use of multiscale modElling to Minimize coke ProducTion during the methanol-to- HYdrocarbon process

Projektbeschreibung

Anhand von Multiskalenmodellen noch effektiver wertvolle Kohlenwasserstoffe aus Methanol gewinnen

Methanol ist ein industriell hergestellter Brennstoff, der gleichermaßen Vorprodukt wertvoller Chemikalien ist. Es kann aus vielerlei Rohstoffen hergestellt werden, zum Beispiel aus Kohle, Biomasse, Biogas und sogar CO2 aus Industrieemissionen. Methanol kann fossile Brennstoffe als Vorstufe zu wertvollen Kohlenwasserstoffen ersetzen und weist einen Weg zu nachhaltigeren Brennstoffen und Chemikalien. Das Verfahren zur Erzeugung von Methanol aus Kohlenwasserstoffen gibt es bereits seit den 1970er Jahren – erst im letzten Jahrzehnt wurde es jedoch im industriellen Maßstab umgesetzt. Es bestehen nach wie vor technische Schwierigkeiten, etwa die Bildung von Koks. Dieser feste Rückstand hemmt die Reaktionsprozesse. Das EU-finanzierte Projekt EMPaTHY wird anhand computergestützter skalenübergreifender Modellierung daran arbeiten, den Mechanismus der Koksbildung im Prozess der Herstellung von Methanol aus Kohlenwasserstoffen besser zu verstehen sowie sein Auftreten zu minimieren oder zu eliminieren.

Ziel

The methanol-to-hydrocarbon (MTH) process is a versatile catalytic process that are gradually playing a more important role in the economy. However, an important factor that is inhibiting the profitability of MTH is accumulation of coke in the pores of the catalyst during operations. To reduce or eliminate the coke formation during MTH operations, it is necessary to have a detailed mechanistic insight into its cause of formation. In this proposal, I will achieve this insight through a computational modelling strategy. I will study the mechanism of the MTH process at various time- and length scales, using various computational methodologies. I will use computational fluid dynamics (CFD) to study the fluid flow at the reactor scale and the diffusion in the macropores. I will use kinetic Monte Carlo (kMC) and molecular dynamics (MD) to study the diffusion in the meso- and micropores. Finally, I will use density functional theory (DFT) to study the reactions at the active sites. The processes studied at the various length scales will be coupled together through a multiscale methodology.
Multiscale modelling has steadily evolved over the past decade, but the concept is still at the proof-of-principle stage where the methodology has been demonstrated for simple test systems such as CO oxidation. The methodologies that will provide data to the multiscale simulation, CFD, kMC, MD, and DFT have all reached a high level of maturity. Now is the right moment to use a multiscale methodology to couple these methodologies together and solve the problem of coke formation in the MTH process.
The potential outcomes are the following: 1) an understanding of how coke is formed in the MTH process; 2) a larger acceptance in the catalysis community to use multiscale modelling in the design of new catalysts; and 3) tighter interdisciplinary collaborations.