Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.

Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu Fischer-Tropsch -prosessia kokonaisuudessaan sekä Fischer-Tropsch -reaktoreita ja -katalyyttejä. Fischer-Tropsch mallinnuksen perusasioita on myös esitetty. Kirjallisuusosan painotus on reaktoriyksikössä. Reaktoreita ja katalyyttejä on vertailtu sopivan reaktoriyksikön valintaa varten. Reaktorin käyttöolosuhteiden vaikutuksia on myös tarkasteltu. Kokeellisessa osassa mallinnettiin kobolttikatalyytillä toimiva kuplapetireaktori. Mallissa huomioitiin reaktioihin osallistuvien komponenttien (CO ja H2) aineensiirto sekä niiden kulutus nestefaasissa tapahtuvissa reaktioissa. Hydrostaattinen paine sekä kokonaismoolivirtauksen muutos kaasufaasissa otettiin huomioon liukoisuuksien laskennassa. Hydrodynamiikka, reaktorikinetiikka ja tuoteen koostu-mus määriteltiin kirjallisuuden avulla. Tarvittava lämmönsiirtopinta-ala ja jäähdytysputkien lukumäärä myös määritettiin. Mallin laskenta toteutettiin Matlab ohjelmistolla. Mallilla tutkittiin kaupallisen mittakaavan reaktorin käyttäytymistä, arvioitiin mallin epävarmuuksia sekä kehitysvaihtoehtoja. Malli vietiin myös Aspen Plus -prosessisimulointiohjelmistoon, mikä mahdollistaa mallin käytön laajemmissa Fischer-Tropsch -prosessien simuloineissa. Kaupallisen mittakaavan reaktori, jonka halkaisija oli 7 m ja korkeus 30 m, mallinnettiin. Reaktorin kapasiteetiksi laskettiin 9 800 tynnyriä/päivä, CO konversiolla 75 %. Mallin käyttäytyminen oli realistista ja tulokset olivat oikeassa kokoluokassa. Kinetiikkamallin arvioitiin aiheuttavan eniten epävarmuutta mallin tuloksiin.