Μελέτη Της Καταλυτικής Δράσης Ζεολιθικών Δομών Με Μεταλλοκατιόντα Μεταβατικών Στοιχείων Στη Αντίδραση Της Αφυδρογόνωσης Του Προπανίου

Abstract

Οι ζεόλιθοι αποτελούν μια κατηγορία κρυσταλλικών αργιλοπυριτικών στερεών με μεγάλη ερευνητική και εμπορική αξία, καθώς παρέχουν τη δυνατότητα ελέγχου και τροποποίησης των φυσικοχημικών τους χαρακτηριστικών ανάλογα με τις απαιτήσεις της διεργασίας στην οποία χρησιμοποιούνται κάθε φορά. Τα δύο κύρια χαρακτηριστικά των ζεολίθων, στα οποία οφείλονται και οι περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές τους, είναι το σύστημα πόρων που διαθέτουν και οι όξινες θέσεις τους. Η δυνατότητα παρασκευής ζεολίθων με πόρους διαφόρων διαστάσεων και διαφορετικής δομής (σύστημα καναλιών ή κοιλοτήτων) βρίσκει εφαρμογή σε πολλές διεργασίες εκλεκτικής προσρόφησης/εκρόφησης αερίων ανάλογα με το σχήμα και το μέγεθος των μορίων τους. Από την άλλη πλευρά, η δυνατότητα τροποποίησης του αριθμού, του είδους και της ισχύος των οξίνων θέσεων που διαθέτουν οι ζεόλιθοι, τους κάνει εξαιρετικούς καταλύτες σε μεγάλο φάσμα αντιδράσεων βιομηχανικού ή εργαστηριακού ενδιαφέροντος.Το προπυλένιο είναι από τις βασικές πετροχημικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση μιας μεγάλης ποικιλίας πολυμερών και ενδιαμέσων προϊόντων. Η αυξανόμενη ζήτηση οδηγεί σε αναθεώρηση των σύγχρονων βιομηχανικών διεργασιών παραγωγής προπυλενίου. Μία κύρια οδός παραγωγής προπυλενίου είναι η απευθείας καταλυτική αφυδρογόνωση του προπανίου. Η συγκεκριμένη διεργασία είναι μακράν η αποδοτικότερη αλλά ιδιαίτερα δαπανηρή λόγω της υψηλής τιμής των καταλυτών, των υψηλών θερμοκρασιών που απαιτούνται και της υψηλής τιμής των πρώτων υλών (προπανίου) σε ορισμένες περιοχές του κόσμου. Οι ζεόλιθοι είναι φθηνά και ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά και μια ενδεχόμενη χρηστικότητά τους ως καταλυτών στην διεργασία της απευθείας αφυδρογόνωσης του προπανίου είναι μια ιδιαιτέρως δελεαστική οικονομικά πρόταση. Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση της καταλυτικής δράσης διαφόρων τύπων ζεολιθικών υλικών στην αντίδραση της αφυδρογόνωσης του προπανίου, η ερμηνεία της δραστικότητας και της εκλεκτικότητας προς συγκεκριμένα προϊόντα, των υπό μελέτη καταλυτών και η διαπίστωση είτε της καταλληλότητας αυτών των υλικών ως εναλλακτικών καταλυτών της απευθείας αφυδρογόνωσης του προπανίου προς προπυλένιο, είτε της βελτίωσης της εκλεκτικότητας σε προπυλένιο τροποποιημένων ζεολίθων-Υ και ZSM-5 κατά την χρήση τους ως καταλυτών στην διεργασία FCC.Με αυτό το σκοπό στην παρούσα διδακτορική διατριβή συντέθηκαν, χαρακτηρίσθηκαν με διάφορες τεχνικές μελέτης στερεών και δοκιμάσθηκαν καταλυτικά σε πρότυπο εργαστηριακό αντιδραστήρα αφυδρογόνωνσης προπανίου, διάφοροι τύποι μικροπορωδών (κυρίως ζεολιθικών) υλικών με μεταλλοκατιόντα μεταβατικών στοιχείων. Μελετήθηκαν οι αντιδράσεις οι οποίες λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση του προπανίου με τις επιφάνειες των υπό μελέτη καταλυτών και εξήχθησαν συμπεράσματα για τα αίτια της καταλυτικής συμπεριφοράς τους και τους τρόπους βελτιστοποίησής της. Το γενικότερο συμπέρασμα, που εξάγεται, είναι ότι υπό προϋποθέσεις οι ζεόλιθοι μπορούν να αποτελέσουν ιδιαίτερα δραστικούς και εκλεκτικούς καταλύτες αφυδρογόνωσης.