بخشی از مقاله
خلاصه
آبگیری از متانول، روشی جذاب برای تولید الفین های سبک - اتیلن و پروپیلن - می باشد. در این مقاله، کاتالیست زئولیتی H-ZSM-5 به روش هیدروترمال سنتز گردیده و برای واکنش تبدیل متانول به الفین ها مورد ارزیابی قرار گرفته است. واکنش در یک راکتور بستر ثابت و در دمای 480 œC، فشار 1 atmو دبی جرمی خوراک 0,12 g/min انجام شد. انتخاب پذیری پروپیلن %49 و میزان تبدیل متانول %100 حاصل شد.
براساس نتایج تجربی و با در نظر گرفتن مکانیسم مناسب واکنش، فرآیند تبدیل متانول به الفین با استفاده از نرم افزار Aspen Plus شبیه سازی شده است. نتایج شبیه سازی فرآیند با نتایج تجربی واکنش تبدیل متانول به الفین ها مطابقت قابل قبولی نشان دادند. از اینرو، اثر شرایط عملیاتی فرآیند بر انتخاب پذیری محصولات مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که دماهای بالا - 500 œC - ، فشار راکتور بالا - 1bar< - و دبی زیاد خوراک - 1 g/min < - انتخاب پذیری پروپیلن را کاهش می دهد.
-1مقدمه
الفین های سبک - اتیلن و پروپیلن - از محصولات استراتژیک صنعت پتروشیمی هستند. کراکینگ با بخار و کراکینگ کاتالیستی بسترسیال فرآیند هایی هستند که امروزه منابع اصلی تولید الفین های سبک می باشند .[1] این تکنیک ها به طور قابل ملاحظه ای وابسته به سوختها و منابع فسیلی به عنوان مواد اولیه - نفتا، سوخت های دیزلی سبک - هستند. در میان تکنیک های جایگزین، تولید الفین های سبک از فرآیند تبدیل متانول به الفین - MTO - مورد توجه بیشتری است. از مزیت های فرآیند MTOوابسته نبودن آن به نفت است که می تواند مشکل کمبود نفت در آینده را پوشش دهد.
در واقع گاز طبیعی، گاز سنتز یا بایو دیزل منابع غیر نفتی متانول هستند. نوع کاتالیست و شرایط عملیاتی واکنش، نقش بسیار زیادی در توزیع محصولات واکنش تبدیل متانول به الفین دارد .[2] کاتالیست های غربال مولکولی از مهمترین کاتالیست های مورد استفاده در این فرآیند می باشند. زئولیت ها و شبه زئولیت ها، مشهورترین و پرمصرف ترین غربال های مولکولی میکرومتخلخل هستند.[3]
این مواد دارای حفرات، کانال ها و فضاهای خالی با ابعاد مولکولی می باشند و این ویژگی سبب استفاده از آنها در کاربردهای صنعتی شده است. اگر چه مفهوم این فرآیند مدت طولانی است که مطرح شده ولی هنوز سنیتیک آن تحت بررسی می باشد.[4] برای شبیه سازی دقیق این فرآیند، سنیتیک واکنش ها نیاز است و با توجه به پیچیدگی واکنش های فرآیند تبدیل متانول به الفین، تعیین این سنیتیک ها از طریق تجربی مشکل خواهد بود.[5]
تحقیقات گسترده ای برای تعیین مکانیسم واکنش ها و فعالیت انواع کاتالیست ها جهت بهره برداری در طراحی واحدهای مقیاس صنعتی MTO صورت گرفته است.[6] در این مقاله، کاتالیست زئولیتی HZSM-5 سنتز و مورد ارزیابی عملکرد کاتالیستی قرار گرفته است. با تعیین سینیتیک مطلوب، فرآیند MTO شبیه سازی شده است و نتایج آزمایشات تجربی و شبیه سازی مطابقت قابل قبولی نشان داده اند.
-2مواد و روش ها
-1-2تهیه کاتالیست
تمامی مواد، از جمله سیلیسیک - SiO2-xH O, >99 wt.% - ، سدیم آلومینات - NaAlO2, Al2O3 Wt.%=55 - ، تتراپروپیل آلومینیوم برومید - TPABr, C12 H28BrN , >99Wt.% - ، آلومینیوم نیترات - NH4NO3, 99Wt.% - ، سدیم هیدروکسید - NaOH , 99.6Wt.% - و سولفوریک اسید - H2SO4 , 98Wt.% - از شرکت مرک آلمان خریداری شد. به منظور تهیه محلول سنتز، در ابتدا محلولی شامل هیدروکسیدسدیم، آلومینات سدیم و آب مقطر تهیه و به مدت 30 دقیقه همزده شد - محلول شماره یک - . سپس مقدار معینی الگوساز بصورت قطرهقطره اضافه گردید.
همچنین محلولی دیگر شامل هیدروکسید سدیم و منبع سیلیس در آبمقطرتهیه گردید و به مدت یک ساعت در دمای محیط همزده شد - محلول شماره دو - . محلول شماره یک به صورت قطرهقطره به محلول شماره دو افزوده شد و محلول نهایی به مدت 2h توسط همزن مکانیکی همزده شد. محلول نهایی شامل ترکیب مولی به صورت 20 SiO2: 0.05 Al2O3: 1TPABr: 1.5Na2O: 200H2O بود.
عملیات بلورسازی در اتوکلاو ضدزنگ حاوی پوشش داخلی تفلونی و تحت فشار خود محلول به مدت 48 h در داخل آون با دمای 180œC انجام گرفت. پودر حاصل پس از شستشو، در دمای 110°C و به مدت 12 h در آون خشک شد. عملیات کلسیناسیون در دمای 540œC به مدت 24 h انجام شد و چهار مرتبه با محلول یک مولار نیتراتآمونیوم در دمای 90œC برای مدت 10 h تبادل یونی شد. پودر حاصل به مدت 12 h در دمای 110œC در داخل آون خشک وتحت عملیات کلسیناسیون در دمای 540œC به مدت 12 h قرار داده شد.
-2-2عملکرد کاتالیزوری
خوراک توسط پمپ - WellChrom K-120 - HPLC با شدت جرمی کل 0/12 g/min به رآکتور تزریق شد به طوری که سرعت فضایی جرمی متانول - WHSV - برابر با 0/9 h-1 باشد.. رآکتور از لوله ضدزنگ به قطر داخلی 110 mm ساخته شده بود که داخل کوره استوانهای قرار گرفت. 4 g از کاتالیست دانهبندی شده، در داخل رآکتور بین دو بستر کوارتز قرار داده میشد. واکنش در دمای 480 œC انجام شد. فشار سیستم اتسفریک و خوراک شامل محلول 50 درصد وزنی متانول در آب بود.
-3-2شبیه سازی فرآیند متانول به الفین
شبیه سازی این فرآیند با نرم افزار ASPEN Plus V8.2 صورت گرفته است و معادله ی حالت پنگ - رابینسون به عنوان مدل ترمودینامیکی در کل این شبیه سازی انتخاب شده است. شرایط عملیاتی، مشخصات راکتور و خوراک مشابه آزمایشات تجربی لحاظ شده است. خوراک ابتدا به وسیله مبدل حرارتی که با بخار دما بالایی که از برج جداسازی اول خارج می شود ، گرم می شود و دمای آن به 85,2 œC می رسد. خوراکی که دمای آن بالا رفته و بخار شده، به وسیله جریان خروجی از راکتور بیشتر گرم می شود تا به دمای مورد نیاز 352,2 œC برسد و وارد راکتور شود. در بخش واکنش - جدول - 1، متانول به مخلوطی از الفین ها تبدیل شده و سپس جدا سازی و خالص سازی می شود. شکل 1 شماتیک فرآیند را نشان می دهد.
