دفاعیه دکتری در دانشکده مهندسی شیمی ، نفت و گاز

چکیده
تبدیل هیدروکربن­های سبک به محصولات با ارزش از قبیل: آروماتیک­ها یکی از موضوعات مهم در صنایع پتروشیمی است. بنابراین در سال­های اخیر، توجه زیادی به تبدیل کاتالیستی هیدروکربن­های سبک بویژه تبدیل پروپان به آروماتیک­ها هم در محیط­های دانشگاهی و هم در محیط­های صنعتی شده است. این تبدیل از نظر اقتصادی مقرون به صرفه­ و از اهمیت زیادی در اقتصاد یک کشور برخوردار است. یکی از مشکلات اصلی این واکنش­ها، نشست گونه­های کربنی سنگین در طول واکنش بر روی کاتالیزور است که باعث غیر فعال ­شدن آن می­گردد. بستر سیال دو ناحیه­ای راکتوری مناسب برای اجرای عملیات حالت پایدار در واکنش­های کاتالیستی است که بوسیله کک غیرفعال می­شود. در این راکتور چند­عملکردی، دو واکنش (عملکرد)، واکنش تبدیل هیدروکربن­های سبک به آروماتیک­ها و احیای کاتالیستی در یک مخزن صورت می­پذیرد. بنابراین ویژگی، این راکتور قویا برای واکنش آروماتیک­سازی پروپان پیشنهاد می­شود.
 در تحقیق حاضر، عملکرد واکنش آروماتیک­سازی پروپان با استفاده از کاتالیستZn/HZSM-5   در راکتور بستر ثابت و بستر سیال دو ناحیه­ای، مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. ساختار و مقدار کربن نشسته بر روی کاتالیزور به وسیله آنالیزهای  XRD, BET, SEM و TGA تعیین مشخصه گردید. بررسی کارایی کاتالیست در راکتور بستر ثابت در دمای °C560 و سرعت فضایی cm3/g.h500 ، بالاترین درصد تبدیل اولیه پروپان8/64% و گزینش­پذیری آروماتیک­ها9/66% را نشان داد. علاوه بر این اثر شرایط واکنش از قبیل: سرعت فضایی، دما و زمان واکنش بر عملکرد کاتالیست در راکتور بستر ثابت مورد بررسی قرار گرفت. یک مدل سینتیکی فشرده (Lumped kinetic model) شامل شش جز فشرده و شش مرحله واکنش برای توصیف واکنش پیچیده تبدیل پروپان به آروماتیک­ها پیشنهاد گردید. مدل سینتیکی شامل 18 پارامتر سینتیکی و یک ثابت غیرفعال­سازی کاتالیزور ­می­باشد که از یک تابع نمایی وابسته به زمان برای مدل غیرفعال شدن کاتالیست استفاده شده است. پارامترهای سینتیکی با استفاده از نتایج بستر ثابت و الگوریتم ژنتیک محاسبه شدند. نتایج سینتیکی نشان داد که مدل سینتیکی فشرده به طور رضایت­بخشی می­تواند بازدهی محصولات آروماتیک­سازی پروپان را تخمین بزند. در راکتور بستر سیال دو ناحیه­ای(TZFBR) تشکیل کک روی سطح کاتالیزور تحت شرایط پایدار با احیای پیوسته کاتالیزور بوسیله اکسیژن خنثی ­می­شود. در قسمت پایینی TZFBR اکسایش و سوختن کک رسوب­شده روی سطح کاتالیزور با اکسیژن موردنیاز انجام می­شود و در ناحیه بالایی واکنش آروماتیک­سازی رخ می­دهد. به منظور اطمینان از پایداری عملکرد TZFBR، آروماتیک­سازی پروپان در راکتورهای بستر سیال معمول و بستر ثابت بدون حضور اکسنده انجام شد. به دلیل احیای کاتالیزور، تبدیل پروپان و گزینش­پذیری بالاتری در TZFBR نسبت به راکتورهای بستر سیال معمول و بستر ثابت به دست آمد. تاثیر متغیرهای اصلی از قبیل: سرعت نسبی، دما، درصد مولی اکسیژن در خوراک و ارتفاع ورودی خوراک پروپان بر عملکرد TZFBR مورد مطالعه قرار گرفتند. بررسی نتایج در راکتور بستر سیال دو ناحیه­ای بالاترین بازدهی آروماتیک94/22% در سرعت نسبی 6/1، دمای °C560، درصد مولی اکسیژن 3% و  ارتفاع ورودی خوراک پروپان برابر 5 سانتی­متر را نشان داد. به منظور مدل­سازی راکتور بستر سیال دو ناحیه­ای برای اولین بار از مدل ساده دو فازی و همچنین مدل سه ­فازی منندز استفاده شد. هر دو مدل تطابق نسبتا خوبی با داده­های آزمایشگاهی را از خود نشان دادند اما با توجه به سادگی مدل دو فازی، استفاده از این مدل برای مدلسازی راکتور بستر سیال دو ناحیه­ای پیشنهاد می­گردد.   
واژه­های کلیدی: آروماتیک­سازی پروپان، کاتالیست زئولیتی Zn/HZSM-5، راکتور بستر سیال دو ناحیه­ای، مدل­سازی سینتیکی، مدل­سازی بستر سیال دو ناحیه­ای