Projekti / Programi
Izdelava novega reaktorskega koncepta za mikrokinetične študije ter njegova uporaba za selektivno oksidativno dehidrogenacijo alkanov in spajanje metana
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.04 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
Kataliza in reakcijsko inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
reaktorsko inženirstvo, kemijsko inženirstvo, propilen, borov nitrid, večnivojsko modeliranje,
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
Predvideno globalno pomanjkanja propilena v bližnji prihodnosti je pripeljalo do intenzivnejšega razvoja namenskih tehnologij za njegovo proizvodnjo. Oksidativna dehidrogenacija propana ima določene prednosti, kot so preprečevanje odlaganja koksa zaradi prisotnosti kisika, in ker je reakcija eksotermna, so za reakcijo potrebne nižje temperature, običajno okoli 300 – 500 °C. Potencialni prihranki zaradi nižje porabe energije so ocenjeni na 45 %, regeneracija katalizatorja pa v tem primeru ni potrebna. Vendarle, po desetletjih raziskav, dehidrogenacija propana ni dosegla gospodarske donosnosti. Nepopolne oksidacije so izjemno zahtevne, saj so produkti pogosto bolj reaktivni kot substrat, zaradi česar pride do prekomerna oksidacije. Razvoj katalizatorjev, ki bi lahko zmanjšali prekomerno oksidacijo olefinov v CO2 je ključnega pomena za komercialni razvoj procesa oksidativne dehidrogenacije.
Pred kratkim se je pojavil nov razred katalitsko aktivnega materiala, ki nosi potencial za preobrazbo svetovnega trga proizvodnje alkenov. Materiali, ki temeljijo na borovem nitridu, so netoksični, nizkocenovni in ne vsebujejo plemenitih kovin. Borov nitrid ima odlično strukturno in toplotno stabilnost pod oksidativnimi atmosferami: ima visoko mehansko trdnost in je kemično inerten tudi pri visokih temperaturah.
S pomočjo teorije gostotnega funkcionala (densifity functional theory, DFT), ki temelji na kvantni mehaniki in matematičnem formalizmu, bomo računsko simulirali katalizatorje, ki bodo najbolj obetavni glede na aktivnost in selektivnost. Uporabili bomo programsko opremo Quantum Espresso, ki omogoča precizne DFT simulacije. Z uporabo DFT simulacij bomo lahko razložili reakcijski mehanizem na katalizatorjih in primerjali energije adsorpcij z energijami potencialnih barier, za določitev hitrosti oksidativne dehidrogenacije na novih katalizatorjih.
Odpravljanje upora proti prenosu snovi je bistvenega pomena za optimalno delovanje procesa in za določanje dejanske kinetike, kar bo omogočilo razvoj mikrokinetičnega modela in pridobitev kinetičnih parametrov. V primeru te študije bo razvit nov koncept reaktorja, in sicer Reaktor z visokim hitrostnim gradientom. Glavna značilnost bo vrtenje cevnega reaktorja s strnjenim slojem pod visokimi pospeški/pojemki, s katerimi bo upor proti prenosu snovi popolnoma odpravljen. S povečevanjem intenzivnosti pospeševanja/pojemanja se bo pokazalo, kako se bo pretvorba večala, dokler ne bo dosežena največja pretvorba pri pogojih brez upora proti prenosu snovi. Ta nov koncept reaktorja je ključnega pomena za pravilno določitev mikrokinetičnih mehanizmov in kinetike reakcij.
Najuspešnejši postopek bom modeliral z disperznim modelom, ki bo upošteval pojave konvekcije, difuzije, disperzije in reakcije, kateri najbolj vplivajo na celoten proces kemijske pretvorbe. Izvedeno bo večnivojsko modeliranje. Mikrokinetični model bom razvil ob upoštevanju mehanizmov, določenih z DFT in Monte Carlo kinetičnimi izračuni. Določil bom tudi empiričen izraz za reakcijsko hitrost iz limitnih korakov mikrokinetičnega modela, kar bo omogočilo obsežne simulacije pri različnih procesnih pogojih. Modeliranje bom izvedel v programskem jeziku Python z uporabo numeričnih in znanstvenih knjižnic. Metodo končnih razlik bom uporabil za diskretizacijo računske domene. Bolj zapleteno modeliranje CFD bom izvedel s programom OpenFOAM; v tem primeru bom izvedel CFD simulacije realnega nasutja v reaktorju s strnjenim slojem. Delce katalizatorja bom zasnoval glede na pridobljene SEM slike.
Ocena končnih rezultatov skupaj z ekonomski bilanco bo omogočila izdelavo poslovnega načrta. Dokument bo vseboval predhodno analizo najustreznejšega ujemanja med produkti in trgom. Tehnologija in tržni vpogled sta bistvena za uspešno ustvarjanje prihodkov, velikost trga in dinamika pa sta ena od najpomembnejših značilnosti. Identifikacija in pojasnitev tržnih priložnosti bo eden od ključnih ciljev tega projekta.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani projekt ima večplasten doprinos k razvoju znanosti. Kot prvo bo pripomogel k nadaljnjem razvoju namenskih tehnologij pretvorbe propana, ki bodo v bljižnji prihodnosti zelo pomembne, zaradi napovedanega globalnega primanjkljaja. Nov razred katalizatorjev je še izredno neraziskan, prav tako niso dodobra poznani mehanizmi reakcije. V projektu bodo zelo natančno izvedene meritve kinetike z uporabo novega reaktorskega koncepta. Eksperimenti bodo podprti z mikrokinetičnimi DFT in Kinetičnimi Monte Carlo simulacijami, kar bo bistveno pripomoglu k razumevanju reakcijskih poti. Tovrstni izračunu so v svetovnem merilu state-of-the-art razpoložljivega znanja. Simulacije, ki bodo izvedene z računsko dinamiko tekočin (CFD), bodo še bolj natančno popisale realni sistem reaktorja s strnjenim slojem, z izračunom tokovnih in koncentracijskih profilov vseh komponent, z upoštevanjem realnega pakiranja z realističnimi delci. Sklopitev CFD simulacij in mikrokinetike je v objavljeni literturi izjemna redkost.
Nov reaktorski koncept, ki bo izdelan, bo že sam po sebi velika noviteta in bo prvi tovrsten prototip. Opis njegovega delovanja bo vsekakor deležen velike zanimanja kemijsko-inženirske stroke. Pričakovano izboljšano delovanje, pod pogoji brez upora proti prenosu snovi, ima možnost postati standard pri določevanju kemijske kinetike reakcij.
Pomen za razvoj Slovenije
The proposed project has a multilayered contribution to the development of science. Firstly, it will contribute to the further development of on-purpose propane conversion technologies, which will be very important in the near future due to the projected global deficit. The new class of catalysts is still extremely unexplored, and the reaction mechanisms are not well understood. In the project, very precise kinetic measurements using the new reactor concept will be performed. The experiments will be supported by microkinetic DFT and Kinetic Monte Carlo simulations, which will be essential for obtaining an understanding the reaction pathways. Such calculations today are state-of-the-art of the available knowledge. Simulations that will be performed with computational fluid dynamics (CFD) will precisely describe the realistic system of the packed-bed reactor, by calculating the flow and concentration profiles of all the components, taking into account the realistic packing with realistic particles. Combining CFD simulations and micro-kinetics is very scarce in the available literature.
The new reactor concept, which will be designed and constructed, will by itself be a great innovation and will be the first prototype of this kind. The description of its operation will definitely be of great interest to the chemical engineering society. The expected improved performance, under conditions without mass transfer resistance, has the potential to become a standard for the determination of chemical reaction kinetics.
