD - Simulationen mit dem kommerziellen Programm Fluent als auch experimentell untersucht. Die durchgeführten CFD - Simulationen berücksichtigen neben dem Wärme-, Massen- und den Impulstransport auch die Reaktionskinetik in einem Gemisch aus zwei Phasen. Somit sind diese komplexe CFD - Simulationen eine der ersten Ansätze auf diesem Forschungsgebiet. In den CFD-Simulationen wurde darauf hingewiesen, dass die Hydrodynamik des Wirbelschichtreaktors eine wichtige Rolle in Hinsicht auf die Reaktorleistung spielt, so dass mehrere verschiedene Geometrieformen untersucht wurden, um zu bestimmen, in wie weit diese Auswirkungen auf die Reaktorleistung haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Versuchsanlage im Technikumsmaßstab geplant und aufgebaut, mit der in mehreren Experimenten in verschiedenen Mengen an Katalysator (30-300g) unter hohen Temperaturen (600 bis 1000°C) und Gasdurchflüssen (0.1 bis 40 L/min) geforscht wurde. Für diese Experimente wurde des Weiteren ein Wirbelschichtreaktor aus einem speziellen Fe-Cr-Al Legierung für die Auswertung des OCM-Prozesses, unter Berücksichtigung der hohen Drücke, gebaut. Drei unterschiedliche Katalysatoren (La/CaO, Sr-La/CaO, Na-W-Mn/SiO2) wurden für einen möglichen Einsatz im Wirbelschichtreaktor untersucht. Die maximal erhaltene Ausbeute an Ethylen in den Experimenten beläuft sich auf 19,6%. Diese gehören zu den höchsten Erträgen, welche in der Literatur in dieser Form der Reaktionsführung für den OCM-Prozess im Wirbelschichtrektor noch nicht vorzufinden sind. Zudem zeigte sich, dass der Na-W-Mn/SiO2 Katalysator eine hohe Resistenz gegenüber Abrieb und somit eine hohe Stabilität hat. Es wurde festgestellt, dass die Natriummenge am Katalysator entscheidend für die Leistung sowie auch für das Fluidisierungsverhalten ist. Zwar ist der La-Katalysator sehr stabil, aber neigt zu Abrieb, so dass dieser für den Einsatz im Wirbelschichtreaktor ohne Katlysator träger nicht geeignet ist. Während dieser Arbeit wurde ein Wirbelschicht-Membran-Reaktor (FBMR) entwickelt. Diese Idee wurde an detaillierten CFD-Modellen simuliert, die mit über 40% Ausbeute eine deutliche Verbesserung der Ausbeute gegenüber dem klassischen Wirbelschichtreaktor zeigte. Das Konzept eines Wirbelschicht-Membran-Reaktors für den OCM-Prozess erwies sich daher als sehr viel versprechend. In einem nächsten Schritt sind weitere Untersuchungen notwendig, um zu beurteilen, ob dieses Konzept sich für die industrielle Anwendung eignet.show moreshow less

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Metadaten
Author: Stanislav Jašo
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-37029
Advisor:Prof. Dr. -Ing. habil. Günter Wozny
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/12/05
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2012/06/25
Release Date:2012/12/05
Tag:CFD; Katalyse; Oxidative Kupplung; Simulation; Wirbelschichtreaktor
CFD; catalysis; fluidized bed reactor; oxidative coupling; simulation
Institutes:Institut für Verfahrenstechnik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)