Investigation of the Pore Structures of Hierarchical Y and ZSM-5 Zeolites for Fluid Catalytic Cracking Catalyst via Experimental and Computational Approaches. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) MS_Thesis_ Nida Tasneem.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 27 May 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

الهيكل الميكروي المسامي، واالنتقائية الشكلية، وقدرة التبادل األيوني، والحموضة القوية للزيوليت والمن ّخالت الجزيئية البلورية المماثلة جعلتها تُستخدم على نطاق واسع في مختلف العمليات والتفاعالت الصناعية .ومع ذلك، فإن القنوات .الضيقة وحجم المسام الصغير، التي تمنع الجزيئات الكبيرة من االنتشار، غالبًا ما تحد من قابليتها للتطبيق العملي ولذلك، تم مؤخ ًرا دراسة الزيوليتات الهرمية كمحفزات ضمن إطار ميكروي-ميسوبوري لتحسين النقل الفيزيائي للجزيئات المتفاعلة الكبيرة من خالل التخلص من قيود االنتشار .تركز هذه الدراسة على تطوير محفزات التكسير لتعزيز إنتاج البروبلين واألوليفينات الخفيفة من -5ZSMالهرمي و Y باستخدام الزيوليت (FCC (التحفيزي السائل وقد تم إنشاء أنواع مختلفة من الزيوليتات الهرمية ذات المسامية المتحكم بها باستخدام الترشيح .VGO المواد الخام .(CTAB (الحمضي/القاعدي وتقنية القوالب السطحية باستخدام مركب سيتيل ثالثي أمونيوم بروميد والهرمية بدقة باستخدام تقنيات حيود (-5ZSMو Y-Na (تم فحص الخواص الفيزيائية-الكيميائية للعينات األصلية وبرمجة ،(SEM (والمجهر اإللكتروني الماسح ،(TGA (والتحليل الوزني الحراري ،(XRD (األشعة السينية وامتزاز/إزالة امتزاز النيتروجين ،(EDX (وتحليل طاقة التشتت ،(TPD₃-NH (امتزاز/إزالة االمتزاز لألمونيا ،تكونت المصفوفة من الكاولين .FCC تمت إضافة مصفوفة غير بلورية وزيوليتات معدّلة إلى تراكيب محفزات .(₂N( إلى معالجة مائية حرارية FCC ومادة رابطة من السيليكا سول، والسيليكا-ألومينا غير البلورية .خضعت محفزات .قبل االختبار C°بالبخار لمدة ست ساعات عند درجة حرارة 810 xviii ،(HCO (والديزل الثقيل ،(LCO (لتحديد نواتج البنزين، والديزل الخفيف C°تم تقييم أداء المحفزات عند 550 أ اختبارات المحفزات باستخدام جهاز اختبار النشاط الميكروي ُ والبروبلين، واألوليفينات الخفيفة، وفحم الكوك . جريت أظهرت االختبارات التحفيزية أن محفز .(VGO (وباستخدام مادة التغذية من زيت الغاز الفراغي (MAT (الثابت من 60 %إلى ،%69 ورفع بشكل ملحوظ إنتاج البروبلين VGO الهرمي ح ّسن تحويل -5ZSM المعتمد على FCC التي تحتوي على FCC إلى 12 %وزنيًا، مع الحفاظ على معدالت جيدة إلنتاج البنزين .ومع ذلك، أظهرت محفزات .ويُعزى ذلك إلى انخفاض الحموضة والنشاط التحفيزي ،HCO تحوي أقل وزيادة في ناتج ًال الهرمي -5ZSMو Y ًء تحفيزيًا بشكل عام، فإن إدخال المسامية المتوسطة في الزيوليتات ح ّسن االنتشار، ورفع االنتقائية للمنتجات، وحقق أدا .مستقب ًال FCC أمثل، مما يوفر استراتيجية واعدة لتصميم محفزات الهرمية ذات أحجام مسامية مختلفة باستخدام برنامج Y باإلضافة إلى ذلك، تم تطوير نماذج ذرية لهياكل الزيوليت وتمت دراستها من خالل محاكاة االمتزاز .كشفت تحليالت االمتزاز عن تكّون المسامية ،Studio Materials واضح في الهياكل ذات األحجام المسامية 32 أنغستروم و41 (hysteresis (المتوسطة، حيث لوحظ وجود تخلف .أنغستروم، مما يؤكد نشوء المسامية الثانوية ،تم التحقق من صحة النتائج الحاسوبية، والتي شملت متساويات االمتزاز، وتوزيع حجم المسام، والمساحة السطحية وحجم المسام، من خالل النتائج التجريبية .وقد أثبت دمج التصميم الحاسوبي مع التحقق التجريبي أنه أمر بالغ األهمية في تحسين هياكل الزيوليت الهرمي، مما يبرز استراتيجية واعدة لتطوير الجيل القادم من محفزات التكسير التحفيزي .(FCC (السائل

English Abstract

The microporous structure, shape selectivity, ion-exchange capacity, and strong acidity of zeolites and similar crystalline molecular sieves have made them widely used in various industrial processes and reactions. However, the narrow channels and small pore size that prevent bigger molecules from diffusing generally limit their practical applicability. Therefore, hierarchical zeolites have been recently investigated as catalysts by a micro-mesoporous framework to improve the physical transport of large reactant molecules by eliminating the diffusion limitations. This study focuses on developing FCC catalysts using hierarchical Y-zeolite and ZSM-5 to enhance the production of propylene and light olefins from VGO feedstocks. Acid/base leaching and surfactant templating with Cetyltriammoniumbromide (CTAB) created different kinds of hierarchical zeolites with controlled mesoporosity. Using XRD, TGA, SEM, NH3-TPD, EDX, and N2-ads/desorption techniques, the physico-chemical properties of the parent (Na-Y and ZSM-5) and hierarchical samples were thoroughly examined. An amorphous matrix and modified zeolites were added to FCC catalyst compositions. Kaolin, a silica sol binder, and amorphous silica-alumina made up the matrix. The FCC catalysts underwent hydrothermal treatment by steaming for six hours at 810°C before testing. To ascertain the yields of gasoline, LCO, HCO, propylene, light olefins, and coke, catalyst performance was assessed xvi at 550°C. In a fixed-bed Micro Activity Test (MAT) equipment, catalyst testing was carried out using the feedstock of vacuum gas oil (VGO). Catalytic testing showed that hierarchical ZSM-5-based FCC catalyst improved VGO conversion from 60% to 69% and significantly enhanced propylene yield to 12 wt%, while maintaining good gasoline yields. However, FCC catalysts containing hierarchical Y and ZSM-5 exhibited lower conversion and increased HCO yield, attributed to reduced acidity and catalytic activity. Overall, introducing mesoporosity into zeolites improved diffusion, enhanced product selectivity, and optimized catalytic performance, offering a promising strategy for future advancements in FCC catalyst design. In addition, Atomistic models of hierarchical Y-zeolite structures with varying pore sizes were developed using Materials Studio and characterized through sorption simulations. Sorption analysis revealed the formation of mesoporosity, with clear hysteresis observed for structures with pore sizes of 32 Å and 41 Å, confirming the development of secondary porosity. The computational results, including adsorption isotherms, pore size distribution, surface area, and pore volume, were validated through experimental results. Integrating computational design with experimental validation proved vital in optimizing hierarchical zeolite structures, demonstrating a promising strategy for rationalizing next-generation FCC catalysts

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Al-Asiri, Hassan
Committee Co-Advisor:	Ahmed, Shakeel
Committee Members:	Hossain, Mohammad Mozahar and Malaibari, Zuhair Omar and Abdur Razzak, Shaikh
Depositing User:	NIDA TASNEEM (g202216060)
Date Deposited:	28 May 2025 06:50
Last Modified:	28 May 2025 06:50
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143477