Development of kinetic model for industrial ethylene oxide catalyst by using model-targeted experimentation approach

Abstract

Ethylene oxide (EO) is produced via selective oxidation of ethylene with oxygen using a Ag supported on -Al2O3 catalyst. The ethylene epoxidation reaction is desired, whereas the ethylene and EO combustion reactions are not. Proposed study is aimed at developing a tailor-made kinetic model in order for making use in the industrial ethylene oxide reactors which are of paramount importance from the viewpoint of process economics and the greenhouse gas (GHG) induced various environmental exposures. With aging of the catalyst, the trade-off between selectivity and productivity becomes gradually more prominent. Along with the compensation of loss of active sites under the favor of increasing of the temperature, catalyst still provides sustainable commercial yields at the expense of excess feedstock consumption which in turns leads to boost GHG emissions by releasing more carbon dioxide (CO2) into the atmosphere. To maintain catalyst activity for a longest period possible, controlling process variables more preciously with a robust model is very demanding issue throughout the last two decades. Within the scope of this thesis, model-targeted experimentation approach was used assisting by gPROMS software in determining intrinsic kinetics of the commercial catalyst in use through integral reactor coupled with gas chromatography. During the course of the kinetic experiments, the effect of VCM used as a promoter together with inhibiting effects of product gases such as CO2 and EO were also investigated and included into the kinetic model to be derived.

Etilen oksit (EO), -Al2O3 destekli gümüş katalizörü kullanarak etilenin oksijen ile seçici oksidasyon tepkimesi sonucunda üretilir. Etilenin epoksidasyonu istenilen tepkimeyken, etilen ve etilen oksitin yanması istenmeyen yan reaskiyonlardır. Öne sürülen bu çalışma, çeşitli çevresel maruziyetleri tetikleyen sera gazının oluşumu ve fabrika süreç ekonomisi açılarından büyük öneme sahip endüstriyel etilen oksit reaktörlerinde kullanılacak ihtiyaca özel bir kinetik model geliştirilmesine yöneliktir. Katalizörün yaşlanması ile beraber, seçicilik ya da verimlilik faktörlerinden birinden ödün vermek kaçınılmaz hale gelir. Katalizör deaktivasyonu ile kaybedilen aktif noktaların sebebiyet vereceği üretkenlik kaybı sıcaklığın arttırılması ile önlenir ancak bu da fazla hammadde kullanımına ve atmosfere daha çok karbon dioksit salınarak sera gazı emisyonlarının artışına neden olur. Son 20 yıllık zaman periyodunda, katalizör aktivitesini mümkün olan en uzun süreye çıkartabilmek için dayanıklı bir model kullanarak proses değişkenlerinin kontrolü çok rağbet gören bir araştırma konusu haline gelmiştir. Bu tez kapsamında, gaz kromatografiye bağlı integral reaktör içeren bir deney sistemi yardımıyla ticari etilen oksit katalizörünün özgün kinetikleri gPROMS yazılımında uygulanan model-tabanlı deneysel yaklaşım ile bulunmuştur. Kinetik deneyler sürecisince, reaksiyon düzenleyici olarak kullanılan VCM gazının etkisi ile tepkimeler sonucu oluşan karbon dioksit ve etilen oksit gazlarının engelleyici etkileri de geliştirilen kinetik modelde kullanmak üzere incelenmiştir.