Ni-Doped-Bi-O Supported Catalysts for Selective Oxidative Dehydrogenation of N-Butane to Butadiene

Ni-Doped-Bi-O Supported Catalysts for Selective Oxidative Dehydrogenation of N-Butane to Butadiene. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Ahmed_Al-Qathmi_MS_Thesis_F.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 11 August 2022.

Download (7MB)

Arabic Abstract

تأثير أنواع أكاسيد المعادن المختلفة (المولوبيدنيوم ،المنقنيز،الزينك، الزينك-الحديد) على أكسيد النيكل مع البيزموث المحمول على األلموينا، تأثير إستبدال النيكل 100% نسبة وزنية و 50% من النيكل بإستخدام المعدلات مع الإحتفاظ ب 30 من النسبة الوزنية العامة لمعدن البيزموث لدراسة قدرة هذه المحفزات الكيميائية الصلبة المعدلة على نزع الهيدروجين المؤكسد من البيوتان لإنتاج البيوتاديين. في حالة المعادن األحادية الرئيسية،الترتيب من حيث أنتقائية في تحويل البوتان العادي هوالنيكل مقارنة مع المعدلات بنسبة وزنية 20 % من دون نيكل، بينما في حالة التركيبات الثنائية لإن النيكل مع الزينك هو أفضل أدآء، والثلاثية أفضلهم المحفز المعدل بالنيكل10%-الزينك 5%-الحديد5%، عمل على تحسين أنتقائية البيوتاديين من البيوتان العادي بشكل ملاحظ مقارنة بالمحفز غير المعدل. أظهر التركيب الثالثي النيكل-الزينك-الحديد )10 wt.% Ni-5 wt.% Fe-5 wt.% Zn-30 wt.% Bi-O/γ-AL2O3)األنتقائية األعلى للبيوتاديين و هي %49.0 عند أعلى نسبة تحويل و هي %18.6 مع أستقرار حفاز جيد نتج عنه تحسينات مضاعفة عن النيكل في أنتقائية البيوتاديين عن طريق الحديد و في نسبة تحويل البيوتان العادي عن طريق الزينك. المواقع الحمضية و القاعدية تم تعديلها التعديل األفضل عن طريق التركيب الثالثي للمعادن الرئيسية في أزدواج هرمية الجسيمات الصغيرة ألكاسيد المعادن الأساسية النيكل، الحديد و الزينك و يعمل مع كل من أكسيد البيزموث و األلمونيا على تسريع أنتقائية البيوتاديين عن الخطوتيين األولى و الثانية في نزع الهيدروجين المؤكسد. تم التحقق من هذه الحقيقة عن طريق تغير درجة حرارة اإلختزال إلى درجة حرارة أقل و تغيير خاصية الحمضية/ القاعدية إالى معتدلة مع إختزال الهيدروجين مبرمج درجة حرارة و إمتزاز ثاني أوكسيد الكربون/ النشادر، على التوالي. إستبدال جزء من النيكل مع المولوبيدنيوم و المنقنيز أظهر انخفاضا في الأداء مما يدل أساسا أنها ليست نشطة مثل أوكسيد الزينك والحديد في تعزيز دورة األكسدة واإلختزال من األنواع النشطة. تم التحقق من حركية التفاعلات الكيميائية لنزع الهيدروجين المؤكسد من البيوتان على الحفاز في مفاعل مثبت عند دراجات حرارة تتراوح من 500-400 درجة مئوية مع اخلاف نسبة المتفاعلات وهي نسبة الاكسوجين إلى البيوتان من 1 إلى 4 مول من جزئ الاكسوجين على مول من جزئ البيوتان الداخل للتفاعل.

English Abstract

The rapid increment of an automotive manufacturing is considered the main factor that drives the global market of butadiene. Butadiene (BD) is an essential petrochemical di-olefin for the production of acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polybutadiene rubber (PBR) and styrene-butadiene rubber (SBR) that are extensively utilized in synthetic rubber industries and other valuable products. Currently, C4 olefins including 1,3-butadiene are mostly produced as by-product from naphtha stream crackers to produce ethylene and propylene. However, nowadays the availability of the commercial butadiene supply from light olefin production plants is insufficient because of moving to lighter feedstocks from natural gas liquids (NGL) instead of naphtha. Dehydrogenation of n-butane to butadiene in the absence of oxidants (Air, O2, CO2, N2O) is considered as an alternate to steam and fluid catalytic cracking processes. However, this non-oxidative dehydrogenation of n-butane is an endothermic reaction that requires an intensive energy consumption to reach the optimum temperatures for achieving the acceptable conversion and yield of the selective olefins. Catalytic oxidative dehydrogenation of normal butane is an exothermic reaction due to the presence of the oxygen that requires low operational energy cost comparing with steam cracking, increases the catalyst lifetime by reducing the coke formation without a need for further regeneration processes, and forms the stable water as a by-product along with butadiene that overcomes the thermodynamic limitations. This research will contribute towards improving the butadiene production by developing a highly active, selective, and stable supported Ni-modified Bi-oxide catalysts for converting n-butane to butadiene by oxidative dehydrogenation reaction. This study aims to investigate the influence of various metal species (M= Mo, Mn, Zn and Fe-Zn) on the performance of the standard catalyst 20 wt.% Ni-30 wt.% Bi-O/γ-Al2O3. The 20 wt.% of the active metallic Ni was fully/partially substituted with the dopants to form Ni-doped-Bi-O based catalysts that optimize the catalytic properties such as the surface reducibility, the acid-base characteristics and the active oxides dispersion. The physio-chemical properties were evaluated by XRD, BET, SEM, HR-TEM, ICP, EDX, NH3-TPD, CO2-TPD and H2-TPR techniques and the main reaction operating parameters including reaction temperature, O2/n-butane feed ratio and space velocity were tested. Partial substitution of Ni by 50 wt.% dopant in the bimetallic catalysts improved the n-butane conversion and butadiene selectivity in a similar pattern of Ni-Zn > Ni-Mn > Ni-Mo, where all of them showed better performance than their mono metallic systems. The trimetallic doped Ni-Fe-Zn system (10 wt.% Ni-5 wt.% Fe-5 wt.% Zn-30 wt.% Bi-O/gamma alumina) attained the highest butadiene selectivity of 43.6% with n-butane conversion of 19.9%. The high catalytic performance of this ternary system is ascribed to the highly dispersion of small NiO and ZnO particles in the [2–5 nm] mesoporous regions and the synergetic effect of double improvement of Ni in the1st step dehydrogenation selectivity by Zn and in the 2nd step dehydrogenation selectivity by Fe.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Chemical Engineering
Research > Petrochemicals
Research > Engineering
Department: College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor: Malaibari, Zuhair Omar
Committee Members: Hossain, Mohammad Mozahar and Al-Shammari, Abdallah and Qureshi, Ziyauddin
Depositing User: AHMED AL QATHMI (g201182430)
Date Deposited: 18 Aug 2021 07:38
Last Modified: 18 Aug 2021 07:38
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141942