Καταλυτικές διεργασίες μεθανοποίησης του διοξειδίου του άνθρακα - Νικολακόπουλος, Σπυρίδων (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών, 2016)
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.