Mathematical modeling of laboratory scale three-phase fixed bed reactors

Detta arbete fokuserar på modellering av katalytiska gas-vätskereaktioner som genomförs i kontinuerliga packade bäddar. Katalyserade gas-vätskereaktioner hör till de mest typiska reaktionerna i kemisk industri; därför behandlas här packade bäddreaktorer som ett av de populäraste alternativen, då kontinuerlig drift eftersträvas. Tack vare en stor katalysatormängd per volym har de en kompakt struktur, separering av katalysatorn behövs inte och genom en professionell design kan den mest fördelaktiga strömningsbilden upprätthållas i reaktorn. Packade bäddreaktorer är attraktiva p.g.a. lägre investerings- och driftskostnader. Även om packade bäddar används intensivt i industri, är det mycket utmanande att modellera. Detta beror på att tre faser samexisterar och systemets geometri är komplicerad. Existensen av flera reaktioner gör den matematiska modelleringen även mera krävande. Många förenklingar blir därmed nödvändiga. Modellerna involverar typiskt flera parametrar som skall justeras på basis av experimentella data. I detta arbete studerades fem olika reaktionssystem. Systemen hade studerats experimentellt i vårt laboratorium med målet att nå en hög produktivitet och selektivitet genom ett optimalt val av katalysatorer och driftsbetingelser. Hydrering av citral, dekarboxylering av fettsyror, direkt syntes av väteperoxid samt hydrering av sockermonomererna glukos och arabinos användes som exempelsystem. Även om dessa system hade mycket gemensamt, hade de också unika egenskaper och krävde därför en skräddarsydd matematisk behandling. Citralhydrering var ett system med en dominerande huvudreaktion som producerar citronellal och citronellol som huvudprodukter. Produkterna används som en citrondoftande komponent i parfymer, tvålar och tvättmedel samt som plattform-kemikalier. Dekarboxylering av stearinsyra var ett specialfall, för vilket en reaktionsväg för produktion av långkedjade kolväten utgående från fettsyror söktes. En synnerligen hög produktselektivitet var karakteristisk för detta system. Även processuppskalning modellerades för dekarboxylerings-reaktionen. Direkt syntes av väteperoxid hade som målsättning att framta en förenklad process att producera väteperoxid genom att låta upplöst väte och syre reagera direkt i ett lämpligt lösningsmedel på en aktiv fast katalysator. I detta system förekommer tre bireaktioner, vilka ger vatten som oönskad produkt. Alla dessa tre reaktioner modellerades matematiskt med hjälp av dynamiska massbalanser. Målet med hydrering av glukos och arabinos är att framställa produkter med en hög förädlingsgrad, nämligen sockeralkoholer, genom katalytisk hydrering. För dessa två system löstes ämnesmängd- och energibalanserna simultant för att evaluera effekter inne i porösa katalysatorpartiklar. Impulsbalanser som bestämmer strömningsbetingelser inne i en kemisk reaktor, ersattes i alla modelleringsstudier med semi-empiriska korrelationsuttryck för vätskans volymandel och tryckförlust och med axiell dispersionsmodell för beskrivning av omblandningseffekter. Genom att justera modellens parametrar kunde reaktorns beteende beskrivas väl. Alla experiment var genomförda i laboratorieskala. En stor mängd av kopplade effekter samexisterade: reaktionskinetik inklusive adsorption, katalysatordeaktivering, mass- och värmeöverföring samt strömningsrelaterade effekter. En del av dessa effekter kunde studeras separat (t.ex. dispersionseffekter och bireaktioner). Inverkan av vissa fenomen kunde ibland minimeras genom en noggrann planering av experimenten. På detta sätt kunde förenklingar i modellerna bättre motiveras. Alla system som studerades var industriellt relevanta. Utveckling av nya, förenklade produktionsteknologier för existerande kemiska komponenter eller nya komponenter är ett gigantiskt uppdrag. Studierna som presenterades här fokuserade på en av den teknisk-vetenskapliga utfärdens första etapper.

Catalytic upgrading of biomass extractives to fine chemicals over supported ionic liquid catalysts (SILCAs)

Behovet av förnyelsebar energi ökar ständigt eftersom det finns en strävan att minska beroendet av fossila bränslen. Dessutom är tillgångar av fossila bränslen begränsade. Miljövänliga processer för bioraffinaderier erbjuder en stor möjlighet för produktion av energi, bränslen och kemikalier. Den finska och svenska skogsindustrin har en lång tradition i utnyttjandet av skogsbiomassor. Bioraffinaderier som integreras med pappers- och cellulosaindustrin kan frambringa både ekonomiska och ekologiska fördelar i framställning av traditionella och biobaserade produkter. I doktorsarbetet studerades omvandling av extraktivämnen till finkemikalier som kan användas t.ex. av läkemedelsindustrin. Extraktivämnen fås ur biomassa. I forskningsarbetet framställdes biobaserade finkemikalier med hjälp av katalysatorer som baserar sig på joniska vätskor. Biomassan består av cellulosa, hemicellulosa, lignin och extraktivämnen, vilka huvudsakligen är terpener, vaxer och fettsyror. Extraktivämen är vedens komponenter, som kan separeras ur vedmaterialet med hjälp av neutrala lösningsmedel. Joniska vätskekatalysatorer som var immobiliserade på fasta bärare utnyttjades för isomerisering av α,β-pinenoxider samt hydrogenering citral. Inverkan av joniska vätskor på katalysatorns aktivitet och reaktionernas produktfördelning undersöktes under varierande reaktionsbetingelser. Kinetiska modeller för pinenoxidens isomeriseringsreaktioner beskrev väl experimentellt upptäckta skillnader mellan olika katalysatorer. --------------------------------------------------- Uusiutuvan energian tarve on kasvussa, koska riippuvuutta fossiilisista polttoaineista pyritään vähentämään. Tämän lisäksi fossiilisten polttoaineiden varannot ovat rajalliset. Ympäristöystävälliset biojalostusprosessit ovat näin ollen suuri mahdollisuus energian, polttoaineiden ja kemikaalien tuotannossa. Suomen ja Ruotsin metsäteollisuudella on pitkät perinteet metsäbiomassojen hyödyntämisessä. Paperi- ja selluteollisuuden yhteyteen integroiduilla biojalostamoilla voidaan luoda taloudellisia ja ympäristöllisiä etuja sekä perinteisten että biopohjaisten tuotteiden valmistuksessa. Väitöstyössä on tutkittu biomassan uuteaineiden kemiallista muuntamista hienokemikaaleiksi, joita voidaan käyttää esimerkiksi lääkeaineteollisuudessa. Biopohjaisia hienokemikaaleja on valmistettu biomassan uuteaineista ionisiin nesteisiin perustuvilla katalyyteillä. Biomassa koostuu selluloosasta, hemiselluloosasta, ligniinistä sekä uuteaineista, jotka ovat pääosin terpeenejä, vahoja tai rasvahappoja. Uuteaineet ovat puun komponentteja, jotka voidaan erottaa puusta neutraalien liuottimien avulla. Kiinteän kantajan päälle immobilisoituja ionisia nestekatalyyttejä (Supported Ionic Liquid Catalyst) hyödynnettiin α,β-pineenioksidien isomerisointireaktioissa sekä sitraalin vedytysreaktioissa. Ionisten nesteiden vaikutusta katalyyttien aktiivisuuteen sekä reaktioiden tuotejakaumaan tutkittiin erilaisissa reaktio-olosuhteissa. Pineenioksidien isomerisointireaktioiden kineettiset mallit kuvasivat hyvin kokeellisesti todettuja katalyyttien eroavaisuuksia.