Kinetic model discrimination for a new Fischer-Tropsch iron catalyst and reactor staging optimization for a gas to liquids plant

This dissertation has had as main objectives the kinetic model discrimination for a new Fischer-Tropsch iron based catalyst and the profit maximization of a Gas-to-Liquids industrial plant by optimizing the size and number of stages of the Fischer-Tropsch reactor used in said plant. The experimental data necessary to identify the best kinetic model for the considered catalyst have been provided by the Università degli Studi di Milano. Firstly, the laboratory reactor used to run the experimental tests has been modelled in MATLAB®. Thanks to this simulation various kinetic models taken from the literature were compared; the kinetic parameters of these models have also been optimized with a nonlinear regression using the experimental data. The kinetic model that presented the lower mean squared error between simulated and experimental results has been therefore chosen as the best among those considered. For the GTL plant it has been chosen a multi-tubular fixed bed reactor to perform the Fischer-Tropsch Synthesis. This reactor has been simulated in depth in MATLAB®, including in the model the evaluation of the catalyst efficiency and considering the possible formation of a liquid phase, while the remaining sections of the GTL plant have been instead simulated in Aspen HYSYS®. The optimization of the size and number of stages of the Fischer-Tropsch reactor has been still managed by MATLAB®, setting the net present value of the GTL plant project as objective function to maximize.

Questa dissertazione ha avuto come obiettivi principali la determinazione di un modello cinetico per un nuovo catalizzatore a base di ferro per la sintesi di Fischer-Tropsch e la massimizzazione dei profitti di un impianto industriale Gas-to-Liquids ottenuta ottimizzando il numero di stadi e la lunghezza del reattore Fischer-Tropsch utilizzato nella simulazione del suddetto impianto. I dati sperimentali necessari ad individuare il miglior modello cinetico per il catalizzatore considerato sono stati forniti dall’Università degli Studi di Milano. Prima di tutto è stato modellato in MATLAB® il reattore di laboratorio utilizzato per eseguire le prove sperimentali. Grazie a questa simulazione vari modelli cinetici tratti dalla letteratura sono stati messi a confronto; i parametri cinetici di questi modelli sono stati inoltre ottimizzati con una regressione non lineare utilizzando i risultati sperimentali. Il modello cinetico che presentava il minor errore quadratico medio tra risultati simulati e sperimentali è stato quindi scelto come il migliore tra quelli considerati. Per l’impianto GTL è stato scelto un reattore multitubolare a letto fisso per eseguire la sintesi di Fischer-Tropsch. Questo reattore è stato simulato approfonditamente in MATLAB®, includendo nel modello il calcolo dell’efficienza del catalizzatore e considerando la possibile formazione di una fase liquida, mentre la parte restante dell’impianto GTL è stata invece simulata in Aspen HYSYS®. L’ottimizzazione delle dimensioni e del numero di stadi del reattore Fischer-Tropsch è stata ancora gestita da MATLAB®, ponendo il valore attuale netto del progetto d’impianto GTL come funzione obiettivo da massimizzare.