در صنعت و آزمایشگاه برای بدست آوردن بهترین شرایط انجام واکنش بازآرایی متان و توزیع بهینه فرآورده ها، واکنش در حضور کاتالیست های مختلفی انجام می گیرد. یکی از این کاتالیست ها کالیست پرووسکایت نیکل-لنتانیوم است که در اثر حاضر مورد بررسی قرار گرفته است.استفاده علی از این کاتالیست برای انجام فرآیند منوط به دانستن معادلات سرعت واکنشهای انجام شده است. دراین آزمایشها به منظور ارائه معادله سرعت دستگاه آزمایشگاهی مناسب شامل قسمتهای تزریق خوراک، راکتور و آنالیز ساخته شده است. بوسیله انجام واکنش بازآرایی در یک ریز راکتور آزمایشگاهی نتایج حاصل در شرایط مختلف دما و غلظت در فشار محیط اندازه گیری شده است. آزمایش در شرایط رآکتور دیفرانسیل انجام گرفته است. به کمک نرم افزارهای ریاضی داده های آزمایشگاهی بدست آمده با الگوهای سینتیکی مختلف که برای کاتالیستهای دیگر این واکنش بدست آمده اند، یا در شرایط آزمایش محتمل تشخیص داده شده اند، مطابقت داده شده است. با توجه به میزان تطابق داده ها و معیارهای پراکندگی الگوی مناسب انتخاب شده و پارامترهای الگو تعیین شده اند. الگویی که در آن مولکولهای متان و آب بدون تجزیه شدن بر روی نقاط فعال کاتالیست جذب می شوند و در حالت جذب شده باهم واکنش میدهند به عنوان الگوی حاکم بر آزمایشها شناخته شده است. مرحله واکنش بین مولکولهای جذب شده بر روی سایتهای فعال مرحله کنترل کننده سرعت شناخته شده است با مقایسه مقادیر پارامترهای معادله سرعت در سه دمای مختلف به کمک قوانین وانتهوف و آرئیوس معادله سرعت به کلیه دماها بسط داده شده است و ثابتهای تعادل و آنتالپی جذب آب و متان بر روی کاتالیست در دماهای مختلف بدست آمده است. پس از آن گزینش پذیری کاتالیست در شرایط گوناگون مورد بررسی قرار گرفته است و میزان گزینش پذیری در دو نسبت مختلف آب و متان در دماهای گوناگون ارائه شده است.

فرآیند شکل دهی کاتالیستهای هتروژن از اهیمت زیادی در مراحل ساخت کاتالیست برخوردار می باشد. کاتالیست پرووسکایت لانتانیوم-نیکل با استفاده از روش سل-ژل تهیه وتحت عمل شکل دهی قرار گرفت کهدارای شکل استوانه با چهار سوراخ و سر ته گنبدی بود. تاثیر پاراترهای مختلف در فرایند شکل دهی از جمله نوع و شکل قالب نوع پیوند دهنده و مقدار آن فشار اعمالی عملیات حرارتی بعد از شکل دهی اولیه کاتالیست ونوع مواد اولیه تشکیل دهنده کاتالیست در میزان مقاومت مکانیکی نهایی کاتالیست با استفاده از روش های استاندارد موجود در این زمینه اندازه گیری شد و در نهایت شرایط بهینه جهت شکل دهی کاتالیست تعیین گردید. نتایج بدست آمده نشان داد که دمای پخت c 700 فشار bar 800 نسبت چرمی پیوند دهنده به کاتالیست برای 1:7 و نوع پیوند دهنده پلی وینیل الکل منجر به تهیه کاتالیست با بالاترین مقاومت مکانیکی گردید. در واکنشهایی که با دخالت کاتالیست جامد صورت می گیرند فرآیند واکنش نسبت به واکنش تک فاز پیچیده تر می باشد در این شرایط جهت تحلیل انتقال جرم در داخل قطعات کاتالیستی مدل های مختلفی ارایه شده که اهم آنها در اثر حاضر ارایه شده است. در ادامه قطعه کاتالسیتی در راکتور لوله ای مورد آزمایش قرار گرفته ونتایج آن با نتایج حاصله از میکروراکتور مقایسه شده ودر انتها نیز مدل انتقال جرم مربوطه ارایه گردیده است.

با توجه به نقش اساسی که فرایند بازآرایی متان در صنایع شیمیایی دارد کاتالیستهای متفاوتی برای این فرایند بررسی شده است. مهم ترین کاتالیست صنعتی نیکل قرار گرفته روی پایه می باشد که مشکل اساسی آن غیر کارآمد شدن ناشی از سینترینگ شکل گیری و نشست کک روی رویه می باشد. مطالعات فراوانی برای کاهش معایب کاتالیست موجود صنعتی صورت گرفته است. امروزه تحقیقات بسیاری روی ساختار جدید پروسکایتی (abo3) صورت گرفته است در این ساختار با قرارگیری عنصر لانتانیم در جایگاه a و نیکل در جایگاه b ذرات ریزی از نیکل فلزی در طول واکنش حاصل می شود برای بهبود این ساختار و افزایش پراکندگی از یک فلز رقیق کننده (آلومینیوم) در جایگاه b استفاده می شود و برای افزایش قلیاییت رویه می توان از فلزات قلیایی و قلیایی خاکی استفاده نمود. در این پروژه اثر فلزات قلیایی (لیتیم، سدیم و پتاسیم) و قلیایی خاکی (کلسیم و استرنسیم) که از قلیایی بالایی برخوردارند برای بهبود ساختار پروکسایتی لانتانیم-نیکل –آلومینیوم استفاده شده است از آزمون های مشخصه یابی برای تعیین ساختار کاتالیستهای ساخته شده و تغییر ساختار پس از آزمون راکتوری استفاده شده است. افزودن لیتیم و کلسیم اثر بیشتری در کاهش شکل گیری کک دارند. اما جایگزینی لانتانیم با استرنسیم و سدیم بهترین رفتار را در فرایند بازآیی متان و ساختن گاز سنتز،از خود نشان می دهد.

انتقال گاز از طریق خط لوله به مسافت های دور بویژه همراه با موانع طبیعی، روشی اقتصادی نیست بعلاوه در انتقال گاز از کشورهای مختلف همراه مسائل سیاسی تأثیرگذار است. برای استفاده از تکنولوژی lng، می بایست گاز را در مبدأ به مایع تبدیل کرد توسط کشتی های ویژه آنرا حمل و در مقصد مجددا به حالت اول باز گرداند که البته هزینه های زیاد این عملیات کاملا بارز است بعلاوه بیشتر منابع گاز به ساحل نزدیک نیستند تا بتوان آنها را با کشتی حمل کرد. مطالب فوق اهمیت تکنولوژی gtl را مشخص می کند ضمن اینکه کشور ایران با دارا بودن 813 ترلیون فوت مکعب ذخایر گازی مقام دوم را پس از روسیه از نظر منابع گازی دارد.

هدف از انجام این پروژه فعال سازی مجدد دو کاتالیست صنعتی غیر فعال شده پتروشیمی اراک و رازی و همچنین برداشت نیکل از کاتالیست مستعمل در اراک است. اولین قدم، مشخص شدن علت غیر فعال شدن کاتالیست ها می باشد. به این ترتیب تست های مختلفی برای آنالیز کاتالیست ها ترتیب داده شد. به جهت بررسی ساختار بلوری کاتالیست ها، از روش های برای سنجی پرتوایکس (xrd) ،میکروسکوپ الکترونی عبوری (tem)، میکروسکوپ الکترونی جاروبی (sem) ، آنالیز عنصری نقطه ای (eds) ، به صورت درصد وزنی و اتمی عناصر و برای مشخص کردن مقدار کربن و گوگرد از آنالیز کربن و گوگرد (carbon and sulfur analyzer) استفاده گردید. به این ترتیب مشخص شد که کاتالیست نمونه اراک و رازی، به ترتیب به خاطر کلوخه شدن و رسوبات گوگرد غیر فعال شده است. همزمان با بحث چگونگی فعال سازی مجدد کاتالیس ها، استخراج نیکل از کاتالیست مستعمل (نمونه اراک) به موازات آن با در نظر گرفتن بهترین حلال موجود (اسید سولفوریک) انجام شد. فعال سازی مجدد نمونه کاتالیست غیر فعال شده اراک بعلت کلوخه شدن، بوسیله جریان اکسید کننده جزیی (جریان های بخار، دی اکسید کربن و اکسیژن) و نمونه کاتالیست مستعمل رازی به سبب رسوبات گوگرد و کربن، توسط جریان بخار در جهت حذف گوگرد و کربن، انجام شده است. نتایج حاصل، حاکی از افزایش فعالیت کاتالیست نمونه اراک تا 62% بوسیله جریان دی اکسید کربن نسبت به کاتالیست مستعمل است. همچنین در کاتالیست نمونه رازی، به علت حذف درصد بالایی از گوگرد و کربن، فعالیت کاتالیست تا 80% نسبت به نمونه مستعمل آن افزایش یافته است. در جهت برداشت نیکل از کاتالیست مستعمل نمونه اراک، نتایج رضایت بخشی حاصل گردید. 99% از نیکل به صورت سولفات نیکل از کاتالیست مستعمل تحت دمای 120 c ، غلظت اسید 70% (v/v) ، نسبت جامد به مایع solid : liquid 1/20 و در مدت220 دقیقه از زمان واکنش استخراج شده است.

با توجه به نقش اساسی کاتالیست های اگزوز در کاهش آلودگی محیط زیست، کاتالیست های مختلفی برای این فرآیند مورد بررسی قرار گرفته است. اکسیدهای پروسکایتی بدلیل دارا بودن فعالیت کاتالیسای بالا و پایداری حرارتی بالا در دماهای بالا بیشتر مورد توجه می باشند. واکنش احتراق کاتالیستی یکی از واکنش های مهم در مبدل های کاتالیستی می باشد که بیشتر برای از بین بردن هیدروکربن ها (بخصوص متان) و منوکسید کربن کاربرد دارد. در میان اکسیدهای پروسکایتی، منگنات لانتانیوم یکی از پروسکایت های متداولی می باشد که در واکنش های احتراقی کاربرد وسیعی دارد. جانشین کردن مس در کنار منگنز و نقره در کنار لانتانیوم، بدلیل متفاوت بودن بار یونی عناصر در سایت های مربوطه یک نقص ساختاری در شبکه پروسکایتی ایجاد می شود که با علامت مشخص شده است. این نقص ساختاری باعث تحرک بیشتر اکسیژن در شبکه شده و در نتیجه روی فعالیت کاتالیستی موثر می باشد. برای بررسی فعالیت کاتالیستی عناصر مس و نقره، کاتالیست های پروسکایتی به دو روش پکینی و سل-ژل تهیه شدند. در روش پکینی حضور اتیلن گلیکول در کنار اسیدسیتریک باعث انجام فرآیند پلی استری شدن و تشکیل شبکه پلیمری می شود که این شبکه باعث کنترل رشد ذرات شده و باعث تولید فاز خالص تری در مرحله تجزیه حرارتی می شود. در روش سل-ژل تنها اسید سیتریک بعنوان عامل کمپلکس دهنده با یون های فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. سپس ساختار ژل و رزین های بدست آمده با آنالیزftir مورد بررسی قرار گرفته اند و ساختار پروسکایت های بدست آمده با استفاده از xrd, sem, xrf, eds, bet, tpr تعیین مشخصات شدند. و نهایتاً برای بررسی میزان فعالیت شان از یک راکتور بستر ثابت با گازهای متان و منوکسید کربن و اکسیژن بعنوان خوراک و گاز نیتروژن بعنوان گاز حامل استفاده شد. پایداری حرارتی بعضی از نمونه های بعد از تست راکتوری نیز با استفاده از آنالیزهای xrd, sem, eds مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که برای جانشینی 6/0 x مس در هر دو روش فاز خالص پروسکایتی وجود دارد و نیز با افزایش نقره، علاوه بر فاز پروسکایتی فاز مربوط به نقره فلزی نیز تشکیل می شود. همچنین حضور مس در ساختار باعث افزایش اندازه ذرات و کاهش سطح ویژه شده ولی با افزایش نقره ذرات کاهش یافته و سطح ویژه افزایش می یابد. همچنین در جانشینی 2% مس و نقره در هر روش بیشترین سطح فعالیت کاتالیستی و بیشترین پایداری دیده شد و نیز در تمام نمونه ها، نمونه های تهیه شده به روش پکینی در مقایسه با سل-ژل دارای سطح ویژه بالا و فعالیت کاتالیستی بالا می باشد.