عنوان تحقیق: بررسي فعاليت و انتخاب‌پذيري کاتاليستهاي اکسايشي- کاهشي (Redox) در فرآيند زوج شدن اکسايشي متان در راکتور بستر سيال

فرمت فایل: word

تعداد صفحات: 112

شرح مختصر:

در اين تحقيق فرآيند زوج شدن اکسايشي متان روي کاتاليستهاي داراي خاصيت اکسايشي- کاهشي در راکتور بستر سيال بررسي شد. بدين منظور کاتاليست Mn-Na₂WO₄/SiO₂ بعنوان يک کاتاليست داراي خاصيت اکسايشي- کاهشي انتخاب شد. بمنظور بررسي خاصيت فوق در اين کاتاليست آزمايشهاي حالت گذرا طراحي و انجام شد. سپس به بررسي شرايط مختلف واکنشي روي اين کاتاليست در راکتور بستر سيال پرداختيم.

در آزمايشهاي حالت گذرا خوراک متان بدون حضور اکسيژن در فاز گاز به صورت يک تغيير پله‌اي روي کاتاليست فرستاده شد و واکنش زوج شدن اکسايشي متان مورد برسي قرار گرفت. خروجي راکتور توسط دو سيستم GC و GC-MS مورد آناليز قرار گرفت. اثر دماهاي مختلف عملياتي در ميزان توليد محصولات زوج شدن نشان داد که کاتاليست مزبور داراي خاصيت اکسايشي- کاهشي است و با افزايش دماي بستر کاتاليستي ميزان تحرک اکسيژن شبکه افزايش يافته و بدين ترتيب افزايش در توليد محصولات را شاهد خواهيم بود. اکسيداسيون مجدد بستر کاتاليستي با اکسيژن و تکرار آزمايشها و نتايج دليل خوبي در تأييد خاصيت اکسايشي-کاهشي کاتاليست است.

در بخش دوم آزمايشهاي حالت گذرا در دو دماي 800 و ^oC850 و با همان شرايط قبلي تکرار شد و درصد تبديل متان، درصد مولي اجزاء و انتخاب‌پذيري محصولات مورد بررسي قرار گرفت. مشاهده شد که ابتدا ميزان تبديل متان بالا است و سپس با کاهش اکسيژن کاتاليست و همچنين کاهش سرعت در اختيار قرار دادن آن، ميزان تبديل متان کاهش قابل توجهي مي‌يابد.

با توجه به نمودار اجزاي مولي محصولات بر حسب زمان در زمانيکه ميزان تبديل بالا است عمده محصولات واکنش زوج شدن C₂H₆ , C₂H₄ است. به عبارت ديگر در دقايق اوليه انتخاب پذيري C₂₊ بالا است ولي با گذشت زمان انتخاب‌پذيري افت محسوس داشته و امکان تشکيل CO روي کاتاليست افزايش مي‌يابد. تغييرات فوق در دماي ^oC850 بدليل سهولت در اختيار قرار گيري اکسيژن کاتاليست شديدتر است.

سپس تستهاي بررسي عملکرد در راکتور بستر سيال و در شرايط مختلف عملياتي مورد بررسي قرار گرفت. اثر دماي بستر کاتاليستي، سرعت ظاهري گاز ورودي (دبي حجمي خوراک) و ميزان اکسيژن در خوراک ورودي روي بازده و انتخاب‌پذيري کاتاليست پارامترهايي عملياتي مورد تحقيق بودند و در نهايت مقايسه بين عملکرد بستر ثابت و سيال در شرايط يکسان انجام شد. هنگام انجام فرآيند OCM در بستر سيال، دستيابي به شرايط همدما که اساساً بواسطه اختلاط معکوس فاز جامد مي‌باشد، ممکن شد. بالاترين بازده C₂₊ بدست آمده در راکتور بستر سيال در حدود 9/21% (سرعت ورودي گاز= cm/s 3/4 (دبي حجمي خوراک= sccm478)، دماي بستر کاتاليستي= °C870، 1=Air/ CH₄و وزن کاتاليست= g5/3) بود. انتخاب‌پذيري C₂₊ با افزايش دما هم براي بستر سيال و هم براي بستر ثابت افزايش مي‌يابد ولي در گستره دمايي وسيعي از تغييرات دمايي تقريباً ثابت و همواره در بستر سيال بيشتر از بستر ثابت است.

افزايش سرعت ورودي گاز (دبي خوراک) ورودي از 1/2 تا cm/s 1/12 (240 تا sccm 1355) باعث کاهش درصدتبديل و انتخاب‌پذيري C₂₊ به ترتيب از مقدار 1/27% به 1/6% و 9/67% به 5/61% مي‌شود (1=Air/CH₄ و دماي بستر کاتاليستي= °C850).

کاهش ميزان اکسيژن موجود در خوراک باعث افزايش انتخاب‌پذيري C₂₊ از 3/55% به 6/71% و کاهش درصد تبديل متان از 2/32% به 6/25% مي‌شود.

 کلمات کليدي:

زوج شدن اکسايشي متان- راکتور بستر سيال - کاتاليست-اکسايشي کاهشي- حالت گذرا

فهرست مطالب

چکیده 1

پيش گفتار3

 فصل اول

1-1- مقدمه 4

1-2- زوج شدن اکسايشي متان 6

1-3- مکانيزم واکنش 9

1-4- کاتاليست‌هاي فرآيند زوج شدن اکسايشي متان 13

1-4-1- فلزات قليايي و قليايي خاکي 15

1-4-2- لانتانيدها و اکتنيدها 15

1-4-3- فلزات واسطه 16

1-5- راکتورهاي فرآيند OCM 16

1-5-1- راکتور بستر ثابت 17

1-5-2- راکتور غشايي 19

1-5-3- راکتور بستر سيال 20

 فصل دوم: سيال سازي

2-1- مقدمه 22

2-2- پديده سياليت 22

2-3- نمودار افت فشار در مقابل سرعت 25

2-4- رفتار مايع مانند يك بستر سيال 28

2-5- مزايا و معايب بسترهاي سيال براي عمليات صنعتي 28

2-5-1- مزايا 28

2-5-2- معايب 29

2-6- درهم آميختن و بهم پيوستن ذرات در دماي بالا 30

2-7- انواع سياليت گازي بدون حمل ذرات 31

2-8- طبقه بندي Geldart از ذرات 32

 

فصل سوم: زوج شدن اکسايشي متان در راکتور بستر سيال

3-1- مقدمه 35

3-2- تاثير دما و ترکيب خوراک گاز 36

3-3- اثر سرعت گاز 39

3-4- اثر ارتفاع بستر 41

3-5- اثر اندازه ذرات 44

3-6- اثر حضور اتان در خوراک 45

3-7- اثر رقيق کردن بستر کاتاليستي با جامد بي‌اثر روي عملکرد راکتور 46

3-8- عوامل ديگر 47

3-8-1- اثر ماکزيمم قطر حباب 47

3-8-2- اثر دما در بخش بالايي بستر 47

3-8-3- اثر توزيع خوراک اکسيژن و طراحي توزيع کننده ثانوي 48

 فصل چهارم: فعاليتهاي تجربي

بررسي واکنش زوج شدن اکسايشي متان روي کاتاليست Mn/Na₂WO₄/SiO₂ 50

4-1- روش ساخت کاتاليست 50

4-2- تعيين مشخصات کاتاليست 51

4-3- بررسي خاصيت اکسايشي- کاهشي کاتاليست در حالت گذرا 51

4-4- بررسي عملکرد کاتاليست 55

4-5- بررسي کاتاليست از ديد سياليت 56

4-6- سيستم تست عملکرد کاتاليست در فرآيند زوج شدن اکسايشي متان 57

4ـ6ـ1ـ بخش خوراك دهي 57

4-6-2- نوع راكتور آزمايشگاهي 59

4-7- سيستم آناليز 60

4-8- كاليبراسيون سيستم آزمايشگاهي 61

4-8-1- كاليبراسيون كنترل كننده‌ جريان جرمي (MFC) و روتامتر 62

4ـ8ـ2ـ كاليبراسيون دستگاه GC 63

4-8-3- ارائة نمونة محاسبات كاليبراسيون و نتايج حاصل از بررسي عملكرد 63

4-8-4- محاسبات درصد تبديل متان، انتخاب‌پذيري محصولات و موازنه کربن 64

4-8-4-1- درصد تبديل متان 64

4-8-4-2- انتخاب‌پذيري محصولات 65

4-8-4-3- موازنه کربن 66

 فصل پنجم: نتايج و بحث

5-1- نتايج تعيين مشخصات کاتاليست 68

5-2- نتايج بررسي خاصيت اکسايشي- کاهشي کاتاليست 69

5-3- نتايج تست عملکرد کاتاليست 77

5-3-1- اثر دما 77

5-3-2- اثر دبي خوراک 80

5-3-3- اثر ترکيب خوراک 86

 فصل ششم: نتيجه‌گيري و پيشنهادات 88

 مراجع 91

پيوست‌ها 96

ضميمه – الف 96

ضميمه – ب98

فهرست شکلها

عنوان شکل صفحه

 شکل 1-1- شبکه واکنش هتروژن OCM بر اساس مدل پيشنهادي Mleczko و Stansch 12

شکل2-1- انواع مختلف تماس يک پيمانه از ذرات به وسيله سيال 23

شکل 2-2- ΔP در مقابل u_o براي شن تيز يک اندازه که رفتاري ايده‌آل را نشان مي‌دهد 27

شکل2-3-:از سياليت خارج شدن ذرات 20+16- مش مس 30

شکل 3-1- اثر دما روي تبديل متان و اکسيژن در ترکيبهاي مختلف خوراک 38

شکل 3-2- اثر دما روي انتخاب پذيري و بازده C₂₊ در ترکيبهاي مختلف خوراک 39

شکل 3-3- تاثير دما روي تبديل متان و اکسيژن براي سرعتهاي مختلف گاز 40

شکل 3-4- اثردما روي انتخاب پذيري و بازده C₂₊ براي سرعتهاي مختلف گاز 41

شکل 3-5- اثر دما روي تبديل متان و اکسيژن براي ارتفاع هاي مختلف بستر 42

شکل 3-6- اثر دما روي انتخاب پذيري و بازده C₂₊ براي ارتفاع هاي مختلف بستر 43

شکل3-7- اثر اندازه ذرات روي(a) دماي فاز متراکم (b) تبديل متان (c) تبديل اکسيژن

(d) انتخاب پذيري C₂₊ 44

شکل4-1- ميکرو راکتور مورد استفاده براي انجام آزمايشات حالت ناپايا 52

شکل4-2- سيستم آزمايش حالت گذرا با تغييرات پله اي 52

شكل 4-3 :شماي ساده‌ايي از Set-up آزمايشگاهي نصب شده جهت تست عملکرد کاتاليستي

فرآيند زوج شدن اکسايشي متان (OCM) 57

شکل 4-4- شمايي از راکتوربستر سيال تست عملکرد کاتاليست 60

شکل 4-5- نمايش سيستم گازکروماتوگراف Carl 400 A مورد استفاده آزمايش 61

شکل 5-1- نتايج آناليز XRD از نمونه کاتاليست Mn/Na₂WO₄/SiO₂ 68

شکل 5-2- تغيير پله‌اي در خوراک ورودي (شرايط عملياتي: دبي خوراک 10% متان

و آرگون= 20 sccm، ^oC850=Bed Temperature، m_cat=0.1 g) 69

شکل 5-3- تغيير پله‌اي در خوراک ورودي در دماهاي مختلف براي شکست مولکولي 30 (اتان)

(شرايط عملياتي: دبي خوراک 10% متان و آرگون= 20 sccm،

^oC850=Bed Temperature، m_cat=0.1 g) 71

شکل 5-3- تغيير پله‌اي در خوراک ورودي در دماهاي مختلف براي شکست مولکولي 30 (اتان)

(شرايط عملياتي: دبي خوراک 10% متان و آرگون= 20 sccm،

^oC850=Bed Temperature، m_cat=0.1 g) 71

شکل 5-5- تغييرات درصدتبديل متان با زمان در دماي 800 و ^oC850 بعد از تغيير پله‌اي

در خوراک ورودي از آرگون به مخلوط 10% متان در آرگون 73

شکل 5-6- نمودار تغييرات درصد مولي محصولات در تغيير پله‌اي خوراک در دماي ^oC800

(شرايط عملياتي: فشار اتمسفري، 12 L/g cat. h) 74

شکل 5-7- نمودار تغييرات درصد مولي محصولات در تغيير پله‌اي خوراک در دماي ^oC850

(شرايط عملياتي: فشار اتمسفري، 12 L/g cat. h) 74

شکل 5-8- تغييرات انتخاب‌پذيري محصولات با زمان در تغيير پله‌اي خوراک ورودي

در دماي ^oC800 (شرايط عملياتي: فشار اتمسفري، 12 L/m cat. h) 75

شکل 5-9- تغييرات انتخاب‌پذيري محصولات با زمان در تغيير پله‌اي خوراک ورودي در

دماي ^oC850 (شرايط عملياتي: فشار اتمسفري، 12 L/m cat. h) 76

شکل 5-10- اثر دماي بستر کاتاليستي بر درصد تبديل متان در راکتور بستر ثابت و سيال

(m_cat=3.5 g, Feed Flow Rate= 478 sccm, CH₄/Air=1) 78

شکل 5-11- اثر دماي بستر کاتاليستي بر گزينش‌پذيري محصولات C₂₊ در راکتور بستر

ثابت و سيال (mcat=3.5 g, Feed Flow Rate= 478 sccm, CH4/Air=1) 79

شکل 5-12- اثر افزايش سرعت ورودي گاز روي درصد تبديل متان در راکتور بستر سيال

(mcat=2.0 g, Bed Temperature= 850^oC, CH4/Air=1) 81

شکل 5-13- اثر افزايش سرعت ورودي گاز روي گزينش پذيري محصولات C₂₊ در راکتور بستر سيال

(m_cat=2.0 g, Bed Temperature= 850^oC, CH₄/Air=1) 81

شکل 5-14- اثر افزايش دبي خوراک روي گزينش پذيري محصولات در راکتور بستر سيال

(m_cat=2.0 g, Bed Temperature= 850^oC, CH₄/Air=1) 82

شکل 5-15- اثر افزايش سرعت ورودي گاز روي گزينش‌پذيري محصولات در راکتور بستر سيال

(m_cat=3.5 g, Bed Temperature= 850^oC, CH₄/Air=1) 83

شکل 5-16- تغييرات درصد تبديل متان با سرعت ورودي گاز. مقايسه بين عملکرد راکتور بستر

ثابت و سيال در شرايط عملياتي يکسان (m_cat=3.5 g, Bed Temperature= 850^oC, CH₄/Air=1) 84

شکل 5-17- تغييرات گزينش پذيري C₂₊ با سرعت ورودي گاز. مقايسه بين عملکرد راکتور بستر

ثابت و سيال در شرايط عملياتي يکسان (m_cat=3.5 g, Bed Temperature= 850^oC, CH₄/Air=1) 85

شکل 5- 18- اثر تغييرات نسبت متان به هوا در خوراک ورودي روي درصدتبديل متان.مقايسه

بين عملکرد بستر سيال و بستر ثابت (m_Cat=3.5 g, Bed Temperature=850^oC,

Feed Flow Rate=478 sccm) 86

شکل 5- 19- اثر تغييرات نسبت متان به هوا در خوراک ورودي روي گزينش پذيري C₂₊.مقايسه

بين عملکرد بستر سيال و بستر ثابت (m_Cat=3.5 g, Bed Temperature=850^oC,

Feed Flow Rate=478 sccm) 87

فهرست جداول

عنوان جدولصفحه

 جدول 3-1- اثر حضور اتان در خوراک ورودي به راکتور بستر سيال روي کاتاليست Li/MgO45

جدول 4-1- مشخصات گازهاي مورداستفاده در سيستم‌هاي آزمايشگاهيOCM 58