Catalyst development for oxidative dehydrogenation of alkanes
Alkanların oksidatif dehidrojenasyonu için katalizör geliştirilmesi
- Tez No: 924382
- Danışmanlar: PROF. DR. MELTEM DOĞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Kimya Mühendisliği, Chemistry, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 200
Özet
Yürütülen çalışmada, izobütanın oksidatif dehidrojenasyonunda (ODH) kullanılmak üzere yüksek aktivite ve yüksek seçicilik yanında hidrotermal kararlılığa sahip krom temelli katalizörlerin hazırlanması amaçlanmıştır. Katalizör hazırlama çalışmalarında MCM-41 desteğin hidrotermal kararlılığını artırmak üzere titanyum ile modifikasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Hidrotermal testler, yapıya kütlece %2,5 oranında eklenen titanyumun güçlü Ti-O-Si ve Ti-OH bağları oluşturarak MCM-41 yapısının hidrotermal kararlılığını artırdığını göstermiştir. Ti-MCM-41 destekli katalizörler, yapılarında kütlece %3, %6 ve %10 krom içerek şekilde hidrotermal sentez ve emdirme yöntemleriyle hazırlanmıştır. Reaksiyon için uygun i-C4H10/CO2 molar oranını belirlemek amacıyla yürütülen çalışmalarda en iyi besleme oranı 1/5 olarak tespit edilmiştir. Hazırlanan Cr temelli katalizörler içinde en yüksek izobütan dönüşümü (%92) ve izobüten seçicilik değeri (%98) yapısında kütlece %10 krom bulunan hidrotermal sentez yöntemiyle hazırlanan katalizörde tespit edilmiştir. Titanyum ile yapılan modifikasyon işleminin katalizörün katalitik aktivitesine etkisini belirlemek amacıyla yapısında titanyum bulunmayan katalizör (10Cr/MCM-41) ile de katalitik testler yürütülmüştür. Yapıya eklenen titanyum ile artan hidrotermal kararlılık yanında artan hidrofiliklik özelliğinin yüksek dönüşüm ve seçicilik sağladığı gösterilmiştir. Farklı reaktör sıcaklıklarında (500℃ ve 600℃) yürütülen katalitik test çalışmaları, düşük sıcaklıkta endotermik ters su gazı reaksiyonun gerçekleşmediğini ve bunun sonucu olarak da düşük izobütan dönüşümü ve izobüten seçicilik değerlerinin gözlendiğini göstermiştir. Düşük temas süresine karşılık gelen yüksek kütlesel akış hızı (WHSV) değerinde çalışıldığında reaktantların katalizör yüzeyine adsorplanmasının güçleşmesine bağlı olarak daha düşük izobüten seçicilik değerleri gözlenmiştir. Düşük temas sürelerinde reaksiyonun başlangıcında ters su gazı reaksiyonunun gerçekleşmediği, ortamda fazla bulunan CO2'in yüzey asitliğini artırarak reaksiyon aktivitesini olumsuz etkilediği de gösterilmiştir. 10Cr/Ti-MCM-41 katalizörü üzerinde izobütan ODH reaksiyonu için üst kuralı yöntemiyle hız ifadesi geliştirilmiştir. Deneysel olarak belirlenen reaksiyon mertebesi izobütana göre 0,82 ve CO2'e göre 0,03 olarak bulunmuştur. Reaksiyon aktivasyon enerjisi 27,9 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Reaktör modelleme çalışmalarında deneysel ve model sonuçları arasındaki farklılık, reaktörde gerçekleşen yan reaksiyonlar ile açıklanmıştır. Mars–van Krevelen mekanizmasına göre geliştirilen reaksiyon modelinin deneysel çalışma sonuçları ile uyumlu görülmüştür. Reaktör sisteminde ısı ve kütle transfer sınırlamalarının olmadığı gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this study, the aim was to synthesize chromium-based catalysts with high activity, selectivity, and hydrothermal stability for the oxidative dehydrogenation (ODH) of isobutane. To enhance the hydrothermal stability of the MCM-41 support, a modification with titanium was performed. Hydrothermal tests showed that the addition of 2.5 wt.% titanium increased the hydrothermal stability of the MCM-41 structure by forming strong Ti-O-Si and Ti-OH bonds. Ti-MCM-41 supported catalysts were then synthesized using both hydrothermal and impregnation methods, with chromium loadings of 3 wt.%, 6 wt.%, and 10 wt.%. In studies conducted to determine the appropriate i-C4H10/CO2 molar ratio for the reaction, the optimal feed ratio was found to be 1/5. Among the Cr-based catalysts prepared, the one containing 10 wt.% chromium, synthesized using the hydrothermal method, exhibited the highest isobutane conversion (92%) and isobutene selectivity (98%). Catalytic tests were also conducted with a titanium-unmodefied catalyst (10Cr/MCM-41) to determine the effect of titanium modification on catalytic activity. It was shown that, in addition to the increased hydrothermal stability provided by the titanium, the enhanced hydrophilic properties also contributed to high conversion and selectivity. Catalytic tests conducted at different reactor temperatures (500°C and 600°C) showed that the endothermic reverse water-gas shift reaction did not occur at lower temperatures, resulting in lower isobutane conversion and isobutene selectivity values. At higher WHSV (weight hourly space velocity), which correspond to shorter contact times, lower isobutene selectivity values were observed, due to the difficulty of reactant adsorption on the catalyst surface. It was also noted that at shorter contact times, the reverse water gas shift reaction did not take place initially, and the presence of excess CO2 increased surface acidity, which negatively impacted reaction activity. A rate expression for the isobutane ODH reaction on the 10Cr/Ti-MCM-41 catalyst was developed using the power-law method. The experimentally determined reaction orders were found to be 0.82 for isobutane and 0.03 for CO2. The activation energy for the reaction was calculated as 27.9 kJ/mol. In reactor modeling studies, the discrepancy between the experimental and model results was attributed to side reactions occurring in the reactor. The reaction model, developed based on the Mars–van Krevelen mechanism, and the experimental results showed consistency. It was confirmed that there were no heat or mass transfer limitations within the reactor system.
Benzer Tezler
- Oxidative cross-dehydrogenative coupling of terminal alkynes with thiols using Cu(I) incorporated Schiff base network polymer as catalyst
Uç alkinler ile tiyollerin Cu(I) bağlanmış Schiff baz ağ polimeri katalizörü eşliğinde oksidatif çapraz dehidrojenatif birleştirme reaksiyonları
YONCA ALKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF YAĞCI
- Kinetic studies for the catalytic oxidative dehydrogenation of isobutane
İzobütanın katalitik oksidatif dihidrojenasyonu için kinetik çalışmalar
SELDA ÖNEN
Doktora
İngilizce
1997
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TİMUR DOĞU
- Propanın katalitik seçici oksidasyonu ile propilen eldesi için destekli ve desteksiz karışık metal oksit katalizör geliştirilmesi ve kinetik çalışmalar
Devolopment of supported and unsupported mixed metal oxide cataysts and kinetics studies for propylene production by catalytic selective oxidation of propane
ÖZGE AKTAŞ PANTA
Doktora
Türkçe
2014
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SENA YAŞYERLİ
PROF. DR. GÜLŞEN DOĞU
- Mesoporous graphitic carbon nitride supported CoPd alloy nanoparticles as catalysts for various reactions of terpenes
Terpenlerin çeşitli dönüşüm tepkimeleri için mezogözenekli grafitik karbon nitrüre destekli CoPd alaşım nanokatalizörleri
AHSEN SARE YALIN
- Metanol buhar reformasyonu prosesi için bakır bazlı katalizör geliştirilmesi
Cupper based catalyst development for methanol steam reformining process
UMAR YAWUZ HASSAN UMAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA ÇİĞDEM GÜLDÜR