پ۲۵۵۳۱
per
استفاده از مواد الگوساز مختلف برای سنتز کاتالیست های ZSM-5 نانوساختار و ارزیابی آن ها در فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن
ندا کلانتری
مهندسی شیمی ونفت
۱۴۰۰
۱۵۶ص.
سی دی
دکتری
مهندسی شیمی
۱۴۰۰/۰۶/۳۰
چکیده: پروپیلن یکی از محصولات کلیدی پتروشیمی است که به عنوان خوراک برای تولید پلیمرهای مختلف و محصولات میانی به کار می‌رود. با توجه به نیاز روزافزون به این ماده و بازده پایین روش¬های تولید معمول نیاز به تکنولوژی های جدید امری ضروری است. از میان فرآیندهای نوین برای تولید پروپیلن، فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن، مناسب¬تر به نظر می¬رسد. فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن بر روی کاتالیست¬های زئولیتی انجام می¬شود که بهبود و ارتقا این کاتالیست¬ها نقش مهمی در افزایش کارایی آنها دارد. در پروژه پژوهشی حاضر دو استراتژی مهم ایجاد ساختارهای سلسله مراتبی و دستیابی به اسیدیته مناسب برای بهبود خواص کاتالیستی در نظر گرفته شد. به این منظور در بخش اول کاتالیست¬های زئولیتی نانوساختار با استفاده از ماده الگوساز TPABr و مزوپوروژن¬های CTAB و F127 به روش هیدروترمال سنتز و مشخصه¬یابی شدند. ترکیب مواد الگوساز¬ در کاتالیست¬های زئولیتی و عملکرد آنها در واکنش تبدیل متانول به پروپیلن با استفاده از روش¬ رویه پاسخ ، طراحی، مدل¬سازی و بهینه¬سازی شدند. همچنین اثر ترکیب مواد الگوساز و نقش آن¬ها بر ساختار، مورفولوژی، خواص بافتی و فیزیکی و اسیدیته ذرات تشکیل شده مورد بحث و بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از این بخش نشان داد ترکیب مواد الگوساز¬ها در مرکز بازه¬های در نظر گرفته شده برای هر یک از مواد الگوساز، سبب ایجاد بهترین عملکرد در فرآیند گردید. این امر به دلیل خواص ساختاری و فیزیکی و همچنین اسیدیته مناسب کاتالیست¬ها حاصل گردید. بیشترین میزان انتخاب¬پذیری پروپیلن (8/58 %) برای کاتالیست بهینه حاصل از روش رویه پاسخ به دست آمد. در بخش دوم، کاتالیست¬های سنتز شده با ترکیب مواد الگوساز مختلف و در شرایط عملیاتی مختلف، شامل دما و سرعت فضایی، ارزیابی شدند. مدلسازی و بهینه سازی ترکیب مواد الگوساز و شرایط عملیاتی با استفاده از هیبرید شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک انجام شد. در این سیستم، دو پاسخ درصد تبدیل متانول و انتخاب¬پذیری پروپیلن در نظر گرفته شدند. از میان متغیرهای ورودی، دما اثر متفاوتی بر دو پاسخ سیستم داشت. کاتالیست بهینه در شرایط عملیاتی بهینه شده (دمای ºC 419 و سرعت فضایی وزنی h-1 1) توسط هیبرید شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک عملکرد مناسبی در فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن داشت به طوریکه میزان انتخاب-پذیری پروپیلن و درصد تبدیل متانول به ترتیب 67 % و 94 % به دست آمد. در بخش سوم اثر اضافه شدن فلز کروم و شبه فلز بور به دو روش تلقیح و سنتز هیدروترمال بر ویژگی¬های ساختاری و کاتالیستی زئولیت¬های حاصل و همچنین بر عملکرد آنها در فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفتند. نتایج این بخش نشان داد که معرفی فلزات به روش تلقیح سبب حفظ بیشتر جهت¬گیری ترجیحی کریستال¬ها و ساختار سلسله مراتبی آن¬ها نسبت به نمونه پایه شد. علاوه بر آن، اسیدیته کاتالیست¬ها و ویژگیهای سطحی زئولیت¬های سنتز شده به شدت تحت تاثیر هترواتم¬های بور و کروم و نحوه معرفی آن¬ها به ساختار زئولیت قرار گرفت. بهترین عملکرد در فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن متعلق به زئولیت¬های تلقیح شده با کروم و بور بود. بالاترین میزان انتخاب¬پذیری پروپیلن (39/66 %) برای کاتالیست تلقیح شده با شبه فلز بور به دست آمد. خواص و ساختار کاتالیست¬های سنتز شده در این پژوهش با استفاده از تکنیک¬های شناسایی مختلف مانند پراش اشعه ایکس، روش-های میکروسکوپ الکترونی، آنالیز طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس و نقطه¬نگاری، آنالیز طیف¬سنجی مادون قرمز، آنالیز جذب/ دفع نیتروژن، آنالیز دفع آمونیاک برنامه¬ریزی شده با دما، آنالیز طیف سنجی پلاسمای جفت شده القایی، آنالیز طیف¬سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس و آنالیز وزن سنجی حرارتی ارزیابی شدند.
Hierarchical zeolite catalysts with a combination of microporous and mesoporous properties have a significant effect on improvingcatalytic processes. We herein report the synthesis of hierarchical ZSM-5 catalysts using hydrothermal method with various combinationsof multiple-templates, including TPABr, CTAB, and F127. By applying Response surface methodology for design and optimization oftemplate composition in methanol to propylene process, we obtained a quadratic model with statistically significant accuracy. Using thismodel, we could also predict the propylene selectivity of the synthesized zeolites by altering the template composition. Furthercharacterization of the synthesized zeolites by powder X-ray diffraction, scanning electron microscopy, Transmission ElectronMicroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, NH3-TPD and N2 physisorption analysis confirmed that the template compositionis a critical parameter with huge effect on crystal structure and morphology, strong and weak acid sites, surface area, and volume ofmesopores. Different compositions affected orientation of zeolite crystals and diffraction peaks in the XRD patterns. Simultaneouspresence of both mesoporogens in the catalyst structure was necessary to achieve the highest efficiency. Comparing experimental data andmodeling results, we found that the combination of templates near the central point had a better performance in MTP process. The highestselectivity to propylene (58.8) was obtained from the optimal catalyst and the highest stability was acquired from the catalyst with centralpoint composition. Improved catalytic performance can be attributed to the hierarchical structure, high mesopore volume, and appropriateacidity
Utilization of different templates for synthesis of ZSM-5 nanostructure catalysts and subsequent application in methanol to propylene conversion process
کلانتری،
ندا
تهيه کننده
نیائی،
فرضی،
سالاری،
چایلاک دلیباش،
علیقلی
علی
داریوش
ناگیهان
استاد راهنما
استاد راهنما
استاد مشاور
استاد مشاور
تبریز
