ارتقای عملکرد کاتالیست کبالت در سنتز فیشرتروپش با بهره‌گیری از زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت: مطالعه تجربی و بهینه‌سازی واکنش

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران
2 دانشیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران
3 استاد، گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران
20.1001.1/ijge.2026.2095634.1131
چکیده
فرآیند فیشر-تروپش نقشی کلیدی در تبدیل سنتزگاز به هیدروکربن‌های مایع و گازی ایفا می‌کند؛ بااین‌حال، عملکرد کاتالیست‌های کبالت به‌شدت به ویژگی‌های پایه و شرایط عملیاتی وابسته است. در این مقاله، زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت به‌عنوان پایه‌ای در دسترس و اقتصادی برای کاتالیست کبالت در سنتز فیشرتروپش بررسی و اثر هم‌زمان دما و فشار بر عملکرد کاتالیستی و توزیع محصولات در رآکتور بستر ثابت ارزیابی شد. زئولیت طبیعی تهیه شده از معادن سمنان به روش فیزیکی و شیمیایی آماده سازی و سپس کاتالیست تک فلزی کبالت به روش تلقیح خشک تهیه گردید. اثر دمای واکنش در محدوده ۲۰۰–275 درجه سلسیوس و فشار ۲–5 بار بر تبدیل مونوکسیدکربن و گزینش‌پذیری محصولات هیدروکربنی شامل متان، اتیلن، پروپیلن و هیدروکربن‌های سنگین (C5+) بررسی گردید. به‌منظور تعیین اثرات خطی، برهم‌کنشی و درجه دوم متغیرهای عملیاتی، از روش سطح پاسخ و تحلیل واریانس استفاده شد و شرایط بهینه با رویکرد بهینه‌سازی چندهدفه تعیین گردید. یافته‌ها نشان داد افزایش دما به طور چشمگیری درصد تبدیل کربن مونوکسید را افزایش می‌دهد. همچنین، افزایش فشار در دمای ۲۷۵ درجه سلسیوس، ضمن بهبود راندمان کاتالیست، گزینش‌پذیری هیدروکربن‌های سنگین (C5+) و متان را افزایش داد. علاوه‌براین، هر دو پارامتر دما و فشار باعث افزایش گزینش‌پذیری اتیلن گردید. مدل‌های چندجمله‌ای توسعه‌یافته، توانستند تأثیر شرایط عملیاتی را بر گزینش‌پذیری تولید متان، اتیلن، پروپیلن و هیدروکربن‌های سنگین پیش‌بینی نمایند. بهینه‌سازی چندهدفه با هدف بیشینه‌سازی تبدیل کربن مونوکسید و گزینش‌پذیری اتیلن و کمینه‌سازی گزینش‌پذیری متان، شرایط بهینه 236 درجه سلسیوس و 85/3 بار را تعیین کرد که در آن تبدیل CO برابر 69 درصد و گزینش‌پذیری اتیلن برابر 1/2 درصد پیش‌بینی شد. نتایج نشان داد که کلینوپتیلولیت طبیعی می‌تواند به‌عنوان پایه‌ای اقتصادی و کارآمد برای کاتالیست کبالت در فرآیند فیشرتروپش مورد استفاده قرار گیرد. دقت بالای مدل‌های آماری و معنی‌داری اثرات متقابل متغیرهای عملیاتی، اهمیت بهینه‌سازی هم‌زمان دما و فشار را در کنترل تبدیل CO و توزیع محصولات نشان می‌دهد. این یافته‌ها ظرفیت کلینوپتیلولیت طبیعی را برای توسعه کاتالیست‌های کم‌هزینه و فرآیندهای فیشرتروپش با عملکرد قابل‌کنترل تأیید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Enhancing the Performance of Cobalt Catalyst in Fischer-Tropsch Synthesis Using Natural Clinoptilolite Zeolite: Experimental Study and Optimization

نویسندگان English

Mohammad Zarei 1
Seyyed Hossein Zohdi 2
Jafar Sadeghi 2
Ali Akbar Mirzaei 3
1 M.Sc. Student, Department of chemical engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchetan, Zahedan, Iran
2 Associate Professor, Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
3 Professor, Department of Chemistry, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
چکیده English

The Fischer–Tropsch process plays a pivotal role in converting syngas into liquid and gaseous hydrocarbons; however, the performance of cobalt-based catalysts is strongly dependent on support characteristics and operating conditions. In this study, natural Clinoptilolite zeolite was investigated as an accessible and cost-effective support for a cobalt catalyst in Fischer–Tropsch synthesis, and the simultaneous effects of temperature and pressure on catalytic performance and product distribution were evaluated in a fixed-bed reactor. The natural zeolite, obtained from the Semnan mines, was prepared via physical and chemical treatment methods, and the monometallic cobalt catalyst was subsequently synthesized using the dry impregnation technique. The effects of reaction temperature in the range of 200–275 °C and pressure in the range of 2–5 bar on carbon monoxide conversion and selectivity toward hydrocarbon products, including methane, ethylene, propylene, and heavy hydrocarbons (C₅⁺), were investigated. To determine the linear, interaction, and quadratic effects of the operating variables, response surface methodology combined with analysis of variance was employed, and optimal conditions were established through a multi‑objective optimization approach. The findings revealed that increasing temperature significantly enhances carbon monoxide conversion. Moreover, raising the pressure at 275 °C concurrently improved catalyst efficiency while increasing selectivity toward both heavy hydrocarbons (C₅⁺) and methane. Furthermore, both temperature and pressure were found to increase ethylene selectivity. The developed polynomial models successfully predicted the influence of operating conditions on the selectivity of methane, ethylene, propylene, and heavy hydrocarbon production. Multi‑objective optimization, aiming at maximizing CO conversion and ethylene selectivity while minimizing methane selectivity, determined the optimum conditions as 236 °C and 3.85 bar, under which CO conversion and ethylene selectivity were predicted to be 69% and 2.1%, respectively. The results demonstrated that natural Clinoptilolite can serve as an economical and efficient support for cobalt catalysts in the Fischer–Tropsch process. The high accuracy of the statistical models and the significance of the interaction effects between operating variables underscore the importance of simultaneous optimization of temperature and pressure in controlling CO conversion and product distribution. These findings confirm the potential of natural Clinoptilolite for developing low‑cost catalysts and Fischer–Tropsch processes with controllable performance.

کلیدواژه‌ها English

Hydrogenation of carbon monoxide
Clinoptilolite
Multi-objective optimization
Ethylene
Selectivity

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 18 شهریور 1405

  • تاریخ دریافت 04 مرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 15 شهریور 1405
  • تاریخ پذیرش 18 شهریور 1405