توسعه مدل سینتیکی برای فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن با استفاده از نانو کاتالیزور زئولیت بهبود یافته

بحران دسترسی به منابع نفت خام، بشر را وادار به یافتن روش های جدید برای تأمین انرژی مورد نیاز خود و تولید مواد استراتژیکی کرد که قبلاً از نفت خام به دست می آمد. یکی از این مواد استراتژیک، پروپیلن می باشد که امروزه به طور گسترده در صنایع تبدیلی گاز و صنایع پتروشیمی به کار می رود. پروپیلن به عنوان خوراک بسیار مهمی برای تولید انواع پلاستیک های پرکاربرد از قبیل: پلی آکریلونیتریل، اکرولین، اکریلیک اسید وغیره مطرح می باشد. این پلاستیک ها، به سرعت جایگزین مواد غیر پلاستیکی از قبیل چوب و فلز شدند. بنابراین بازار تقاضا برای پروپیلن به سرعت در حال رشد است. در چند سال اخیر، فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن به عنوان یک روش نو در راستای تولید پروپیلن مطرح شده است. از آنجایی که متانول از طریق گاز سنتز (مخلوط co و h2) به دست آمده از گاز طبیعی و ذغال سنگ تولید می شود، لذا با این روش وابستگی به خوراک نفت خام و برش های نفتی تا حدود زیادی از میان می رود و با توجه به فراوانی منابع گاز طبیعی در کشورمان، می توان در آینده بر روی این روش به عنوان یک روش اقتصادی، برای تولید ماده استراتژیک پروپیلن حساب کرد. در مقایسه با فرآیند تبدیل متانول به الفین رایج که در آن اتیلن به عنوان محصول غالب مد نطر است، نسبت بالای پروپیلن به اتیلن (p/e) مشخصه اصلی فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن می باشد. در سال-های گذشته، توجه فراوانی به فرآیند تبدیل متانول به الفین گردیده است به طوری که فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن کمتر مد نظر بوده است. نسبت بالای پروپیلن به اتیلن می تواند تحت شرایط پایین بودن فشار جزئی متانول در خوراک به دست آید. این شرایط می تواند با به کار بردن گاز حامل اضافی، یا با افزایش نسبت آب به متانول در خوراک، ایجاد شود. هر چند که فشار بخار بسیار پایین متانول در خوراک باعث غیر اقتصادی شدن فرآیند می گردد. با مطالعه منابع مختلف، به نظر می رسد، نسبت بهینه آب به متانول، 80% به 20% مولی باشد. مهمترین کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیند متانول به الفین ها، zsm-5 (alumminosilicate) و sapo یا (silicoalumminophosphate) می باشند. کاتالیزور زئولیتی zsm-5 با اندازه حفرات متوسط برای این فرآیند مناسب می باشد. در حالیکه الک-های مولکولی (مانند sapo) با اندازه حفرات کوچک، مناسب فرآیند تبدیل متانول به الفین است. مقایسه دو کاتالیزور zsm-5 و sapo-34 نشان می دهد که نسبت اتیلن به پروپیلن برای این دو کاتالیزور، به ترتیب 45/0 و 87/0 است که نشانگر تولید پروپیلن بیشتر توسط zsm-5 است. میزان تولید ترکیبات پنج کربنه نیز بر روی کاتالیزور zsm-5 شش مرتبه بیشتر از کاتالیزور sapo-34 است، در حالی که میزان متان تولیدی در دو کاتالیزور تقریباً یکسان است. در مورد سرعت غیر فعال شدن، کاتالیزور zsm-5 دیرتر از کاتالیزور sapo-34 غیر فعال می شود. در هر حال برای پژوهش مورد نظر ما که متانول به پروپیلن است پایه کاتالیزوری zsm-5 مناسب تر از sapo-34 می باشد. در این کار به خاطر یافتن کاتالیزور بهینه برای تولید پروپیلن از طریق فرآیند تبدیل متانول به پروپیلن، از عنصر فسفر و تعدادی از فلزات، جهت اصلاح نانو کاتالیزورh-zsm-5 استفاده شد. نانو ساختار زئولیتh-zsm-5 با نسبت سیلیس به آلومینیوم 100به عنوان پایه کالیزورها به کار رفت. فعالیت کاتالیزور با افزودن یک درصد وزنی از کلیسیم، منگنز، کروم، آهن، نیکل، نقره، سریم و عنصر فسفر بهبود یافت. بالاترین انتخاب پذیری برای پروپیلن از طریق کاتالیزور mn1%/h-zsm-5 به دست آمد. یک راکتور ایزوترمال، بستر ثابت و جریان قالبی (plug flow) برای انجام آزمایش ها به کار برده شد. مخلوط آب و متانول با نسبت مولی 80% به 20% به عنوان خوراک فرآیند استفاده شد. دمای واکنش در بازه 550-350 ? بود. سه دبی مختلف برای خوراک متانول به کار برده شد: 51/2، 42/5 و 17/8 h-1. یک مکانیسم واکنش بر اساس تلفیقی از تئوری های استخر هیدروکربنی و ترکیب مکانیسم-های متیلاسیون/ شکست (کراکینگ) برای واکنش تبدیل متانول به پروپیلن، پیشنهاد گردید. رفتار راکتور به صورت ریاضی، مدل سازی شد و الگوریتم ژنتیک هیبریدی برای تخمین پارامترهای سینتیکی، به کار گرفته شد. توافق خوبی بین داده های تجربی و نتایج به دست آمده از مدل سازی راکتور برقرار بود. وابستگی پارامترهای سینتیکی به دمای واکنش به وسیله رابطه اصلاح شده آرنیوس مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تأثیر دما بر انتخاب پذیری پروپیلن مورد مطالعه قرار گرفت.