Kinetic Study on Methanol Dehydration to Dimethyl Ether Applying Clinoptilolite Zeolite as the Reaction Catalyst

Maryam Kasaie¹ and Morteza Sohrabi ^2*

¹ Chemical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Hafez Avenue, Tehran 15914, Iran.

² Chemical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Hafez Avenue, Tehran 15914, Iran and Iran Academy of Sciences, Darband Street, Tehran 19717, Iran, Tel. (+98)21 64543155, Fax. (+98)2166405847. ^*Responsible author: sohrabi@aut.ac.ir.

Received June 7, 2009 ]]> Accepted January 25, 2010

Abstract

Dehydration of methanol to dimethyl ether (DME), using clinoptilolite–zeolite as the reaction catalyst, within the temperature range of 300–350 °C has been studied in a continuous fluidized bed reactor. The reactor was a cylindrical tube, 26 mm internal diameter and 0.5 m high, placed vertically in a furnace. The effects of some pertinent operating parameters, such as temperature, superficial gas velocity, catalyst's particle size, and methanol partial pressure, on the extent of dehydration reaction have been investigated. Two hydro–dynamic models presented for bubbling fluidized bed reactors, i.e., Kunii – Levenspiel (K–L) as an example of three phase models and El–Halwagi – El–Rifai (H–R) as an example of compartment models were applied to correlate the experimental data. It was determined that the mean absolute deviation between the experimental data and those predicted from K–L model was lower than that observed in the case of H–R model (19% and 70%, respectively). Among the operating parameters, partial pressure of methanol was found to have the highest impact on the process yield.

Key words: Methanol, Dimethyl ether; Clinoptilolite, Bubbling fluidized bed reactor, Kinetic model.

Resumen

Se describe un studio de la deshidratación de metanol que conduce a la formación del éter dimetílico (EDM) mediante catálisis con clinoptilolita–zeolita, dentro del intervalo de temperatura de 300350 °C, en un reactor de cama fluidizada. Este último consistió en un tubo cilíndrico, de 26 cm de diámetro interno y 50 cm de alto, que fue colocado verticalmente en un horno. También se investigaron los efectos de algunos parámetros, tales como la temperatura, la velocidad del gas superficial, el tamaño de partícula del catalizador y la presión parcial del metanol, sobre el avance de la reacción de deshidratación. Se aplicaron dos modelos hidrodinámicos sobre el burbujeo en el reactor de cama fluidizada, con el fin de correlacionar los datos experimentales: (a) el modelo de Kunii – Levenspiel (K–L), como ejemplo de modelos de tres fases; y (b) el modelo de El–Halwagi – El–Rifai (H–R), como un ejemplo de modelo de compartimento. Se determinó que la desviación absoluta media entre los datos experimentales y aquellos predichos por el modelo K–L fue más baja que aquella observada mediante el modelo H–R (19% y 70%, respectivamente). Se encontró que, entre los parámetros de operación, la presión parcial del metanol tuvo el mayor impacto sobre la eficiencia del proceso.

Palabras clave: Metanol, éter dimetílico, clinoptilolita, reactor cama fluidizada por burbujeo, modelo cinético.

References

1. Ogawa, T.; Inoue, I.; Shikada, T.; Ohno, Y. J. Natural Gas Chem. 2003, 12, 219–227.         [ Links ]

2. Yaripour, F.; Baghaei, F.; Schmidt, I.; Perregaard, J. J Catal. Commun. 2005, 6, 147–152.         [ Links ]

3. Sea, B.; Lee, K–Ho. Desalination 2006, 200, 689–691.         [ Links ]

4. Fu, Y.; Hong, T.; Chen, J.; Auroux, A.; Shen, J. Thermochimica Acta 2005, 434, 22–26.         [ Links ]

5. Royaee, S. J.; Falamaki, C.; Sohrabi, M.; Talesh, S. S. A. App. Catal. A: General 2008, 338 , 114–120.         [ Links ]

6. Royaee, S. J.; Sohrabi, M.; Falamaki, C. Mater. Sci. Poland 2007, 25, 1149–1160.         [ Links ]

7. Bercic, G.; Levec, J. Ind. Eng. Chem. Res. 1992, 31, 1035–1040.         [ Links ]

8. Bercic, G.; Levec, J. Ind. Eng. Chem. Res. 1993, 32, 2478–2484.         [ Links ]

9. Gates, B. C.; Johnson, L. N. AIChE J. 1971, 17, 98–100.         [ Links ]

10. Blaszkowski, S. R.; van Santen, R.A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 2292–2305.         [ Links ]

11. Bandiera, J.; Naccache, C. Appl. Catal. 1991, 69, 139–148.         [ Links ]

12. Kunii, D.; Levenspiel, O., Fluidization Engineering, 2^nd Edition. Butterworth, Boston, 1991.         [ Links ]

13. Levenspiel, O. Powder Technology 2002, 122, 1–9.         [ Links ]

14. El–Halwagi, M. M.; El–Rifai, M. A. Chem. Eng. Sci. 1988, 43, 2477–2486.         [ Links ]