Παραγωγή καυσίμων από διοξείδιο του άνθρακα: Καταλυτική Υδρογόνωση προς Μεθανόλη

Δούλα, Ιωάννα; Doula, Ioanna

dc.contributor.author	Δούλα, Ιωάννα	el
dc.contributor.author	Doula, Ioanna	en
dc.date.accessioned	2019-05-09T08:57:08Z
dc.date.available	2019-05-09T08:57:08Z
dc.date.issued	2019-05-09
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48657
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16597
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Υδρογόνωση CO2	el
dc.subject	Καταλύτης χαλκού	el
dc.subject	Θερμοδυναμική ανάλυση	el
dc.subject	Χρωματογραφική ανάλυση	el
dc.subject	Κινητική μελέτη παραγωγή μεθανόλης	el
dc.subject	Hydrogenation of CO2	en
dc.subject	Cu-catalyst	en
dc.subject	Thermodynamic analysis	en
dc.subject	Analysis through Chromatography	en
dc.subject	Kinetic study of methanol	en
dc.title	Παραγωγή καυσίμων από διοξείδιο του άνθρακα: Καταλυτική Υδρογόνωση προς Μεθανόλη	el
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Μελέτη συστήματος παραγωγής μεθάνολης με ταυτόχρονη παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα, μέσω διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. Διερεύνηση βέλτιστων συνθηκών, παραγόντων που επηρεάζουν το σύστημα και του μηχανισμού που το διέπει. Εξαγωγή θερμοδυναμικού μοντέλου.	el
heal.classification	Μηχανική χημικών αντιδράσεων	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/4857f7ab26a40fd67e9568abb8b3e5cae80ef62c
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-20
heal.abstract	Καθώς οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα συσσωρεύονται στην ατμόσφαιρα και οι επιπτώσεις τους στο οικοσύστημα πολλαπλασιάζονται, έχει γίνει επιτακτικό το ενδιαφέρον εύρεσης μεθόδων εξάλειψης των μελλοντικών ρύπων αλλά και μείωσης των παρόντων. Στον πυρήνα αυτής της προσπάθειας βρίσκεται το εργοτάξιο συλλογής και αποθήκευσης του CO2 καθώς και το εργοτάξιο συλλογής και εκμετάλλευσης του CO2. Σε αυτό βρίσκει άμεση εφαρμογή η καταλυτική υδρογόνωσή του CO2 σε οργανικές ενώσεις και ιδιαίτερα σε καύσιμα όπως η μεθανόλη. Στην παρούσα εργασία μελετάται η παραγωγή της μεθανόλης , οι κατάλληλες συνθήκες διεξαγωγής της αντίδρασης και ο μηχανισμός που την διέπει. Η αναζήτηση του μηχανισμού της υδρογόνωσης του CO2 προς μεθανόλη, πρέπει να γίνει λαμβάνοντας υπόψη ένα ανταγωνιστικό σύστημα κατά το οποίο, παράγεται μονοξείδιο του άνθρακα από την αντίστροφη αντίδραση μετατόπισης CO (RWGS). Η πειραματική μελέτη της καταλυτικής διεργασίας παραγωγής μεθανόλης από CO2 έλαβε χώρα σε εμπορικό καταλύτη CuO/ZnO/Al2O3 μάζας 280 mg (μέγεθος σωματιδίων: 0.315mm<d<0.400mm) και σε αντιδραστήρα εμβολικής ροής εσωτερικής διαμέτρου 4 mm. Ο καταλύτης χαρακτηρίστηκε μέσω των μεθόδων ΒΕΤ, TGAκαιXRD.Πειράματα πραγματοποιήθηκαν με δύο τυπικές τροφοδοσίες μίγματος αντιδρώντων ογκομετρικής παροχής 60 ml/min/min: α)5.5% CO2, 26.7% H2, 67.8% Heκαι β) 16.7% CO2, 83.3% H2σεθερμοκρασιακό εύρος 200 – 320 οC και πιέσεις 10,20 ή 40 bar.Η ανάλυση των αερίων εξόδου του αντιδραστήρα έγινε μέσω αέριας χρωματογραφίας (FID, TCD). Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει ότι η μέγιστη τιμή του ρυθμού αντίδρασης της μεθανόλης είναι στους 240-250 oC, ενώ η περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας οδήγησε σε μείωση του ρυθμού της μεθανόλης και αύξηση του ρυθμού του CO. Η μέγιστη τιμή εκλεκτικότητας της μεθανόλης λαμβάνεται στους 200οC ενώ, η μέγιστη του CO στους 320οC. Στους 240οC, παρατηρείται έντονη μείωση της πρώτης και αντίστοιχα έντονη αύξηση της δεύτερης. Ακολούθησε κινητική μελέτη της αντίδρασης σε διαφορικές συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα και βρέθηκε η ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης ίση με 22.27 kcal/mol. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση της πίεσης λειτουργίας, του χρόνου χώρου του αντιδραστήρα και της σύστασης CO2/Η2 στην απόδοση της αντίδρασης παραγωγής μεθανόλης. Ο διπλασιασμός της πίεσης οδήγησε σε αύξηση τόσο της παραγόμενης μεθανόλης όσο και της μετατροπής του CO2.Περαιτέρω, βρέθηκε μεγάλη συσχέτιση μεταξύ της αναλογίας του CO2: H2 στα ρεύματα εισόδου και της απόδοσης των αντιδράσεων όπου οι μεγαλύτερες τιμές περίσσειας Η2 οδήγησαν στις μέγιστες τιμές της εκλεκτικότητας (67%) και του ρυθμού αντίδρασης (212 μmol/(min * g)) προς μεθανόλη. Η αύξηση του χρόνου χώρου οδήγησε σε αύξηση της εκλεκτικότητας του συστήματος προς μεθανόλη με ταυτόχρονη μικρή μείωση του ρυθμού αντίδρασης. Τέλος, στα πλαίσια αναζήτησης του μηχανισμού της αντίδρασης, η αντίδραση πραγματοποιήθηκε και σε κελί – αντιδραστήρα υψηλής πίεσης με δυνατότητα ανάλυσης σε FTIR για την εύρεση των ενδιαμέσων, και διαπιστώθηκε ότι η υδρογόνωση ανθρακικών ειδών(carbonate), οδηγεί στην δημιουργία μυρμηκικών ενδιαμέσων(formates), ενώ η περαιτέρω υδρογόνωση αυτών παράγει την μεθανόλη. Κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες τα ανθρακικά είδη (carbonates) οδηγούν στην δημιουργία του CO. Για τη μελέτη της διεργασίας παραγωγής μεθανόλης από CO2 αναπτύχθηκε επίσης μοντέλο που προβλέπει τη 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. Τα πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν επιβεβαιώνουν επί το πλείστον την ισχύ του μοντέλου που αναπτύχθηκε για την πρόρρηση της συμπεριφοράς του συστήματος στην κατάσταση Θερμοδυναμικής Ισορροπίας.	el
heal.abstract	As carbon dioxide emissions accumulate in the atmosphere and their effects on the ecosystem multiply, finding ways of eliminating future pollutants and reducing the resent quantity has become imperative. At the heart of this effort is the CO2 collection and storage site as well as the CO2 collection and utilization site. A main method of utilization is the catalytic hydrogenation of CO2 in organic compounds and particularly in fuels such as methanol. In the present study we investigate the production of methanol, the conditions under which it benefits and its mechanism. The search of which must be made by taking into account a competitive system in which carbon monoxide is produced by the reverse water gas shift reaction (RWGS). In this experimental study a 4 mm internal plunger reactor and a CuO / ZnO/ Al2O3 commercial catalyst was used. It weighed 280 mg and had a particle size of 0.315mm -0.400mm. The catalyst was characterized by the BET, TGA and XRD methods. Experiments were carried out under a flow of 60 mL / min and two types of compositions: a) 5.5% CO2, 26.7% H2, 67.8% He and b) 16.7% CO2, 83.3% H2 in a temperature range of 200- o 340 C and under 10, 20 or 40 bar. The reactor outlet gas was analyzed by gas chromatography (FID, TCD). o The experimental results show that the maximum reaction rate of methanol is at 240-250 C, while further temperature increase leads to a decrease in the methanol rate and an increase in the rate of CO. The maximum methanol selectivity is observed at 200°C while that of CO at 320°C. At 240°C, there is a sharp decrease of the former and a correspondingly sharp increase of the latter. Furthermore, a kinetic study of the reaction was performed under differential conversions kcal and the activation energy of methanol production was calculated at 22.27 kcal/mol . In addition, the effect of operating pressure, reactor space time and CO2/H2 composition in methanol production was investigated. In summary, it was found that doubling the pressure leads to an increase in both the quantity of methanol produced and the conversion of CO2. Furthermore, a great correlation was found between the ratios of CO2: H2 in the inlet streams and the yield of the reactions. High values of H2 excess values lead to peak values of μmol selectivity (67%) and reaction rate (212 μmol/min+g)of methanol. Increase in time space leads to min ∗ g an increase in the system’s selectivity to methanol while at the same time decreasing its reaction rate. Finally, in the context of searching for the reaction mechanism, the reaction was also carried out in a FTIR-high pressure cell-reactor. It was hypothesized that hydrogenation of absorbed CO2, known as carbonate, leads to the formation of formate, which under further hydrogenation gradually produces methanol. Under the proper conditions, carbonates also lead to the formation of CO.Also, a model has been developed that predicts the system’s behavior while in a state of Thermodynamic Balance. From the model developed, it was possible to predict the behavior 5 of the system in any conditions of temperature, pressure and initial concentrations of the chemical species involved. The experimental results obtained mostly confirm the validity of said model.	en
heal.advisorName	Φιλιππόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Φιλλιπόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Γρηγοροπούλου, Ελένη	el
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	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	148 σ.
heal.fullTextAvailability	true