Fliudized bed ODH of ehtane to ethylene : optimization modeling and catalyst development. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_thesis_Badawi.pdf Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذه البحث تمت دراسة اكسدة غاز الايثان الى الايثلين بانتزاع الهيدروجين بانتزاع الهيدروجين باستخدام VOx/γ-Al2O3-ZrO2 كحفاز في بيئة خالية من الاوكسجين، حيث تم تغيير نسب كل من ZrO2 و VOx لتحديد نسب الحفاز التي تعطي افضل اداء. نتائح تحليل TPR/TPO اظهرت ان الحفاز VOx/γ-Al2O3-ZrO2 نشط ومستقر اثناء دورات الاكسدة والاختزال. دراسة NH3-TPD و تحليل حركيات التفاعل في هذه الاختبار اعطت مؤشر الى ان حموضة الحفاز منخفضة بالاضافة الى ان تفاعلا المعدن مع الداعم متوسط. تم حساب الطاقه اللازمة لامتزاز الامونيا ووجد انها تعادل 75.4 ، 77.8 و80.5 ك.جول للنسب ZrO2 الى Al2O3 (2:1) ، (1:1) و(2:1) على التوالي. الزيادة في طاقة امتزاز الامونيا نسبة الى اضافة مركب اوكسيد الزركونيوم. ايضا تحليل الحفاز بواسطة XRD، Raman و FTIR اثبت وجود طور كريستالي من مركبات VOx . تم اختبار الحفاز باستخدام مفاعل CREC Riser Simulator المتميع في درجة حرارة من 525 الى 600 درجة مئوية وزمن تفاعل من 20-50 ثانية. الحفاز المكون من نسبة (1:1) ZrO2 الى Al2O3 والذي يحتوي على 10% VOx اعطى افضل نتائح من حيث انتقائية الايثلين والتي تعادل 91% واقل انتقائية لغازات اوكسيد الكربون والتي تعادل 9.7 % . في هذا البحث ايضا تم دراسة حركيات التفاعل لاكسدة الايثان الى الايثلين في بيئة خالية من الاوكسجين باستخدام ميكانيكية Langmuir-Hinshelwood المعدلة اخذين في الاعتبار كل التفاعلات المتوازية والمتزامنة وكذلك درجة اختزال الحفاز. نائج دراسة حركيات التفاعل اظهرت ان ثابت معدل تفاعل انتاج الايثلين 10 اضعاف ثابت معدل تفاعل انتاج COx وذلك يتوافق مع نتائج التفاعل التجريبية. وبالاضافة تم امثلة التفاعل باستخدام برنامج GAMS ونتائج دراسة حركيات التفاعل ووجد ان الانتقائية المثلى للايثلين 92% عند نسبة تحويل 5.6% للايثان. والظروف المثلى لتحقيق هذه النتائج النظرية هي 600 درجة مئوية و0.2 جم من الحفاز ومدة تفاعل تقدر ب 20 ثانية.

English Abstract

Oxidative dehydrogenation (ODH) of ethane to ethylene is investigated in a fluidized-bed with a gas phase oxygen free environment over VOx/γ-Al2O3-ZrO2 catalysts. In catalyst formulation, both ZrO2 and VOx loading are varied to obtain optimum catalytic performance. TPR/TPO results show that VOx/γ-Al2O3-ZrO2 catalyst is very reactive and stable in repeated reduction and oxidation cycles. NH3-TPD analysis and desorption kinetics modeling indicate that the modification of ZrO2 gives an intermediate catalyst acidity and medium metal-support interaction. The estimated energy of ammonia desorption is found to be 75.4, 77.8 and 80.5 kJ/g for Al2O3/ZrO2 ratio of 2:1, 1:1 and 1:2, respectively. The increasing energy of desorption is due to the increased metal support interaction for the additional ZrO2 content. XRD, Raman and FTIR analysis indicate the presence of crystal phases and VOx phases. The catalysts are evaluated in a fluidized CREC Riser Simulator in temperature range of 525-600 oC and 20-50 seconds contact time. The catalyst with Al2O3/ZrO2 ratio of 1:1 and 10 % VOx loading displays highest ethylene selectivity (91.3%) and minimum COx formation (9.7 %). The kinetics of gas phase oxygen free ODH of ethane is established by using a modified Langmuir-Hinshelwood type model considering all the series-parallel reactions. The reducibility of the catalysts is also incorporated in kinetic models. It appears that the specific reaction rate constant for ethylene formation is almost 10 times higher than that of the formation of COx which is consistent to the product selectivity data. Finally, reaction conditions are optimized with GAMS using kinetic parameters and proposed reaction network. Optimum ethylene selectivity found to be 92 % at 5.6% ethane conversion and these two are slightly higher than what obtained by experiment. Theoretical optimum operating conditions found to be 600 oC using 0.2 g catalyst and reaction time of 20 seconds.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Ba-Shammakh, Mohammed
Committee Members:	Al-ghamdi, sameer and Shaikh, Abdur razzak and Al-Shammari, Abdallah
Depositing User:	ABD ALWADO HASSAN ELBADAWI (g201203140)
Date Deposited:	05 Feb 2015 08:04
Last Modified:	01 Nov 2019 15:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139461