عنوان پایان‌نامه
بررسی تجربی و مدلسازی سینتیک کراکینگ کاتالیستی هیدروکربن های سنگین به روی کاتالیست چند لایه
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی-کاتالیست
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1729.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 74359;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1729.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 74359
- تاریخ دفاع
- ۲۹ دی ۱۳۹۳
- دانشجو
- حمیدرضا رحیمی پور
- استاد راهنما
- عباسعلی خدادادی, یداله مرتضوی
- چکیده
- در این تحقیق سینتیک واکنش های کراکینگ بر روی زئولیت Y و ماتریس (سیلیکا آلومینای آمورف ) به طور جداگانه بررسی شدند. برای این منظور از راکتور استوانه ای شکل با قطر داخلی 5 میلی متر و طول 20 سانتی متر استفاده شد. شرایط آزمایشگاهی از قبیل نسبت قطر کاتالیست به قطر راکتور، سرعت گاز ورودی خوراک به راکتور طوری تنظیم شدند که شرط جریان پلاگ برای راکتور بستر ثابت ارضا شود. طراحی آزمایش برای محاسبه هر چه دقیق تر سینتیک های واکنش ها بر روی کاتالیست به گونه ای انجام شد که ثوابت سینتیکی با استفاده از مدل آرینیوس برای بازه ای از دمای واحد FCC تعمیم داده شود. در قسمت دوم از پروژه به محاسبه ی ضرایب نفوذ مولکول ها درون حفرات ماتریس و زئولیت پرداخته شده است. حفرات ماتریس و زئولیت به ترتیب تنها شامل کانال هایی با قطر میانگین 5/7 و 1/2 نانو متر می باشند. این در حالی است که زئولیت ها علاوه بر حفرات مزو ( بین کریستالی ) دارای حفرات ریزتر و منظم تر داخل کریستالی نیز می باشد. زئولیت Y از سلول های واحد 3 بعدی معروف به فاجوسایت تشکیل شده اند که میانگین قطر حفرات داخل آن ها کمتر از 1 نانو می باشند. با توجه به آن که خوراک مورد استفاده ( تری ایزو پروپیل بنزن ) مولکول بزرگی می باشد به سختی وارد حفرات داخل کریستال های زئولیت خواهد شد. نتایج حاصل از شبیه سازی برای محاسبه ی ضرایب نفوذ مولکول ها ( واکنش دهنده ها و محصولات ) نشان داد که عمدتا مولکول ها از طریق حفرات مزو وارد دانه ی کاتالیست شده اند، زیرا کوچک بودن قطر داخلی حفرات کریستالی زئولیت ممانعت فضایی زیادی را برای مولکول های بزرگ از جمله تری ایزو پروپیل بنزن ایجاد خواهند کرد و این منجر به کاهش ضرایب نفوذ به داخل شبکه ی کریستالی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان داد که افزایش طول زنجیره ی آلکان ها منجر به بزرگ شدن مولکول و در نتیجه کاهش ضرایب نفوذ شده است. این امر برای ترکیبات آروماتیک نیز صادق است به طوری که افزایش گروه های استخلافی در بنزن منجر به بیشتر شدن ممانعت فضایی شده و در نهایت ضریب نفوذ آن کمتر شده است. برای محاسبه ی ضرایب نفوذ مولکول ها درون حفرات مزو ( ماتریس ها و زئولیت ) از مدل Knudsen استفاده شده است. با توجه به نتایج شبیه سازی، مدل Knudsen برای حفرات ریز خطای زیادی ایجاد می کند ولی مقادیر نزدیکی برای حفرات بزرگتر ( در حد مزو ) پیش بینی می کند. با توجه به تخمین ضرایب نفوذ با محاسبه پارامتر موثر (?) ، ثوابت سینتیک ذاتی واکنش ها بر روی کاتالیست ها ( زئولیت و یا ماتریس ) محاسبه شدند. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که فعالیت کاتالیستی در طول زمان واکنش به تدریج کاهش یافته به نحوی که سطح روی کاتالیست از کک پوشانده شده است. این پدیده ناشی از تبدیل تری ایزو پروپیل بنزن به کک بر روی کاتالیست می باشد. در قسمت نهایی پروژه به مدل سازی دانه ی کاتالیست هسته پوسته پرداخته شده است. با محاسبه ی ضرایب پارامتر موثر (?)کاتالیست مورد نظر هسته پوسته برای هر یک از واکنش ها، محاسبه ی آنالیز خروجی برای راکتور بستر ثابت با کاتالیست هسته پوسته میسر شد. نتایج حاکی از آن است که بیشترین مقدار محصول ( دی ایزو پروپیل بنزن ) در راکتور استفاده شده از کاتالیست هسته پوسته تولید می شود. اگرچه درصد تبدیل خوراک در کاتالیست خالص زئولیت بیشترین مقدار نسبت به بقیه ی کاتالیست ها بود ولی میزان کک تشکیل شده روی کاتالیست زئولیت منجر به غیر فعال شدن سریع آن نسبت به سایر کاتالیست ها می شود.
- Abstract
- In this project the kinetics of cracking reactions on zeolite Y and ( amorphous silica alumina ) matrix was investigated separately. A tubular reactor with inner radius and length of 5 mm and 20 mm, respectively was used. The experimental condition such as the ratio of catalyst’s diameter to reactor’s diameter and the velocity of feed gas were controlled in order to have condition’s close to plug flow reactor. The specific design of experiments for estimating the kinetics of reactions on the catalyst was used to validate the data in the special range of temperature based on Arrhenius model. In the second part of project the diffusion coefficient of the molecules into pores of the zeolite and matrix were calculated. The inner diameter of zeolite and matrix pores were averagely 2.1 nm and 7.5 nm, respectively while the zeolite structure also contains the much smaller inter-crystals pores. The zeolite Y is formed from 3-dimentional faujasite cells with around 1 nm pore. The results of simulation for calculating the diffusion of reactants and products into the catalyst show that meso-pores are responsible for transferring the compounds because the small size pores prevent the molecular diffusion. In addition increasing the length of alkane chain reduce the diffusion coefficient. The Knudsen model was used for estimating the diffusion of molecules into the pores. However, Knudsen causes considerable error for inner-crystal diffusion. By considering the kinetic parameters and diffusion coefficients for all the reactants the effectiveness factors for all reactions were calculated. The experimental data showed that the activity of catalyst is decreased during the reaction due to the coke formation on the catalyst surface. The modeling of core-shell catalyst is introduced. The results show that the amount of middle products ( Di-iso-propyle benzene ) is rised in the case of core-shell catalyst compared with the zeolite and the matrix catalysts. It is demonstrated that the amount of coke formation for the core-shell catalyst is reduced.
