OPTIMAL DESIGN OF MEMBRANE REACTOR COUPLING DEHYDROGENATION OF PROPANE WITH ANILINE PRODUCTION IN AN ADIABATIC FIXED BED MEMBRANE REACTOR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc. Thesis Report) Omar Al Deeb MSc Chemical Eng Thesis v2.1.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 24 January 2025. Download (1MB)

Arabic Abstract

يُقترح تكوين مفاعل جديد حيث تحدث عملية نزع الهيدروجين من البروبان إلى البروبيلين وهدرجة النيتروبنزين إلى الأنيلين في وقت واحد. يتغلب تكوين المفاعل هذا على القيود الديناميكية الحرارية لتفاعل نزع الهيدروجين من خلال السماح لكل من الكتلة (الهيدروجين) ونقل الحرارة بين الغلاف والأنابيب. ينتشر الهيدروجين الناتج عن تفاعل نزع الهيدروجين عبر أغشية الهيدروجين والبلاديوم، مما يعزز إنتاج البروبيلين، إلى جانب الهدرجة حيث يتم استهلاكه لتكوين الأنيلين. تم تحليل خصائص تعزيز أداء المفاعل من خلال تطوير نموذج مفاعل شبه متجانس والذي تم حله باستخدام طريقة التجميع المتعامد. تم استخدام النموذج الناتج لمقارنة أداء المفاعل الغشائي مع أداء المفاعل التقليدي. كما أجريت دراسة حدودية لتحديد تأثير عدة عوامل على تحويلات البروبيلين والنيتروبنزين. تم بعد ذلك استخدام النموذج لتنفيذ إجراء تحسين متعدد الأهداف باستخدام طريقة القيد العادية (NNC) وطريقة تقاطع الحدود الطبيعية (NBI). تم إجراء التحسين باستخدام ناتج البروبين وتحويل النيتروبنزين كوظائف موضوعية. تم تعظيم الوظيفتين عن طريق تغيير عدد الأنابيب، وطول المفاعل، ومعدل التدفق المولي للتغذية من النيتروبنزين، ونسبة البخار إلى النيتروبنزين، ودرجة حرارة هدرجة التغذية. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها أن استخدام المفاعل الغشائي الجديد مقارنة بالمفاعل التقليدي أدى إلى زيادة هائلة في تحويل البروبان من 0.37 في المفاعل التقليدي إلى 0.77 في المفاعل الغشائي. أيضًا، فضل تكوين التيار المشترك جانب نزع الهيدروجين على حساب جانب الهدرجة، في حين فضل وضع التيار المعاكس جانب الهدرجة على حساب تفاعل نزع الهيدروجين. أظهر التحسين أن الحد الأقصى الذي يمكن تحقيقه من إنتاج البروبين هو 0.976 بينما الحد الأقصى لتحويل النيتروبنزين هو 0.902 وهو تحسن كبير في أداء المفاعل.

English Abstract

A novel reactor configuration where the dehydrogenation of propane to propylene and the hydrogenation of nitrobenzene to aniline occur simultaneously is proposed. This reactor configuration overcomes the thermodynamic limitations of the dehydrogenation reaction by allowing both mass (hydrogen) and heat transfer between the shell and the tubes. Hydrogen produced by the dehydrogenation reaction diffuses through the palladium-hydrogen membranes, promoting the production of propylene, to the hydrogenation side where it is consumed to form aniline. The performance boosting characteristics of the reactor were analyzed by developing a pseudo-homogeneous reactor model which was solved using the orthogonal collocation method. The model generated was used to compare the performance of the membrane reactor with that of the conventional reactor. Also, a parametric study was conducted to determine the effect of several parameters on the conversions of propylene and nitrobenzene. The model was then used to perform a multi-objective optimization procedure using the using the normalized normal constraint method (NNC) and the normalized boundary intersection method (NBI). The optimization was carried out by using the yield of propene and the conversion of nitrobenzene as the objective functions. The two functions were maximized by varying the number of tubes, reactor length, feed molar flowrate of nitrobenzene, steam-to-nitrobenzene ratio, and the feed hydrogenation temperature. The results obtained show that the use of the novel membrane reactor compared to the conventional reactor led to a massive increase in the conversion of propane from 0.37 in the conventional reactor to 0.77 in the membrane reactor. Also, the co-current configuration favored the dehydrogenation side at the expense of the hydrogenation side, whereas the counter-current mode favored the hydrogenation side at the expense of the dehydrogenation reaction. The optimization showed that the maximum achievable yield of propene is 0.976 while the maximum conversion of nitrobenzene is 0.902 which is a significant improvement to the performance of the reactor.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Abo-Ghander, Nabeel Salem M.
Committee Members:	Al-Shammari, Abdallah A. and Hossain, Mohammad Mozahar and Al-Saifi, Nayef M. and Shaikh, Abdulla A.
Depositing User:	OMAR AL DEEB (g201903710)
Date Deposited:	28 Jan 2024 08:14
Last Modified:	28 Jan 2024 08:14
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142800