شبيه‌سازي افزايش بازده توليد الفين‌هاي سبك از متانول با استفاده از كاتاليست زئوليتي HZSM-5

Simulation of increasing of light olefins production yield from methanol using HZSM-5 zeolite catalysis

الفين‌هاي سبك (اتيلن، پروپيلن و بوتيلن) مي‌توانند به‌صورت مستقل از منابع نفتي و با استفاده از متانول توليد شوند. در اين پژوهش، كاتاليست HZSM-5 به روش آب‌گرمايي تهيه‌شده و با روش‌هاي پراش پرتو ايكس (XRD)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (FE-SEM)، جذب-واجذب نيتروژن (BET)، طيف‌سنجي فروسرخ تبديل فوريه (FT-IR) و جذب-واجذب آمونياك (NH3-TPD) شناسايي شد. كاتاليست داراي ريخت‌شناسي ميكروكره بود كه منجر به ايجاد ساختار مزو حفره و تسهيل فرايند نفوذ شد. براساس نتايج تعيين مشخصه، كاتاليست داراي بلورينگي و مساحت سطح بالا و ويژگي اسيدي مناسب بود. نتايج نشان داد كه مقدار تبديل متانول در حضور اين كاتاليست بالا (99/5 %) و گزينش‌پذيري آن براي الفين‌هاي سبك بالا (82 %) بود. همچنين، طول عمر كاتاليست (72ساعت) به‌نسبت بالا بود. به منظور بهبود بيشتر بازده توليد، واكنش‌ها و سينيتيك‌هاي مناسب منطبق بر عملكرد كاتاليست تعيين و فرايند تبديل متانول به الفين‌ها (MTO) شبيه‌سازي شد. نتايج شبيه‌سازي و آزمايش‌هاي تجربي همخواني بسيار خوبي نشان دادند. با بهينه‌سازي عامل‌هاي سينيتيكي و عملياتي فرايند MTO، مقدار تبديل متانول به 100 % و گزينش‌پذيري كاتاليست براي الفين‌هاي سبك به 94/1 % افزايش پيدا كرد. بررسي عملكرد كاتاليست براي فرايند MTO در شرايط عملياتي بهينه به‌دست آمده نيز نتايج شبيه‌سازي را تأييد كرد كه نشانگر كاربردي بودن شبيه‌سازي و بهينه‌سازي انجام‌ شده است.

Light olefins (ethylene, propylene, and butylene) can be produced from methanol through non-oil route. In this study, HZSM-5 catalyst was synthesized by hydrothermal method and characterized using X-ray diffraction (XRD), Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), N2 adsorption-desorption (BET), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and NH3 temperature programmed desorption (NH3-TPD) analysis. The catalysis included microsphere morphology which led to mesoporous structure formation and acceleration of diffusion. Based on characterization, the catalysis represented high crystallinity, high surface area and appropriate acidity properties. The results showed that the catalysis provided high methanol conversion (99.5%), selectivity of light olefins (82%), and long-term catalytic lifetime (72h). In order to increase the production yield, suitable reaction groups and kinetics in consistent with the catalysis performance was determined and methanol to olefin (MTO) process was simulated. The simulation results showed well agreement with the experimental data. Optimization of kinetic and operational parameters of MTO resulted in high methanol conversion and light olefins selectivity as 100 % and 94.1 %, respectively. The catalysis performance in the MTO process under the optimized operational conditions was confirmed the simulation results which indicated practicality of applied simulation and optimization.