مطالعه سینتیک واکنش ایزومریزاسیون زایلن با کاتالیست Mo-Pt @ZSM5

کاظمی, منیره; امامی میبدی, مجید; اسماعیلی فرج, سیدحمید

مطالعه سینتیک واکنش ایزومریزاسیون زایلن با کاتالیست Mo-Pt @ZSM5

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

منیره کاظمی ¹

مجید امامی میبدی ¹

سیدحمید اسماعیلی فرج ²

¹ گروه مهندسی شیمی،دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه اردکان، اردکان، ایران.

² دانشگاه صنعتی شاهرود

چکیده

موضوع تحقیق: سینتیک واکنش ایزومریزاسیون زایلن روی کاتالیست Mo-Pt @ZSM5 تاکنون بررسی نشده است. در این تحقیق، واکنش منفرد برگشت پذیر متازیلن به پارازایلن برای مدلسازی این فرآیند، مطالعه شده است. با توجه به اینکه خوراک واحد صنعتی، فقط مقادیر کمی از ترکیبات غیر زایلنی دارد، صرف نظر از سایر واکنشها منطقی به نظر میرسد و نتایج این تحقیق نیز آن را تأیید میکند.

روش تحقیق: واکنش مورد نظر در فاز گازی و دماهای ثابت 375 و 378 درجه سلیسوس روی کاتالیست Mo-Pt @ZSM5 انجام شده است. خوراک ورودی از یک واحد صنعتی گرفته شده است. در هر تست دما ثابت در نظر گرفته میشود. در این تحقیق به منظور به دست آوردن مدلی ساده، فقط واکنش تعادلی متازایلن به پارازیلن در نظر گرفته میشود. ثابت سرعت رفت به عنوان پارامتر قابل تنظیم در نظر گرفته شده و ثابت سرعت برگشت، از ثابت تعادل متازایلن-پارازایلن گزارش شده در نوشتجات محاسبه میشود. چون از واکنشهای دیگر صرف نظر شده، مجموع کسر مولی متازایلن و پارازایلن ثابت و برابر مجموع آنها در خوراک فرض شده و کسر مولی اورتوزایلن از ثابت تعادل متازایلن-اورتوزایلن گزارش شده در نوشتجات محاسبه میشود. با استفاده از موازنه جرم و معادله عملکرد ستون پرشده و نیز معادله ارگان برای برآورد تغییرات فشار در طول ستون، دستگاه معادلات دیفرانسیل مناسب در این تحقیق پیشنهاد شده و به روش عددی با استفاده از دستور ode45 در متلب، حل شدهاند.

نتایج اصلی: هم داده های تجربی و هم نتایج شبیه سازی با نرم افزار اسپن هایسیس، نشان میدهد در محدوده دمای مورد بررسی، دما اثر کمی روی ترکیب محصول خروجی بهدست آمده دارد. بنابرین در بازه دمایی مورد بررسی، ثابت سرعت مستقل از دما فرض شده و مقدار بهینه ثابت سرعت واکنش متازایلن به پارازایلن برابر 1340 سانتیمتر مکعب محصول بر گرم کاتالیست بر ساعت است و برای واکنش برگشت از داده های ثابت تعادل برحسب دما به دست می آید. نتایج حاصل و مدل سینتیکی ساده پیشنهاد شده پیش بینی قابل قبولی از دادههای تجربی می دهد.

کلیدواژه‌ها

زایلن

ایزومریزاسیون

کاتالیست

سینتیک

مدلسازی

موضوعات

فلزی

عنوان مقاله English

Kinetic study of xylene isomerization reaction with Mo-Pt @ZSM5 catalyst

نویسندگان English

Monire Kazemi ¹

Majid Emami Meibodi ¹

Seyyed Hamid Esmaeili-Faraj ²

¹ Department of Chemical Engineering,Faculty of Engineering,Ardakan University,P.O. Box 184, Ardakan, Iran

² Assistant ProfessorDepartment of Material and Chemical Engineering,Shahrood University of Technology,Shahrood, Iran, 3619995161

چکیده English

Research subject:

The kinetics of xylene isomerization reaction on Mo-Pt @ZSM5 catalyst has not been investigated so far. In this research, the single reversible reaction of meta-xylene to para-xylene has been studied to model this process. Considering that the feed of the industrial unit has only small amounts of non-xylene compounds, it seems reasonable regardless of other reactions and the results of this research also confirm it.

Research approach:

The desired reaction was carried out in the gas phase and constant temperatures of 375 ^oC and 378 ^oC on Mo-Pt @ZSM5 catalyst. The feed is taken from an industrial unit. In each test, the temperature is considered constant. In this research, in order to obtain a simple model, only the reversible reaction of meta-xylene to para-xylene is considered. The forward speed constant is considered as an adjustable parameter, and the backward reaction speed constant is calculated from the (meta-xylene)-(para-xylene) equilibrium constant reported in the literature. Since other reactions are neglected, the total mole fraction of meta-xylene and para-xylene is assumed to be constant and equal to their sum in the feed, and the mole fraction of ortho-xylene is calculated from the (meta-xylene)-(ortho-xylene) equilibrium constant reported in the literature. Using the mass balance and performance equation of the packed column as well as Ergun's equation to estimate the pressure changes along the column, a suitable differential equation system was proposed in this research and solved numerically using the ode45 function in MATLAB.

Main results: both the experimental data and the simulation results with the Aspen HYSYS software show that the temperature has little effect on the obtained results in the investigated temperature range. The optimal value of the reaction rate constant of metaxylene to paraxylene for the forward reaction is 1340 cm³ of product per gram of catalyst per hour. For the reverse reaction, it is obtained from the equilibrium constant data in terms of temperature. The results and the proposed simple kinetic model give a good prediction of the experimental data.

کلیدواژه‌ها English

Xylene

isomerization

Catalyst

Kinetics

Modeling

[1] S. Matar, L.F. Hatch, Chemistry of petrochemical processes. , 2001. https://proxy.library.tamu.edu/login?url=https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=cat03318a&AN=tamug.5424012&site=eds-live%0Ahttp://proxy.library.tamu.edu/login?url=http://app.knovel.com/hotlink/toc/id:kpCPPE0003/chemistry-of-petrochemical (accessed May 16, 2023).
[2] A. Chauvel, N. Marshall, G. Lefebvre, Institut français du pétrole., Petrochemical processes : technical and economic characteristics, Editions Technip, 1989. https://ca.wikipedia.org/wiki/Propilenglicol (accessed May 17, 2023).
[3] O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, 3rd Edition | Wiley, 1998. https://doi.org/10.1021/ie990488g.
[4] S. Bhatia, S. Chandra, T. Das, Simulation of the xylene isomerization catalytic reactor, Ind. & Eng. Chem. Res. 28 (2002) 1185–1190. https://doi.org/10.1021/ie00092a011.
[5] O. Cappellazzo, G. Cao, G. Messina, M. Morbidelli, Kinetics of shape-selective xylene isomerization over a ZSM-5 catalyst, Ind. & Eng. Chem. Res. 30 (2002) 2280–2287. https://doi.org/10.1021/ie00058a006.
[6] K.L. Hanson, A.J. Engel, Kinetics of xylene isomerization over silica-alumina catalyst, AIChE J. 13 (1967) 260–266. https://doi.org/10.1002/AIC.690130215.
[7] H.S. Fogler, Elements of chemical reaction engineering, 5th ed., Pearson Education, Inc., United States of America, 2016.
[8] Q. Shi, J.C. Gonçalves, A.F.P. Ferreira, M.G. Plaza, A.E. Rodrigues, Xylene Isomerization over Beta Zeolites in Liquid Phase, Ind. Eng. Chem. Res. 57 (2018) 5568–5579. https://doi.org/10.1021/ACS.IECR.8B00585/SUPPL_FILE/IE8B00585_SI_001.PDF.
[9] Q. Shi, J.C. Gonçalves, A.F.P. Ferreira, M.G. Plaza, A.E. Rodrigues, Xylene isomerization side reactions over Beta zeolite: Disproportionation and transalkylation of C8 aromatics and toluene, Appl. Catal. A Gen. 562 (2018) 198–205. https://doi.org/10.1016/J.APCATA.2018.06.011.
[10] A. Al-Shammari, M.N. Akhtar, T. Odedairo, N.M. Tukur, S. Al-Khattaf, Kinetic Studies of Xylene Transformation Reactions Over ZSM-5 Zeolite, Arab. J. Sci. Eng. 2014 395. 39 (2014) 3423–3440. https://doi.org/10.1007/S13369-014-1063-1.
[11] S. Haag, M. Hanebuth, G.T.P. Mabande, A. Avhale, W. Schwieger, R. Dittmeyer, On the use of a catalytic H-ZSM-5 membrane for xylene isomerization, Microporous Mesoporous Mater. 96 (2006) 168–176. https://doi.org/10.1016/J.MICROMESO.2006.06.032.
[12] S.H. Farahani, C. Falamaki, S.M. Alavi, Kinetic modeling of the ethylbenzene/xylene isomerization reaction over HZSM-5 zeolites revisited, Int. J. Chem. Kinet. 52 (2020) 368–377. https://doi.org/10.1002/KIN.21356.
[13] R.B. Bird, Transport phenomena, Appl. Mech. Rev. 55 (2002) 895. https://doi.org/10.1115/1.1424298.
[14] W.J. Taylor, D.D. Wagman, M.G. Williams, K.S. Pitzer, F.D. Rossini, Heats, equilibrium constants, and free energies of formation of the alkylbenzenes, J. Res. Natl. Bur. Stand. (1934). 37 (1946) 95. https://doi.org/10.6028/JRES.037.035.