عنوان :
بررسی فعالیت و انتخاب‌پذیری کاتالیستهای اکسایشی- کاهشی (Redox) در فرآیند زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال
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 مور
پایان نامه مهندسی شیمی - بررسی فعالیت کاتالیستهای اکسایشی- کاهشی Redox در راکتور بستر سیال با فرمت WORD
