Καταλυτικές διεργασίες μεθανοποίησης του διοξειδίου του άνθρακα

Νικολακόπουλος, Σπυρίδων; Nikolakopoulos, Spyridon

dc.contributor.author	Νικολακόπουλος, Σπυρίδων	el
dc.contributor.author	Nikolakopoulos, Spyridon	en
dc.date.accessioned	2016-09-07T09:18:54Z
dc.date.available	2016-09-07T09:18:54Z
dc.date.issued	2016-09-07
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43417
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12764
dc.rights	Default License
dc.subject	Ετερογενής κατάλυση	el
dc.subject	Μεθανοποίηση CO2	el
dc.subject	Αντίδραση Sabatier	el
dc.subject	Καταλύτης Ru-TiO2	el
dc.subject	Κινητική μελέτη	el
dc.subject	Heterogeneous catalysis	en
dc.subject	CO2 Methanation	en
dc.subject	Sabatier reaction	en
dc.subject	Ru-TiO2 catalyst	en
dc.subject	Kinetic modeling	en
dc.title	Καταλυτικές διεργασίες μεθανοποίησης του διοξειδίου του άνθρακα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-04
heal.abstract	Στα πλαίσια της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας, έγινε μελέτη της καταλυτικής διεργασίας μεθανοποίησης του διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Χρησιμοποιήθηκαν οι εξής καταλύτες: εμπορικός καταλύτης της εταιρίας Johnson Matthey σε σωματίδια μέσης διαμέτρου 3.3mm, καταλύτης 1%Ru-TiO2 σε τρεις διαφορετικές κοκκομετρίες (1.25-2mm, 160-315μm, 50-90μm), καταλύτης Ni-SBA σε κοκκομετρία 160-315μm και καταλύτης Cu/Zn-SBA σε κοκκομετρία 160-315μm. Ο αντιδραστήρας που χρησιμοποιήθηκε, ήταν αντιδραστήρας εμβολικής ροής διαμέτρου 7mm. Σε όλα τα πειράματα η πίεση λειτουργίας του αντιδραστήρα ήταν ίση με 1atm. Η ανάλυση των αερίων εξόδου του αντιδραστήρα γινόταν με τη μέθοδο της Αέριας Χρωματογραφίας (FID, TCD). Αρχικά έγινε μελέτη της διεργασίας σε θεωρητικό επίπεδο, με έμφαση στη συμπεριφορά του συστήματος στην κατάσταση Θερμοδυναμικής Ισορροπίας. Από το μοντέλο που αναπτύχθηκε κατέστη δυνατή η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του συστήματος σε οποιεσδήποτε συνθήκες θερμοκρασίας, πίεσης και αρχικών συγκεντρώσεων των εμπλεκόμενων χημικών ειδών. Στη συνέχεια έγινε χαρακτηρισμός του εμπορικού καταλύτη και του καταλύτη 1%Ru-TiO2 με τις μεθόδους της Ηλεκτρονιακής Μικροσκοπίας Σάρωσης με Φασματόμετρο Ενεργειακής Διασποράς Ακτινών-Χ (SEM-EDAX), της Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας με Αντίστροφο Μετασχηματισμό Fourier (FT-IR) και της Θέρμο-προγραμματιζόμενης Εκρόφησης (TPD). Μετά το χαρακτηρισμό των καταλυτών, για τον εμπορικό καταλύτη έγιναν πειράματα μελέτης του θερμοκρασιακού εύρους λειτουργίας του, εύρεση της Ενέργειας Ενεργοποίησης της αντίδρασης μεθανοποίησης του CO2, προσδιορισμός του κινητικού μοντέλου, διερεύνηση ύπαρξης εξωτερικών φαινομένων μεταφοράς, μελέτη των θερμικών φαινομένων στο οριακό στρώμα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης και μελέτη της διεργασίας μεθανοποίησης του CO. Για τον καταλύτη 1%Ru-TiO2, στην κοκκομετρία των 1.25-2mm, έγιναν πειράματα μελέτης του θερμοκρασιακού εύρους λειτουργίας του, εύρεση της Ενέργειας Ενεργοποίησης της αντίδρασης μεθανοποίησης του CO2, προσδιορισμός του κινητικού μοντέλου και μελέτη των θερμικών (ένδο-σωματιδιακών και έξω-σωματιδιακών) φαινομένων κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Στην κοκκομετρία των 160-350μm, έγιναν πειράματα μελέτης του θερμοκρασιακού εύρους λειτουργίας του καταλύτη και εύρεση της Ενέργειας Ενεργοποίησης της αντίδρασης μεθανοποίησης του CO2. Στην κοκκομετρία των 50-90μm, έγιναν πειράματα μελέτης του θερμοκρασιακού εύρους λειτουργίας του καταλύτη, εύρεση της Ενέργειας Ενεργοποίησης της αντίδρασης μεθανοποίησης του CO2, μελέτη της διεργασίας μεθανοποίησης του CO και μελέτη της διεργασίας ταυτόχρονης μεθανοποίησης των CO2 και CO. Στην περίπτωση του καταλύτη Ni-SBA, έγιναν πειράματα μελέτης του θερμοκρασιακού εύρους λειτουργίας του καταλύτη για τη διεργασία μεθανοποίησης του CO2 και του CO, ενώ για τον καταλύτη Cu/Zn-SBA έγινε μελέτη του θερμοκρασιακού εύρους λειτουργίας του για τη διεργασία μεθανοποίησης του CO2. Από το σύνολο των πειραμάτων που έγιναν προέκυψε ότι: Ο πιο αποδοτικός καταλύτης που χρησιμοποιήθηκε για τη μεθανοποίηση του CO2, αλλά και του CO ήταν ο 1%Ru-TiO2. Η Ενέργεια Ενεργοποίησης της αντίδρασης μεθανοποίησης του CO2 είναι 24.73 kcal/mol. Στις πλείστες των περιπτώσεων επιτυγχάνεται πλήρης εκλεκτικότητα σε CH4. Η μεταβολή του χρόνου χώρου αντιδραστήρα δεν επηρεάζει την απόδοση του εμπορικού καταλύτη σε CH4 (αμελητέα εξωτερικά φαινόμενα μεταφοράς). Το μέγεθος των σωματιδίων του καταλύτη 1%Ru-TiO2, επηρεάζει την απόδοσή του σε CH4 (ύπαρξη εσωτερικών φαινομένων μεταφοράς, Ενέργεια Ενεργοποίησης Διάχυσης ίση με 5.372 kcal/mol). Παρατηρούνται υπολογίσιμα έξω-σωματιδιακά θερμικά φαινόμενα στον εμπορικό καταλύτη και στον καταλύτη 1%Ru-TiO2. Παρατηρούνται αμελητέα ένδο-σωματιδιακά θερμικά φαινόμενα στον καταλύτη 1%Ru-TiO2. Η αλληλεπίδραση των καταλυτών με μίγμα CO/H2 υποβαθμίζει την απόδοση τους στην παραγωγή CH4 υπό συνθήκες τροφοδοσίας CO2/H2. Απαιτείται αναγέννηση των καταλυτών ii (υδρογόνωση σε υψηλές θερμοκρασίες μέχρι να αντιδράσει όλο το προσροφημένο CO και να ελευθερωθούν οι ενεργές θέσεις των καταλυτών για την προσρόφηση του CO2). Τα πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν για τον εμπορικό καταλύτη και τον καταλύτη 1%Ru-TiO2 επιβεβαιώνουν την ισχύ του μοντέλου που αναπτύχθηκε για την πρόρρηση της συμπεριφοράς του συστήματος στην κατάσταση Θερμοδυναμικής Ισορροπίας.	el
heal.abstract	The aim of the present Diploma Thesis was the study of catalytic methanation of carbon dioxide (CO2). The analysis was performed using four different types of catalysts: a commercial Johnson Matthey catalyst with an average particle diameter of 3.3 mm, a 1%Ru TiO 2 catalyst in three different particles sizes (1.25 -2 mm, 160-315 μm and 50-90 μm), a Ni-SBA catalyst with article diameter in the range of 160-315 μm, and a Cu/Zn-SBA catalyst in the same size range. A plug flow reactor (PFR) with a diameter of 7 mm at 1 atm was used. Analysis of the gaseous effluent was conducted using Gas Chromatography (FID, TCD). The process was studied theoretically to gain insight of its behavior at thermodynamic equilibrium. A model was developed and consequently used to predict the behavior of the system given the temperature, the pressure and the initial concentrations of the chemical species involved in the process. The experimental part of the thesis involved the characterization of both the commercial and the 1%Ru-TiO2 catalyst using Scanning Electron Microscopy coupled with Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (SEM/EDAX), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and Temperature Programmed Desorption (TPD). The experimental analysis of the commercial catalyst also involved a series of studies to determine the operating temperature range of the catalyst, measuring the CO2 Methanation reaction Activation Energy and identifying the kinetic model in order to extract the general rate expression. Mass and heat transfer phenomena for the same catalyst were also studied. Experiments were conducted to investigate the existence of external mass transfer as well as thermal phenomena in the boundary layer of the catalyst during the reaction. Moreover, methanation of carbon monoxide (CO) was carried out using the commercial catalyst. A series of experiments was also conducted for the 1%Ru-TiO2 catalyst with particle diameter 1.25 -2 mm to determine the operating temperature range of the catalyst, measure the CO2 Methanation reaction Activation Energy and identify the kinetic model in order to extract the general rate expression. Thermal effects during the reaction, both internal (ΔΤwithin particles) and external (ΔΤbetween particle surface and the bulk gas) were also studied. For the 1%Ru -TiO2 catalyst with particle diameter 160-350 μm the operating temperature range was determined and the reaction Activation Energy was measured. In addition to identifying the operating temperature range and measuring the reaction Activation Energy, the 1%Ru-TiO2 catalyst with particle diameter 50 - 90 μm was used to study methanation of CO as well as the process of simultaneous methanation of CO and CO 2. For the catalysts Ni-SBA and Cu/Zn - SBA the operating temperature range for the methanation of CO 2 was determined. The operating temperature range for the former catalyst was also determined for the methanation of CO. The most efficient catalyst for both the methanation of CO 2 and CO was found to be 1%Ru -TiO2 catalyst. The Activation Energy of CO2 Methanation reaction is equal to 24.73 kcal/mol. In most cases 100% selectivity in CH4 is achieved. The achieved conversion of CO2 using the commercial catalyst is not dependent on the space-time of the reactor, which leads to the conclusion that external mass transfer is negligible. The conversion of CO2 depends on the size of the catalytic particles for the 1%Ru-TiO2 catalyst, which suggests considerable internal mass transfer resistance. Diffusion Activation Energy is equal to 5.372 kcal/mol. Within-particle thermal phenomena are negligible when using the 1%Ru-TiO2 catalyst. External thermal phenomena are not negligible in the cases of the commercial as well as the 1%Ru -TiO2 catalysts. The catalyst efficiency is compromised under the presence of CO/H2 mixture when the reactor is fed with CO2/H2 mixture and regeneration of the catalyst is necessary (hydrogenation of the catalyst in high-temperature conditions until all the adsorbed CO has reacted and the catalyst sites are free for the adsorption of CO2). The theoretical model developed for the prediction of the system behavior in thermodynamic equilibrium is verified by the experimental results obtained from the experiments conducted using the commercial and the 1%Ru-TiO2 catalysts.	en
heal.advisorName	Φιλιππόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Φιλιππόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Γρηγοροπούλου, Ελένη	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	134 σ.
heal.fullTextAvailability	true