Gruppe for reaktorteknologi arbeider i videste forstand med eksperimentelle studier og modellering av kjemiske reaktorer. Eksempler på applikasjoner vi har arbeidet med er: reformerreaktorer for syntesegassproduksjon (Tjeldbergodden), fixed bed metanol-reaktor (Tjeldbergodden), slurry metanolreaktor, Fluidised Catalytic Cracker (Mongstad), Propan dehydrogeneringsreaktor (fixed bed), Slurry og fixed bed Fischer-Tropsch reaktor, avsvovlingsreaktorer, monolittreaktorer, polymerreaktorer (HDPE loopreaktor, polyolefinreaktorer og PVCreaktorer), og flere ulike bioreaktorer fra encelle protein produksjon og fermenteringsprosesser til kloakkbehandling.

I tillegg arbeider gruppen sammen med separasjonsgruppen innen fagfeltet absorpsjon med kjemisk reaksjon. Dette arbeidet er særlig rettet mot fjerning av sure komponenter fra naturgass (eks. CO₂ , H₂S) og fjerning av CO₂ fra eksos- og mellomtrykksgasser i forbindelse med utvikling av gasskraftverk med akseptable CO₂–utslipp.

Den store bredden i applikasjonene gjør at vi samarbeider med mange andre faggrupper; grupper for petrokjemi og katalyse, polymer og overflatekjemi, separasjon, biokjemi og prosess-systemanalyse.

På eksperimentalsiden konsentrerer vi oss om studier av masse og varmeoverføring i reaktorer og beskrivelse av strømning. Spesielt arbeider vi med flerfasesystemer da dette ofte inngår i kjemiske reaktorer, og også innen separasjon. Sammen med Separasjonsgruppen arbeider vi også med måling av likevekter og kinetikk i systemer som har interesse for surgassfjerning (CO₂ og H₂S).

På modelleringssiden arbeider vi med alle typer modeller, fra tradisjonelle røretank/stempelstrømsmodeller, dispersjonsmodeller, "fenomenologiske" modeller som prøver å beskrive og predefinere strømningen ut fra visuelle observasjoner og målinger, og til de mer komplekse strømningsmodellene (CFD) som beregner strømningen i en gitt apparatur. I tillegg utarbeider vi modeller for absorpsjonstårn og membranapparaturer for surgassfjerning sammen med separasjonsgruppen.

Det er i Norge i dag et stort behov for avansert forskning og bred kompetansebygging innen fagfeltene flerfase kjemisk reaktorteknologi og flerfase prosesstrømning, feks ved høytrykks gass/væskeseparasjon. Gjennom de siste 30 årene spesielt er industrien, i tillegg til sine økonomiske betingelser, stadig blitt stilt overfor krav om forbedringer i ressurs og energiutnyttelse. Dette har spesielt vært koblet til miljømessige gevinster og utslippsproblematikk. I dag så har industrien redusert sine utslipp dramatisk i forhold til bare for 20 år siden. De enkle og middels vanskelig forbedringene er utført og ny utvikling fordrer stor forskningsinnsats og høy kompetanse. Et eksempel som kan nevnes er de utfordringene man står overfor når man skal ha full undervannskomplettering av brønner med utskilling og retur av vann, og muligens separsjon av gass. Man forlanger stadig bedre selektivitet og omsetning av de kjemiske prosessene. Dette vil kunne gi store gevinster ikke minst i separasjonsprosessene før og etter reaktorene. Dette fordrer utvikling av nye katalysatorer og, ikke minst, bedre kontroll med masse og varmeoverføring og strømning i reaktorene.

For å møte disse utfordringene er det ved NTNU/SINTEF startet to forskningsprogrammer med støtte fra Norges Forskningsråd og norsk og utenlandsk industri

Det ene programmet fokuserer på eksperimentelle studier og modellering av kjemiske reaktorer og flerfase prosesser. Hovedhensikten med det andre programmet er å forbedre forståelsen av de fysiske og kjemiske prosesser som er involvert i høytrykk gass/væske separasjon for derved å skape en pålitelig basis for design og drift av sub-sea gass/væske separasjonssystemer.

Felles for begge er modellering og eksperimentelle studier av flerfase strømning i ulike geometrier og de underliggende mekanismer for dråpe/boble–dannelse ved oppbrekking, medrivning, avsetning og koalescens. Totalt skal vi ha 10 dr.grader innen disse to prosjektene.

Nærmere opplysninger om arbeidet innen disse prosjektene er gitt på hjemmesidene: http://www.CARPET.ntnu.no og http://www.HiPGaS.ntnu.no.

Innen fjerning av CO₂ har vi et forskningsprosjekt sammen med SINTEF Kjemi. Dette prosjektet er rettet mot utvikling av nye absorpsjonsvæsker for mer økonomisk og miljøvennlig fjerning av CO₂ fra spesielt eksosgasser. Fokus vil også være på desorber-delen (stripper) av prosessen for å forsøke å få ned energiforbruket ved en ny utforming av denne.

I tillegg så arbeider vi sammen med Kværner Process Systems (KPS) og Gore for å utvikle en ny membranabsorpsjonsteknologi. Dette prosjektet er rettet mot å få ned apparaturstørrelser og -kostnader, samtidig som man får drifts- og miljøgevinster.

Vi har pr. idag 2 dr.ing studenter innen dette fagfeltet, men vil snart ha to til.

Det skal utvikles en programpakke for å beskrive strømningsforhold i flerfasereaktorer. Det tas utgangspunkt i en eksisterende programpakke (utviklet av tidligere studenter ved instituttet) som beskriver tofasestrømning i 1D og 2D for vertikale rør (en såkalt ’drift-flux’ modell). Modellen skal utvides til en full multifluidmodell, dvs. at vi beskriver begge fasene og interaksjonen mellom fasene eksplisitt. De nødvendige modelligningene for å beskrive systemet vil bli gitt. Hoveddelen av arbeidet vil være å implementere en numerisk algoritme for å løse modelligningene.

Oppgaven vil gi en innføring i fortranprogrammering, noe som er meget nyttig for studenter som vurderer å arbeide innen reaktorteknologi/strømning. Videre har prosjektet mye til felles med noen av de andre oppgavene og samarbeid kan være nyttig.

Oppgaven er reservert for Alf Eddie Setekleiv.

Faglærer: Hugo A. Jakobsen

2: Numerisk analyse av strømning og fasefordeling i scrubbere.

I denne oppgaven skal vi modellere et ikke-reaktivt system, luft og vann/olje. De nødvendige transportligningene for å beskrive fase- og dråpestørrelsesfordelingen i systemet vil bli gitt. Det tas utgangspunkt i en eksisterende programpakke (utviklet av tidligere studenter ved instituttet) som beskriver strømning av gassbobler i væske i 1D og 2D for vertikale rør. Modellen og programmet skal forbedres og utvides til å kunne takle faseinversjon (en gasstrøm med dråper). Hoveddelen av arbeidet vil være å modifisere modellene for koalesens og oppbrytning.

Oppgaven vil gi en innføring i fortranprogrammering, noe som er meget nyttig for studenter som vurderer å arbeide innen separasjon/reaktorteknologi/strømning. Videre har prosjektet mye til felles med noen av de andre oppgavene og samarbeid kan være nyttig.

Faglærere: Hugo A. Jakobsen og Hallvard F. Svendsen

I denne oppgaven skal vi forsøke å redusere regnetiden for det eksisterende programmet beskrevet under oppgavene HAJ 1-2. Det tas altså utgangspunkt i en eksisterende programpakke (parallell versjon) som beskriver enfasestrømning i 1D og 2D for vertikale rør. En skal forsøke å forbedre implementasjonen av løsningsalgoritmene slik at tidsforbruket reduseres, eventuelt også parallellisere nye moduler i programmet. Programmet skal kjøres på NOTURs superdatamaskiner.

Parallelt med dette prosjektet vil en student fra industriell matematikk jobbe med å optimalisere en liknende modell for flerfase kjemiske reaktorer. Samarbeid kunne være nyttig og ønskelig.

Faglærer: Hugo A. Jakobsen

Det er ingen som til nå helt har forstått hva turbulens egentlig er, selv om en har en viss oversikt over de viktigste egenskapene til turbulente strømninger. Likevel, siden en finner svært mange turbulente strømninger i kjemisk industri og i naturen rundt oss, er det ønskelig at en i det minste kan beskrive effekten av disse fenomenene. Et konsept som har vært forsøkt brukt er basert på statistisk teori.

I dette prosjektet skal vi sette oss inn i denne teorien, utrede hvordan denne kan anvendes for bedre å kunne forstå de fysiske prosessene som foregår i dispergert flerfasestrømning, samt finne ut hvordan vi kan beregne de viktigste størrelsene fra tilgjengelige måledata for å validere teorien. Det er også viktig å spesifisere sterke og svake sider ved dette konseptet.

Faglærere: Hugo A. Jakobsen og Hallvard F. Svendsen

5: Numerisk analyse av strømning og varmetransport i scrubbere.

I denne oppgaven skal vi ta utgangspunkt i en termodynamisk ikke-ideell gassblanding, naturgass med litt vanndamp under høye trykk i scrubbere. Oppgaven består i å utlede og implementere de nødvendige modelligningene for å beskrive varmetransport og transport av kjemiske komponenter i dette systemet. Modellen skal kunne beskrive kondensasjon av gassblandingen og fordampning av eventuelle dråper.

Det tas utgangspunkt i to eksisterende programpakker, en som beskriver strømningsforholdene i separatoren og en annen programpakke som beskriver termodynamikken i systemet. Modellen og programmet skal dokumenteres, utvides og forbedres.

Oppgaven vil gi en innføring i fortranprogrammering, noe som er meget nyttig for studenter som vurderer å arbeide innen reaktorteknologi/separasjonsteknologi/strømning. Videre har prosjektet mye til felles med noen av de andre oppgavene og samarbeid kan være nyttig.

Faglærer: Hugo A. Jakobsen og Jørgen Løvland

6: Modellering av masse- og varmetransport i kjemiske reaktorer.

Forelesningene i fag SIK 2053, reaktorteknologi, er under omlegging. Den delen av faget som omhandler fixed bed reaktorer skal forbedres ved at teorien fremlegges med økt vekt på praktiske eksempler.

Oppgaven vil gå ut på å lage enkle eksempler på reaktormodellering og simulering ved bruk av matlab og fortran. Vi skal se på to kjemiske systemer som utgjør en viktig del av STATOILs anlegg på Tjeldbergodden, produksjon av syntesegass og metanol. De nødvendige modelligningene som beskriver systemene vil bli oppgitt, og det tas utgangspunkt i eksisterende programpakker utviklet av tidligere studenter ved instituttet. Modellen skal utvides til en såkalt heterogen, todimensjonal dispersjonsmodell med både aksiell og radiell dispersjon.

Prosjektet vil gi en innføring i fortranprogrammering, noe som er meget nyttig for studenter som vurderer å arbeide innen reaktorteknologi/strømning.

Faglærer: Hugo A. Jakobsen

7: Modellering og numerisk analyse av boble-/dråpekollisjon.

For å kunne optimalisere faseseparasjonsprosessen i scrubbere, og masseoverføringen mellom fasene i flerfasereaktorer, er det viktig å forstå mekanismene som styrer bobble-/dråpekoalesens. De tre viktigste trinnene i koalesensprosessen er partikkelkollisjon, filmdrenering, og brytning av partikkeloverflatene.

I denne oppgaven skal vi modellere kollisjon mellom fluidpartikler. De nødvendige modelligningene for å beskrive systemet vil bli gitt. Det tas utgangspunkt i en eksisterende programpakke (utviklet av en Dr. ing. student ved instituttet) som beskriver kollisjon mellom to partikler som beveger seg rett mot hverandre. Vi skal prøve å finne ut hvilke variable som kan påvirke utfallet av disse kollisjonene. Modellen og programmet skal utvides og forbedres.

Parallelt med arbeidet med å modellere partikkelkollisjonene vil det bli utført eksperimentelle forsøk for å validere modellen. Om ønskelig kan det være aktuelt å delta på den eksperimentelle siden også.

Faglærere: Hugo A. Jakobsen og Hallvard F. Svendsen

For å kunne optimalisere faseseparasjonsprosessene i scrubbere er det viktig å forstå mekanismene som styrer dråpekoalesens. De tre viktigste trinnene i koalesensprosessen er partikkelkollisjon, filmdrenering, og brytning av partikkeloverflatene. I tillegg er dråpeavsetningsmekanismene som bestemer grad av væskeavsetning langs veggene og i innmaten av separatoren viktige. Tilsvarende er det også essensielt å forstå mekanismene for dråpemedrivning fra væsken i bunnen av separatoren, fra væskefilmer langs veggene og fra innmaten i separatorene.

I denne oppgaven skal vi analysere disse mekanismene både teoretisk og eksperimentelt.

Oppgaven er reservert for Thomas Helsør.

Faglærere: Hugo A. Jakobsen og Hallvard F. Svendsen

9: Simulering av CO₂ -absorpsjon gjennom en membran.

Ved instituttet er det utviklet en enkel modell for å beskrive CO₂ -absorpsjon gjennom en membran. Modelligningene er forsøkt løst både ved hjelp av ’finite volume’ FV- og ’finite difference’ FD metoder. FD metoden er implementert i matlab og konvergerer rimelig raskt, men det er problemer knyttet til massebevarelse. FV algoritmen er implementert i et fortranprogram og sikrer at massen er bevart i systemet, men løsningen av det resulterende sett av algebraiske ligninger er relativt tidkrevende. Oppgaven går ut på å optimalisere FV løseren og evaluere fordeler og ulemper ved de to løsningsalgoritmene, både for uniforme og ikke-uniforme grid.

Prosjektet vil gi en innføring i matlab og i fortranprogrammering, noe som er nyttig for studenter som vurderer å arbeide innen separasjonsteknologi/reaktorteknologi/strømning. Videre har arbeidet mye til felles med noen av de andre oppgavene og samarbeid kan være nyttig.

Faglærere: Hugo A. Jakobsen og Hallvard F. Svendsen

Veileder: Jana Poplsteinova

SINTEF Kjemi i samarbeid med SINTEF Petroleumsforskning, og Flerfaselaboratoriet på Tiller jobber med utvikling av en reaktor for fremstilling av tørre hydratpartikler fra en brønnstrøm. Konseptet er tenkt brukt i forbindelse med behandling av rørstrømmer ved undervannsinstallasjoner på oljefelt. Dette setter strenge krav til enkel og vedlikeholdsfri reaktorutforming. Blant de mest kritiske faktorene er groing på reaktorveggen, samt tilstrekkelig oppholdstid inne i reaktoren.

Oppgaven vil omfatte simulering av partikkelstrømning i ulike geometrier, med hensyn på optimalisering av reaktordesign. Simuleringene vil bli utført ved hjelp av strømningsprogrammet Fluent 5.5.

Det stilles krav om at studenten må kunne bruke strømningsprogrammet Fluent 5.5.

Oppgaven er reservert for Cecilie Gotaas

Faglærer: Hugo A. Jakobsen

Veiledere: Dr. ing. Paal Skjetne, SINTEF kjemi og Dr. ing. Are Lund, SINTEF kjemi

11: Evaluering av CONWHYP konseptet for implementering på et oljefelt.

Ved SINTEF Kjemi og SINTEF Petroleumsforskning er det blitt utviklet et system for håndtering av fritt vann fra undervannsbrønner. I denne prosessen blir fritt vann i en oljestrøm konvertert til tørt hydrat pulver, som lett lar seg transportere til land eller til en plattform. For mulig implementering av CONWHYP prosessen til undervannsoljefelt, vil vi nå utføre en innledende evaluering. Det er utviklet en numerisk modell i MATLAB for å kunne utføre sensitivitetsanalyser av modellparametere. Både eksperimentelle og numeriske sensitivitetsstudier av viktige parametre kan bli aktuelle arbeidsområder.

Oppgaven vil bli utført i samarbeid med et team i SINTEF.

Det stilles krav om at studenten må kunne bruke dette MATLAB-programmet.

Oppgaven er reservert for Anne Cathrine Reitan.

Faglærer: Hugo A. Jakobsen

Veiledere: Dr. ing. John C. Morud, SINTEF kjemi, Dr. ing. Are Lund, SINTEF kjemi, og Roar Larsen, SINTEF Petroleumsteknikk.

12: Modellering og eksperimentelle studier av strømning i

Innenfor forskningsprogrammet REPP (Reaktorteknologi innen petro- og polymer-industrien) har vi, i samarbeid med Høyskolen i Telemark(HIT), en dr.ing-student som arbeider med strømningsmålinger og varmeoverføringsstudier i røretanker. Dette er et program som er støttet av NFR sammen med Statoil, Norsk Hydro, Reichold, Dyno og Borealis. Vi har alt eksperimentalutstyret på plass og dr.ing kandidaten kjører nå forsøk. Vi ønsker imidlertid å utvide med videre forsøk, spesielt i høyviskøse og ikke-Newtonske systemer. Oppgave vil kunne vinkles mot den strømningsmessige delen, med målinger basert på LDV (Laser-Doppler-Velosimetri), eller mot varmeoverføringssiden. I tillegg til målinger er det også meningen å utvikle nye forbedrede korrelasjoner og å kjøre CFD-simuleringer.

Oppgaven er reservert for Elisabeth Torbjørnsen.

Faglærer: Hallvard Svendsen

Veileder: Rune Engeskaug

Statoil arbeider for tiden intenst med aktivitet rettet mot GTL(Gas To Liquids)-teknologi. Dette innbærer teknologi for å omsette naturgass til væskeformige hydrokarboner med større verdi. Et eksempel er Fischer-Tropsch teknologi. I den forbindelse har Statoil investert i et større "Slurry-reaktor"anlegg i vår forsøkshall hvor SINTEF Kjemi for tiden kjører forsøk. Den ene apparaturen er en 17 m høy kolonne hvor man ønske å studere fordelingen av katalysator. Korrelasjoner for dette finnes i litteraturen, men er verifisert bare opp til reaktorhøyder på noen få meter. Prediksjonene for høye reaktorer er lite sannsynlige og nye data trengs. SINTEF-aktiviteten avsluttes over sommeren og det er et stort ønske om å fortsette denne for å bedre datagrunnlaget. I tillegg vil det være en teoretisk del hvor man ser på ny-utvikling av korrelasjoner.

Faglærer: Hallvard Svendsen

Veileder: Kai Hjarbo, SINTEF kjemi

For å få til en optimalisering av absorpsjonstårn og best mulig enrgiutnyttelse, er det nødvendig med stadig bedre modeller for likevekter og kinetikk i de kjemiske systemene som brukes. Man snakker i dag om såkalte "rigorøse" modeller som ikke bare modellerer f. eks. partialtrykket av CO₂ over en løsning som inneholder en gitt mengde CO₂, men også modeller som er aktivitetskoeffisientbaserte og som predikterer fordelingen av de ulike kjemiske komponentene, ioniske så vel som ikke ioniske, som funksjon av CO₂-innhold og temperatur. Vi har laget en slik modell for systemet MDEA (Metyl-dietanolamin) - CO₂ –vann. Dette ønsker vi å forbedre og utvide til også å omfatte en hastighetspromotor, piperazin. Prosjekt oppgaven vil sannsynligvis gå med til å sette seg inn i den eksisterende modellen for MDEA, og så formulere den utvidete modellen, eventuelt å gjøre forbedringer på MDEA-modellen.

Faglærer: Hallvard F. Svendsen og Jørgen Løvland

Veiledere: Jana Poplsteinova

Som nevnt i forrige oppgave så er det et stort behov for bedrede likevekts og kinetikkmodeller for ulike absorpsjonssytemer. For validering av disse modellene trenger vi gode eksperimentelle data. Vi har ved instituttet tre forskjellige likevektsapparaturer for ulike trykk og temperaturområder, og tre ulike kinetikkapparaturer. En dr.ingkandidat arbeider på en membranabsorberapparatur for kinetikkmålinger og det er der behov for å utvide forsøksmassen. Videre er det stort behov for likevektmålinger. Dette innebærer at det her vil være rom for flere enn en prosjektoppgave. Modellering av likevektene vil også være aktuelt. Alle apparaturene er operative og assistanse fra SINTEF kan også påregnes.

Oppgaven er reservert for Roger Nilsen

Faglærer: Hallvard F. Svendsen

Veileder: Karl Anders Hoff og Olav Juliussen

Monolittreaktorer er strukturerte katalysatorer som f.eks. benyttes for rensing av bileksos. Slike katalysatorer er også aktuelle for kjemisk industri, f.eks. hydrogeneringsreaksjoner.

Oppgaven, som er en videreføring av en diplom fra i fjor høst, har som formål å beskrive en Fischer-Tropsch process (produksjon av hydrokarboner fra syntesegass) i en reaktor med 2-fase gass/væske flow gjennom en monolittbasert katalysator. Hovedvekten vil ligge på en analyse av forutsetningene for varmetransport i slike systemer. Prosjektet vil bestå i innhenting av relevante data for monolittkatalysatoren og oppbygging og bruk av en simuleringsmodell. Denne oppgaven er gitt i samarbeid med STATOIL.

Faglærer: Hallvard F. Svendsen

Veileder: Arne Grislingås

De lette olefinene eten og propen utgjør det desidert viktigste råstoffet for polymerindustrien. Disse olefinene fremstilles i hovedsak ved steam cracking av lette alkaner (NGL og nafta). En alternativ prosess for å lage olefiner er ved direkte dehydrogenering av etan og propan, og det eksisterer kommersielle prosesser for dette. Det er katalytiske prosesser som går ved relativt høy temperatur og lavt trykk. Dehydrogenering er en sterkt endoterm prosess, og utfordringen ved disse prosessene er å bringe varme inn til reaksjonssonen. I de fleste av de eksisterende prosessene skjer dette ved å tilføre varme gjennom reaktorveggen, eller ved å varme opp katalysatoren eksternt eller internt i reaktoren.

En alternativ måte å gjøre dette på er å gjennomføre eksoterme forbrenningsreaksjoner inne i reaktoren, parallelt med dehydrogeneringsreaksjonene. På denne måten er det mulig å operere reaktorene termisk nøytralt. Det er kjent at ved å tilføre oksygen og forbrenne halvparten av hydrogenet som dannes ved dehydrogeneringen vil man oppnå den ønskede termiske nøytralitet.

Oppgaven går ut på å videreutvikle en eksisterende modell (utviklet av en tidligere diplomstudent ved instituttet) for ADH reaktoren.

Denne oppgaven er gitt i samarbeid med STATOIL.

Faglærer: Hallvard F. Svendsen

Veileder: Arne Grislingås

Vi ønsker å etablere en "verktøykasse" av reaktormodeller og tilhørende rutiner for beregning av fysikalske-, termodynamiske- og transportdata. Dette vil forenkle arbeidet med nye reaktormodeller og bruken av dem på nye systemer.

Verktøykassen vil bestå av små enkeltmoduler som gjør bestemte oppgaver, f. eks. beregner viskositet, dispersjonskoeffisienter, el.. Disse må være standardiserte i grensesnitt og struktur slik at de lett kan benyttes i nye sammenhenger. Vi vil starte med enkle allerede eksisterende reaktormodeller og hovedoppgaven vil ligge på å få til en mest mulig funksjonell dataflyt i programmet. Programspråk vil være Matlab og den som tar oppgaven bør ha interesse for data og datastrukturer.

Faglærer: Hallvard F. Svendsen

Veileder: Magne Lysberg, SINTEF Kjemi.