مدل سازی آماری و بهینه سازی فرآیند هیدروژن‌زدایی اکسایشی پروپان با استفاده از کاتالیست مولیبدن بر پایه گاما آلومینا

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 دانشگاه تربیت مدرس- دانشکده مهندسی شیمی

2 دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی

چکیده
رشد شدید تقاضای جهانی برای پروپیلن، موجب مطالعات و تحقیقات گسترده‌ای جهت یافتن روش­های جایگزین به‌صرفه‌تر و با مصرف کمتر انرژی و بازده مناسب گردیده است. در این پژوهش از گاما آلومینا به‌عنوان پایه­ی کاتالیست­های مولیبدن در فرآیند هیدروژن‌زدایی اکسایشی پروپان، جهت تولید پروپیلن استفاده شده است. کاتالیست­ها به روش تلقیح مرطوب تهیه شده است. به منظور ارزیابی و تعیین دقیق مشخصات کاتالیست­های ساخته‌شده، آنالیزهای FTIR، XRD، BET، SEM و XRF انجام گرفته است. از طراحی آزمایش به روش مرکب مرکزی برای بررسی تأثیر پارامترهای دمای واکنش، درصد بارگذاری مولیبدن، نسبت پروپان به اکسیژن و همچنین بررسی تأثیر برهمکنش بین آن‌ها در تولید پروپیلن طی فرآیند هیدروژن‌زدایی اکسایشی پروپان استفاده شد. برای این منظور از بارگذاری مولیبدن در محدوده 16-4 درصد وزنی، نسبت پروپان به اکسیژن در محدوده 3-1 و دما در محدوده‌ی 540-380 درجه سلسیوس به‌عنوان متغیرهای ورودی روش مرکب مرکزی استفاده شد. پس از انجام آزمون راکتوری و تحلیل نتایج توسط نرم­افزار طراحی آزمایش مشاهده شد، مدل­های پیش‌بینی‌شده برای درصد تبدیل پروپان، درصد گزینش­پذیری پروپیلن و درصد بازده هیدروژن­زدایی اکسایشی با دقت 95% موردقبول است. حالت بیشینه درصد بازده هیدروژن­زدایی اکسایشی با مقدار 02/14 درصد در دمای 487 درجه سلسیوس، 22/11 درصد بارگذاری مولیبدن و نسبت پروپان به اکسیژن 5/1 به دست آمد که در حالت آزمایشگاهی توانست با دقت 94% نسبت به حالت پیشنهادی بهینه مدل طراحی آزمایش حاصل شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Statistical modeling and optimization of propane oxidative dehydrogenation process using gamma alumina based on molybdenum catalyst

نویسندگان English

reza asadi 1
jafar towfighi 2
seyed mohammad mousavi 2
1 Faculty of Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University.
2 Faculty of Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده English

Due to increase in global demand of propylene, many extensive studies and research have been done to find alternative method for lower energy consumption and efficiency. In this research, gamma alumina is used for molybdenum catalyst base in oxidative dehydrogenation process of propane, in order to produce the propylene. The catalysts are prepared based on wet impregnation method. The analysis of FTIR, XRD, BET, SEM, and XRF are done to evaluate and determine the characteristics of prepared catalysts. Central composition method is employed to study the influence of reaction temperature, molybdenum loading percentage, oxygen to propane ratio, and the effect of interactions between them in propylene production. The molybdenum in the range of 4-16%, propane to oxygen ratio in ‎the range of 1-3%, and temperature in the range of 380-540 ºC are the input parameters of ‎the central composite method. Finally, according to reactor test and analysis of the results of the Design expert software, it is shown that the predicted models for propane conversion, propylene selectivity, and efficiency persentage of oxidation dehydrogenation are about 95%. Maximum of efficiency percentage with a value of 14.02% is obtained at 487 ºC, 11.22% molybdenum percentage, and propane to oxygen ratio of 1.5, which in experimental results, achieving an accuracy of 94% is possible as compared to the optimal design of the test design model.

کلیدواژه‌ها English

oxidative dehydrogenation
propane
propylene
gamma alumina
molybdenum
design expert
[1] Cavani. F and Trifiro. F, “The oxidative dehydrogenation of ethane and propane as an alternative way for the production of light olefins,” Catal. Today, vol. 24, no. 3, pp. 307–313, Jun. 1995.
[2] Sanfilippo. D and Miracca. I, “Dehydrogenation of paraffins: synergies between catalyst design and reactor engineering,” Catal. Today, vol. 111, no. 1–2, pp. 133–139, 2006.
[3] De León. M. A et al., “High catalytic activity at low temperature in oxidative dehydrogenation of propane with Cr–Al pillared clay,” Chem. Eng. J., vol. 241, pp. 336–343, Apr. 2014.
[4] Rahimi. N and Karimzadeh. N, “Catalytic cracking of hydrocarbons over modified ZSM-5 zeolites to produce light olefins: A review,” Appl. Catal. A Gen., vol. 398, no. 1–2, pp. 1–17, May 2011.
[5] Ren. T, Patel. M, and Blok. M, “Olefins from conventional and heavy feedstocks: Energy use in steam cracking and alternative processes,” Energy, vol. 31, no. 4, pp. 425–451, Mar. 2006.
[6] Wei. Y., “Production of light olefins and aromatic hydrocarbons through catalytic cracking of naphtha at lowered temperature,” Stud. Surf. Sci. Catal., vol. 158, pp. 1223–1230, Jan. 2005.
[7] Robert. A, Meyers, Handbook of petroleum refining processes. McGraw-Hill, 2004.
[8] Ates .A, Hardacre .C, and Goguet .A, “Oxidative dehydrogenation of propane with N2O over Fe-ZSM-5 and Fe–SiO2: Influence of the iron species and acid sites,” Appl. Catal. A Gen., vol. 441–442, pp. 30–41, Oct. 2012.
[9] Bezerra. M. A, Santelli. R. E, Oliveira. E. P, Villar. L. S, and Escaleira. L. A, “Response surface methodology (RSM) as a tool for optimization in analytical chemistry,” Talanta, vol. 76, no. 5, pp. 965–977, Sep. 2008.
[10] Jia. Y, Li. G, and Ning. G, “Efficient oxidative desulfurization (ODS) of model fuel with H2O2 catalyzed by MoO3/γ-Al2O3 under mild and solvent free conditions,” Fuel Process. Technol., vol. 92, no. 1, pp. 106–111, Jan. 2011.
[11] Prasad. V. V. D. N, Jeong. K.-E, Chae. H.-J., Kim. C.-U, and Jong. S.-Y, “Oxidative desulfurization of 4,6-dimethyl dibenzothiophene and light cycle oil over supported molybdenum oxide catalysts,” Catal. Commun., vol. 9, no. 10, pp. 1966–1969, Jun. 2008.
[12] Chary. K. V, Rajender Reddy. K, and Praveen Kumar. C, “Dispersion and reactivity of molybdenum oxide catalysts supported on titania,” Catal. Commun., vol. 2, no. 9, pp. 277–284, Nov. 2001.
[13] Chen. K, Xie. S, Bell. A. T, and Iglesia. E, “Structure and Properties of Oxidative Dehydrogenation Catalysts Based on MoO3/Al2O3,” J. Catal., vol. 198, no. 2, pp. 232–242, Mar. 2001.
[14] Wang. B., “Effects of MoO3 loading and calcination temperature on the activity of the sulphur-resistant methanation catalyst MoO3/γ-Al2O3,” Appl. Catal. A Gen., vol. 431–432, no. 431–432, pp. 144–150, Jul. 2012.
[15] Tania. M , Costa. H, Márcia R. Gallas, and Edilson ,Benvenutti. V, and da Jornada. J. A. H., “Study of Nanocrystalline γ-Al2O3 Produced by High-Pressure Compaction,” 1999.
[16] Imamura. S, Sasaki. H, Shono. M, and Kanai. H, “Structure of Molybdenum Supported on α-, γ-, and χ-Aluminas in Relation to Its Epoxidation Activity,” J. Catal., vol. 177, no. 1, pp. 72–81, Jul. 1998.
[17] Giordano.N, Bart. J. C. J, Vaghi. A, Castellan. A, and Martinotti. G, “Structure and catalytic activity of MoO3 • Al2O3 systems: I. Solid-state properties of oxidized catalysts,” J. Catal., vol. 36, no. 1, pp. 81–92, Jan. 1975.
[18] Guang Xiong., “UV Resonance Raman Spectroscopic Studies on the Genesis of Highly Dispersed Surface Molybdate Species on γ-Alumina,” 2000.