Deutschmann, O.

Hartmann, M.

Hauck, C.

Kaltschmitt, T.

Maier, L.

English

KITopen

Institute of Chemical Technology and Polymer Chemistry1 26.04.2012KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz AssociationInstitute of chemical technology and polymer chemistrywww.kit.eduInfluence of gas-phase reactions on catalytic reforming of isooctaneTorsten Kaltschmitt, Lubow Maier, Marco Hartmann, Christian Hauck, Olaf Deutschmann33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University - BeijingInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry2 26.04.2012Introduction CPOX of higher hydrocarbonsT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingCx Hy +   x/2 O2 → x CO   +   y/2 H2Partial oxidation of an fuel‐air mixture in a reformerNoble metals (Rh) efficiently catalyze the conversion of  hydrocarbon fuels to a hydrogen‐rich synthesis gasShort contact time (ms), low ignition temperature (250°C)Isooctane4 SLPMC/O = 0.8in N2Institute of Chemical Technology and Polymer Chemistry3 26.04.2012Motivation On‐board fuel processing as future technologyCompact autothermal reformers for onboard electricity supply (APU)T. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingSOFCFuelPEMCatalytic ConverterExhaust ExhaustH2H2 , COWGSAIR CPOX  ReformerImproved  Start‐upH2  ‐ SCRTailgas recycling (CO2 /H2 O)Institute of Chemical Technology and Polymer Chemistry4 26.04.2012High‐temperature operationBeside surface chemisty, gas‐phase  chemistry is important at high TCoking / aging of the catalyst is  acceleratedDownstream coke formation  dangerous for SOFCCoke precursor formation is  contributed to homogenious gas‐phase  reactions at C/O > 1Thermal decompositionC1 ‐C3 precursorsN. Burke, D. Trimm, React. Kinet. Catal. Lett. 84 (2005) 137‐142.Motivation  Challanges in CPOX of higer HCsT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingPost‐reactions in the gas‐phase downstream the  catalyst make interpretation of the results more  c mplicatedInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry5 26.04.2012Experimental Setup Rapid mixing below autoignition temperatureUnifor, flow and temperature  distribution across the catalystDesigned for accurate and rapid  mixing of up to 8 gaseous reactants  below auto‐ignition temperature  (inclusive liquide fuel)No reaction upstream the catalystPressure controlled between 100 – 1013 mbarT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingM. Hartmann, Sven Lichtenberg, Nicole Hebben, Dan Zhang, O. Deutschmann, Chemie Ingenieur Technik 81 (2009), 909‐919Institute of Chemical Technology and Polymer Chemistry6 26.04.2012Experimental Setup Product gas processing and analysisT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingTotal flow determination via internal standard methods and drycal® technologyM. Hartmann, Sven Lichtenberg, Nicole Hebben, Dan Zhang, O. Deutschmann, Chemie Ingenieur Technik 81 (2009), 909‐919Institute of Chemical Technology and Polymer Chemistry7 26.04.2012Conversion with catalystT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry8 26.04.2012Catalytic experiment  Surface and gas‐phase reactionsT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ Beijing20mm10mm10mm 10mmM. Hartmann, L. Maier, H. D. Minh, O. Deutschmann, Combust. Flame 157 (2010) 1771‐1782.2D species distribution (molar fractions) along the catalyst. The symmetry axis  of the channel and the gas‐wall interface are at r = 0 and 0.5 mm, respectively.Iso‐C8 H18 /O2,  C/O=1.1, 80% N2 dilution, 1080K, 4 SLPM Institute of Chemical Technology and Polymer Chemistry9 26.04.2012Catalytic experiment  Ignition behaviourT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry10 26.04.2012Conversion without catalystTorsten Kaltschmitt - TitleInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry11 26.04.2012Non‐catalytic gas‐phase experiment  Post‐catalyst regime for gas‐phase reactionsT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ Beijing150200250300350400450500550600650700750800850900950‐5 0 5 10 15 20 25 30T [°C]x [cm]600°C Ofen 700°C Ofen 800°C Ofen 900°C Ofeninsulation furnanceentranceinsulation furnanceexitInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry12 26.04.2012Non‐catalytic gas‐phase experiment  Inlet conditions in non‐catalytic case taken from  catalytic caseT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingC/O 1 1.3 1.6 2x CO 0.2014 0.1821 0.1681 0.1652x H2 0.2316 0.2294 0.2120 0.1947x CO2 0.0110 0.0118 0.0141 0.0191x H2O 0.0147 0.0087 0.0134 0.0213x Ethyeln 0.0000 0.0005 0.0004 0.0002x i-octane 0.0001 0.0028 0.0077 0.0032x nitrogen 0.5412 0.5648 0.5843 0.5963Institute of Chemical Technology and Polymer Chemistry13 26.04.2012Non‐catalytic gas‐phase experiment 1D steady state plug‐flow simulationT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingMECHANISM M1:  Westbrook‐Kalghatgi gas phase chemistry:  1082 species, 8927 reactionsdetailed n‐heptane/iso‐octane mechanism from LLNLH.J. Curran, P. Gaffuri, W.J. Pitz, C.K. Westbrook, Combust. Flame 129 (3) (2002) 253–280and detailed toluene mechanism from DagautP. Dagaut, G. Pengloan, A. Ristori, Phys. Chem. Chem. Phys. 4 (2002) 1846–1854.were merged.Johan Andrae, David Johansson, Pehr Björnbom, Per Risberg, Gautam Kalghatgi,Combustion and  Flame 140 (2005) 267–286DETCHEMPLUG : isothermal, length 25.5 cm, radius 1cm, flow 0.318 m/sMECHANISM M2: based on work of Dean et al gas phase chemistry: 420 species, 3611 reactions, PAH pathwayC.A. Mims, R. Mauti, A.M. Dean, K.D. Rose, J. Phys. Chem. 98 (50) (1994) 13357–13372K.M. Walters., A.M. Dean, H. Zhu, R.J. Kee, Journal of Power Sources 123 (2003) 182–189Institute of Chemical Technology and Polymer Chemistry14 26.04.2012Results Numerically predicted axial product profilesC8 completely  converted for z ≥ 5  cmH2 and CO  decreaseHCs increaseThermal cracking  leads to decreasing  HC>3 for z ≥ 3 cm10% H2 conversionH2 O, CO2 increase  due to WGS and  hydrogenation  reactionsT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingC/O = 1.6, 1108 K, 6 SLPMInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry15 26.04.2012Results Product distribution as function of temperatureT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingMinimum T is requiredC1‐C3 observed at T >  850 KNo C8 conversion  below T < 850 KMax. conversion of  87.5% at 1108 KM2 predictes less C1‐ C3 than M1 due to  PAH formationC3 decreases for T >  990 K because of  higher  formation  enthalpy  of ethylene  and acetyleneC/O = 1.6, 6 SLPM, symbols = experimentInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry16 26.04.2012Results Main‐ and side‐productsT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingWith rising C/O:More soot  precursor  formationSlight Syngas  consumptionConsumption of H2 O  points  to WGS for  C/O < 1.3Consumption of H2 for C/O > 1.3 points  to methantion  reactions993 K, 6 SLPM, open symbols = experiment, filled symbols = inletInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry17 26.04.2012Results Carbon Precursor Distribution along the ReactorT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingC3‐C4 directly formed  at reactor entranceTwo zones of coke  deposition expectedEntrance Zone:alternative pathways  compared to PAH  (polyyne model, C2 H2 pyrolysis, carbon  cluster formation)Center and Downstream:PAH formationC/O = 1.6, 1108 K, 6 SLPMInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry18 26.04.2012ConclusionsCatalyst is covered with C downstream the position at which all O2 is  consumed at fuel rich conditionsgas‐phase plays important role in the conversion of the remaining fuelGas‐phase reactions are responsible for coke formation when unconverted  fuel leaves the HT oxidation zone of the catalystCracking of remaining fuel increases concentrations of by‐products and as a  consequence of C‐depositionGas‐phase reactions have to be considered in HT CPOX reformers especially  in fuel‐rich operation modeT. Kaltschmitt et al, 33rd International Symposium on Combustion – Tsinghua University ‐ BeijingInstitute of Chemical Technology and Polymer Chemistry19 26.04.2012AcknowledgmentColaborationsProf. Dr. Robert J. KeeProf. Dr. Anthony M. DeanTorsten Kaltschmitt - TitleFinancial supportDr. Lubow MaierDr. Marco HartmannProf. Dr. Olaf Deutschmann

Influence of gas-phase reactions on catalytic reforming of isooctane

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/240086752/3816028

Influence of gas-phase reactions on catalytic reforming of isooctane

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

KITopen