پایان نامه بررسی فعالیت و انتخاب‌پذیری کاتالیستهای اکسایشی- کاهشی (Redox) در فرآیند زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال

اختصاصی از یارا فایل پایان نامه بررسی فعالیت و انتخاب‌پذیری کاتالیستهای اکسایشی- کاهشی (Redox) در فرآیند زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : word(قابل ویرایش)

تعداد صفحات:114

فهرست مطالب:
عنوان                                                صفحه
چکیده                                                                                                                         1
پیش گفتار    3

فصل اول
  1-1- مقدمه    4
  1-2- زوج شدن اکسایشی متان    6
  1-3- مکانیزم واکنش    9
  1-4- کاتالیست‌های فرآیند زوج شدن اکسایشی متان    13
     1-4-1- فلزات قلیایی و قلیایی خاکی    15
     1-4-2- لانتانیدها و اکتنیدها    15
     1-4-3- فلزات واسطه    16
  1-5- راکتورهای فرآیند OCM    16
     1-5-1- راکتور بستر ثابت    17
     1-5-2- راکتور غشایی    19
     1-5-3- راکتور بستر سیال    20

فصل دوم: سیال سازی
  2-1- مقدمه    22
  2-2- پدیده سیالیت    22
  2-3- نمودار افت فشار در مقابل سرعت    25
  2-4- رفتار مایع مانند یک بستر سیال    28
  2-5- مزایا و معایب بسترهای سیال برای عملیات صنعتی    28
     2-5-1- مزایا    28
     2-5-2- معایب    29
  2-6- درهم آمیختن و بهم پیوستن ذرات در دمای بالا    30
  2-7- انواع سیالیت گازی بدون حمل ذرات    31
  2-8- طبقه بندی Geldart از ذرات    32

فصل سوم: زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال
  3-1- مقدمه    35
  3-2- تاثیر دما و ترکیب 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 رقیق کردن بستر کاتالیستی با جامد بی‌اثر روی عملکرد راکتور    46
  3-8- عوامل دیگر    47
     3-8-1- اثر ماکزیمم قطر حباب    47
     3-8-2- اثر دما در بخش بالایی بستر    47
     3-8-3- اثر توزیع خوراک اکسیژن و طراحی توزیع کننده ثانوی    48

فصل چهارم: فعالیتهای تجربی
بررسی واکنش زوج شدن اکسایشی متان روی کاتالیست Mn/Na2WO4/SiO2    50
  4-1- روش ساخت کاتالیست    50
  4-2- تعیین مشخصات کاتالیست    51
  4-3- بررسی خاصیت اکسایشی- کاهشی کاتالیست در حالت گذرا    51
  4-4- بررسی عملکرد کاتالیست    55
  4-5- بررسی کاتالیست از دید سیالیت    56
  4-6- سیستم تست عملکرد کاتالیست در فرآیند زوج شدن اکسایشی متان    57
     4ـ6ـ1ـ بخش خوراک دهی    57
     4-6-2- نوع راکتور آزمایشگاهی    59
  4-7- سیستم آنالیز    60
  4-8- کالیبراسیون سیستم آزمایشگاهی    61
     4-8-1- کالیبراسیون کنترل کننده‌ جریان جرمی (MFC) و روتامتر    62
     4ـ8ـ2ـ کالیبراسیون دستگاه GC    63
     4-8-3- ارائة نمونة محاسبات کالیبراسیون و نتایج حاصل از بررسی عملکرد    63
     4-8-4- محاسبات درصد تبدیل متان، انتخاب‌پذیری محصولات و موازنه کربن    64
     4-8-4-1- درصد تبدیل متان    64
     4-8-4-2- انتخاب‌پذیری محصولات    65
     4-8-4-3- موازنه کربن    66

فصل پنجم: نتایج و بحث
  5-1- نتایج تعیین مشخصات کاتالیست    68
  5-2- نتایج بررسی خاصیت اکسایشی- کاهشی کاتالیست    69
  5-3- نتایج تست عملکرد کاتالیست    77
     5-3-1- اثر دما    77
     5-3-2- اثر دبی خوراک    80
     5-3-3- اثر ترکیب خوراک    86

فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات    88

مراجع    91
پیوست‌ها    96
ضمیمه – الف    96
ضمیمه – ب    98


 
فهرست شکلها
عنوان شکل                                                                                                                        صفحه

شکل 1-1- شبکه واکنش هتروژن OCM بر اساس مدل پیشنهادی Mleczko و Stansch    12
شکل2-1-  انواع مختلف تماس یک پیمانه از ذرات به وسیله سیال    23
شکل 2-2- ΔP در مقابل uo برای شن تیز یک اندازه که رفتاری ایده‌آل را نشان می‌دهد    27
شکل2-3-:از سیالیت خارج شدن ذرات 20+16- مش مس    30
شکل 3-1- اثر دما روی تبدیل متان و اکسیژن در ترکیبهای مختلف خوراک    38
شکل 3-2- اثر دما روی انتخاب پذیری و بازده C2+ در ترکیبهای مختلف خوراک    39
شکل 3-3- تاثیر دما روی تبدیل متان و اکسیژن برای سرعتهای مختلف گاز    40
شکل 3-4-  اثردما روی انتخاب پذیری و بازده C2+ برای سرعتهای مختلف گاز    41
شکل 3-5-  اثر دما روی تبدیل متان و اکسیژن برای ارتفاع های مختلف بستر    42
شکل 3-6-  اثر دما روی انتخاب پذیری و بازده C2+ برای ارتفاع های مختلف بستر    43
شکل3-7-  اثر اندازه ذرات روی(a) دمای فاز متراکم (b) تبدیل متان (c) تبدیل اکسیژن
 (d) انتخاب پذیری C2+    44
شکل4-1- میکرو راکتور مورد استفاده برای انجام آزمایشات حالت ناپایا    52
شکل4-2- سیستم آزمایش حالت گذرا با تغییرات پله ای    52
شکل 4-3 :شمای ساده‌ایی از Set-up آزمایشگاهی نصب شده جهت تست عملکرد کاتالیستی
 فرآیند زوج شدن اکسایشی متان (OCM)    57
شکل 4-4- شمایی از راکتوربستر سیال تست عملکرد کاتالیست    60
شکل 4-5-  نمایش سیستم گازکروماتوگراف Carl 400 A مورد استفاده آزمایش    61
شکل 5-1- نتایج آنالیز XRD از نمونه کاتالیست Mn/Na2WO4/SiO2    68
شکل 5-2- تغییر پله‌ای در خوراک ورودی (شرایط عملیاتی: دبی خوراک 10% متان
و آرگون= 20 sccm، oC850=Bed Temperature، mcat=0.1 g)    69
شکل 5-3- تغییر پله‌ای در خوراک ورودی در دماهای مختلف برای شکست مولکولی 30 (اتان)
 (شرایط عملیاتی: دبی خوراک 10% متان و آرگون= 20 sccm،
oC850=Bed Temperature، mcat=0.1 g)    71
شکل 5-3- تغییر پله‌ای در خوراک ورودی در دماهای مختلف برای شکست مولکولی 30 (اتان)
 (شرایط عملیاتی: دبی خوراک 10% متان و آرگون= 20 sccm،
 oC850=Bed Temperature، mcat=0.1 g)    71
شکل 5-5- تغییرات درصدتبدیل متان با زمان در دمای 800 و oC850 بعد از تغییر پله‌ای
 در خوراک ورودی از آرگون به مخلوط 10% متان در آرگون    73
شکل 5-6- نمودار تغییرات درصد مولی محصولات در تغییر پله‌ای خوراک در دمای oC800
 (شرایط عملیاتی: فشار اتمسفری، 12 L/g cat. h)    74
شکل 5-7- نمودار تغییرات درصد مولی محصولات در تغییر پله‌ای خوراک در دمای oC850
(شرایط عملیاتی: فشار اتمسفری، 12 L/g cat. h)    74
شکل 5-8- تغییرات انتخاب‌پذیری محصولات با زمان در تغییر پله‌ای خوراک ورودی
 در دمای oC800 (شرایط عملیاتی: فشار اتمسفری، 12 L/m cat. h)    75
شکل 5-9- تغییرات انتخاب‌پذیری محصولات با زمان در تغییر پله‌ای خوراک ورودی در
 دمای oC850 (شرایط عملیاتی: فشار اتمسفری، 12 L/m cat. h)    76
شکل 5-10- اثر دمای بستر کاتالیستی بر درصد تبدیل متان در راکتور بستر ثابت و سیال
 (mcat=3.5 g, Feed Flow Rate= 478 sccm, CH4/Air=1)    78
شکل 5-11- اثر دمای بستر کاتالیستی بر گزینش‌پذیری محصولات C2+ در راکتور بستر
 ثابت و سیال (mcat=3.5 g, Feed Flow Rate= 478 sccm, CH4/Air=1)    79
شکل 5-12- اثر افزایش سرعت ورودی گاز روی درصد تبدیل متان در راکتور بستر سیال
 (mcat=2.0 g, Bed Temperature= 850oC, CH4/Air=1)    81
شکل 5-13- اثر افزایش سرعت ورودی گاز روی گزینش پذیری محصولات C2+ در راکتور بستر سیال
 (mcat=2.0 g, Bed Temperature= 850oC, CH4/Air=1)    81
شکل 5-14- اثر افزایش دبی خوراک روی گزینش پذیری محصولات در راکتور بستر سیال
 (mcat=2.0 g, Bed Temperature= 850oC, CH4/Air=1)    82
شکل 5-15- اثر افزایش سرعت ورودی گاز روی گزینش‌پذیری محصولات در راکتور بستر سیال
(mcat=3.5 g, Bed Temperature= 850oC, CH4/Air=1)    83
شکل 5-16- تغییرات درصد تبدیل متان با سرعت ورودی گاز. مقایسه بین عملکرد راکتور بستر
 ثابت و سیال در شرایط عملیاتی یکسان (mcat=3.5 g, Bed Temperature= 850oC, CH4/Air=1)    84
شکل 5-17- تغییرات گزینش پذیری C2+ با سرعت ورودی گاز. مقایسه بین عملکرد راکتور بستر
ثابت و سیال در شرایط عملیاتی یکسان (mcat=3.5 g, Bed Temperature= 850oC, CH4/Air=1)    85
شکل 5- 18- اثر تغییرات نسبت متان به هوا در خوراک ورودی روی درصدتبدیل متان.مقایسه
 بین عملکرد بستر سیال و بستر ثابت (mCat=3.5 g, Bed Temperature=850oC,
 Feed Flow Rate=478 sccm)    86
شکل 5- 19- اثر تغییرات نسبت متان به هوا در خوراک ورودی روی گزینش پذیری C2+.مقایسه
 بین عملکرد بستر سیال و بستر ثابت (mCat=3.5 g, Bed Temperature=850oC,
 Feed Flow Rate=478 sccm)    87
 
فهرست جداول
عنوان جدول                                                                                                                                           صفحه

جدول 3-1- اثر حضور اتان در خوراک ورودی به راکتور بستر سیال روی کاتالیست Li/MgO    45
جدول 4-1- مشخصات گازهای مورداستفاده در سیستم‌های آزمایشگاهیOCM    58


 
چکیده:
در این تحقیق فرآیند زوج شدن اکسایشی متان روی کاتالیستهای دارای خاصیت اکسایشی- کاهشی در راکتور بستر سیال بررسی شد. بدین منظور کاتالیست Mn-Na2WO4/SiO2 بعنوان یک کاتالیست دارای خاصیت اکسایشی- کاهشی انتخاب شد. بمنظور بررسی خاصیت فوق در این کاتالیست آزمایشهای حالت گذرا طراحی و انجام شد. سپس به بررسی شرایط مختلف واکنشی روی این کاتالیست در راکتور بستر سیال پرداختیم.
در آزمایشهای حالت گذرا خوراک متان بدون حضور اکسیژن در فاز گاز به صورت یک تغییر پله‌ای روی کاتالیست فرستاده شد و واکنش زوج شدن اکسایشی متان مورد برسی قرار گرفت. خروجی راکتور توسط دو سیستم GC و GC-MS مورد آنالیز قرار گرفت. اثر دماهای مختلف عملیاتی در میزان تولید محصولات زوج شدن نشان داد که کاتالیست مزبور دارای خاصیت اکسایشی- کاهشی است و با افزایش دمای بستر کاتالیستی میزان تحرک اکسیژن شبکه افزایش یافته و بدین ترتیب افزایش در تولید محصولات را شاهد خواهیم بود. اکسیداسیون مجدد بستر کاتالیستی با اکسیژن و تکرار آزمایشها و نتایج دلیل خوبی در تأیید خاصیت اکسایشی-کاهشی کاتالیست است.
در بخش دوم آزمایشهای حالت گذرا در دو دمای 800 و oC850  و با همان شرایط قبلی تکرار شد و درصد تبدیل متان، درصد مولی اجزاء و انتخاب‌پذیری محصولات مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که ابتدا میزان تبدیل متان بالا است و سپس با کاهش اکسیژن کاتالیست و همچنین کاهش سرعت در اختیار قرار دادن آن، میزان تبدیل متان کاهش قابل توجهی می‌یابد.
با توجه به نمودار اجزای مولی محصولات بر حسب زمان در زمانیکه میزان تبدیل بالا است عمده محصولات واکنش زوج شدن C2H6 , C2H4 است. به عبارت دیگر در دقایق اولیه انتخاب پذیری C2+ بالا است ولی با گذشت زمان انتخاب‌پذیری افت محسوس داشته و امکان تشکیل CO روی کاتالیست افزایش می‌یابد. تغییرات فوق در دمای oC850 بدلیل سهولت در اختیار قرار گیری اکسیژن کاتالیست شدیدتر است.
سپس تستهای بررسی عملکرد در راکتور بستر سیال و در شرایط مختلف عملیاتی مورد بررسی قرار گرفت. اثر دمای بستر کاتالیستی، سرعت ظاهری گاز ورودی (دبی حجمی خوراک) و میزان اکسیژن در خوراک ورودی روی بازده و انتخاب‌پذیری کاتالیست پارامترهایی عملیاتی مورد تحقیق بودند و در نهایت مقایسه بین عملکرد بستر ثابت و سیال در شرایط یکسان انجام شد. هنگام انجام فرآیند OCM در بستر سیال، دستیابی به شرایط همدما که اساساً بواسطه اختلاط معکوس فاز جامد می‌باشد، ممکن شد. بالاترین بازده C2+ بدست آمده در راکتور بستر سیال در حدود 9/21% (سرعت ورودی گاز= cm/s 3/4 (دبی حجمی خوراک= sccm478)، دمای بستر کاتالیستی= °C870، 1=Air/ CH4و وزن کاتالیست= g5/3) بود. انتخاب‌پذیری C2+ با افزایش دما هم برای بستر سیال و هم برای بستر ثابت افزایش می‌یابد ولی در گستره دمایی وسیعی از تغییرات دمایی تقریباً ثابت و همواره در بستر سیال بیشتر از بستر ثابت است.
افزایش سرعت ورودی گاز (دبی خوراک) ورودی از 1/2 تا cm/s 1/12 (240 تا sccm 1355) باعث کاهش درصدتبدیل و انتخاب‌پذیری C2+ به ترتیب از مقدار 1/27% به 1/6% و 9/67% به 5/61% می‌شود (1=Air/CH4 و دمای بستر کاتالیستی= °C850).
کاهش میزان اکسیژن موجود در خوراک باعث افزایش انتخاب‌پذیری C2+ از 3/55% به 6/71% و کاهش درصد تبدیل متان از 2/32% به 6/25% می‌شود.

کلمات کلیدی:
زوج شدن اکسایشی متان- راکتور بستر سیال - کاتالیست-اکسایشی کاهشی- حالت گذرا

پیش¬گفتار
متان جزء اصلی گاز طبیعی است که امروزه بعنوان سوختی پاک و نسبتاً ارزان بکار می‌رود. حجم عظیم گاز طبیعی در جهان که حدود 17% آن در کشور ایران است و همچنین مزایای اقتصادی بسیار بالای تبدیل متان به دیگر سوختها و یا مواد شیمیایی با ارزش‌تر، سبب گردیده تحقیقات گسترده‌تری نسبت به گذشته در طی دو دهه اخیر بر روی روشهای تبدیل متان به سوختهای هیدروکربنی مایع، اتیلن، دی متیل اتر، متانول و ... متمرکز گردد. همچنین به دلیل غیر اقتصادی بودن انتقال گاز طبیعی به مراکز مصرف دور دست، تبدیل متان به مواد واسطه پتروشیمیایی و هیدروکربنهای مایع که به فرآیندهای OCM و GTL موسوم است، از دیر باز از اهمیت بسزایی برخوردار بوده است. گاز طبیعی، در آغاز هزاره سوم، دومین منبع انرژی ارزان موجود در جهان بوده و فراروانی و در دسترس بودن نسبی این گاز دلائل متقاعد کننده‌ای برای گسترش تحقیقات پیرامون این منبع می‌باشد. از طرفی نیاز جهانی به متانول و اتیلن بعنوان دو محصول عمده مطلوب ناشی از تبدیل گاز طبیعی، روزبه روز در حال افزایش بوده و امکان تولید اتیلن از متان، توجه مراکز تحقیقاتی دانشگاهی و صنعتی متعددی را جلب نموده است.
فرآیند تبدیل مستقیم متان به سایر مواد شیمیایی، به فرآیند زوج شدن اکسایشی متان (Oxidative Coupling of Methane) موسوم است که در آن متان با اکسیژن به اتان و اتیلن تبدیل می‌گردد که اتان هم به نوبه خود به اتیلن تبدیل می‌شود. محصولات ناخواسته اکسید‌های کربن هم طی این فرآیند تولید می‌شوند.
این فرآیند از سال 1980 مورد توجه قرار گرفت و کاتالیست‌های فراوانی جهت افزایش بازدهی این واکنش به کار گرفته شد. اما علاوه بر نوع کاتالیست، نوع راکتور و نحوه خوراک‌دهی تأثیر زیادی روی بازده و عملکرد این فرآیند دارد که در فصل اول این پایان نامه به طور مختصر روی انواع کاتالیستهای مورد استفاده و همچنین راکتورهای بکار گرفته شده بحث خواهیم کرد.
اما از عمده‌ترین موانع در توسعه فرآیند زوج شدن اکسایشی متان تولید دمای بالا در حین واکنش و بالتبع کاهش انتخاب‌پذیری نسبت به محصولات مطلوب است. بنابراین، محققین تلاش کردند تا با بکارگیری مهندسی واکنشها و طراحی راکتورهای مناسب جهت رفع این مشکل برآیند. یکی از این پیشنهادها بکار‌گیری راکتور‌های بستر سیال بود که در فصل دوم به مبانی مهندسی سیال سازی و در فصل سوم به تاریخچه علمی استفاده از این راکتور در فرآیند OCM پرداخته شده است.
فصل چهارم به توضیح روشهای انجام آزمایش‌ها اختصاص یافت. به دلیل اهمیت خاصیت اکسایشی- کاهشی کاتالیست در بهبود انتخاب‌پذیری محصولات اتان و اتیلن در این فرآیند، کاتالیست مورد استفاده در این تحقیق از میان کاتالیستهایی که دارای بالاترین بازده بوده و دارای خاصیت اکسایشی- کاهشی باشد انتخاب شد. به این ترتیب کاتالیست مورد نظر Mn-Na2WO4/SiO2 انتخاب شد که در فصل پنجم در ابتدا نتایج حاصل از بررسی خاصیت اکسایشی- کاهشی این کاتالیست آورده شده است و سپس به بررسی عملکرد واکنش زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال روی کاتالیست مزبور پرداخته شده است. نقش پارامترهای مهم عملیاتی مثل دمای بستر کاتالیستی، سرعت ورودی گاز (دبی حجمی خوراک) و غلظت اکسیژن در خوراک ورودی در راکتور بستر سیال مورد بررسی قرار گرفت و با کارهای قبلی مقایسه شد.
در فصل ششم، نتایج حاصل جمع‌بندی می‌شود و در نهایت پیشنهادهایی برای ادامه تحقیقات ارائه می‌شود.
در پایان فهرست منابع مورد استفاده آورده شده است و بدنبال آن پیوست‌ها شامل مثال‌های روش‌های محاسباتی استفاده شده و جزئیات محاسبات مربوط به ساخت گاز نرمال و کالیبره کردن دستگاه کروماتوگراف گازی آورده شده است.
.