30074

بررسي عوامل موثر بر ساخت و بهينه سازي كاتاليزگر پايه آلومينايي به منظور اكسيداسيون اتيلن با كمك فرايند يادگيري ماشين

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي- سراميك

1400

1402/6/29

دكتر حسين سرپولكي و دكتر هاجر قنبري

مهندسي مواد و متالورژي

اكسيداتيلن از مهم‌ترين مواد مصرفي در صنايع پتروشيمي است كه معمولاً با استفاده از كاتاليزگر نقره‌/آلومينا، در معرض گاز اتيلن و اكسيژن توليد مي‌شود. اين كاتاليزگر به كمك تلقيح فلز نقره و ساير تقويت‌كننده‌ها روي پايه‌ي آلفاآلومينا بدست مي‌آيد. در اين پژوهش با استفاده از رويكرد يادگيري ماشين، مهم‌ترين ويژگي‌هاي پايه و كاتاليزگر نهايي مشخص و بهينه‌شد. ابتدا با كمك تحليل 313 داده‌ي جمع‌آوري شده از منابع، محدوده‌ي بهينه‌ي موثر‌ترين ويژگي‌هاي پايه، روي انتخاب‌پذيري كاتاليزگر يعني سطح‌ويژه‌ي پايه و استحكام آن بدست آمد و بر اين اساس 14 فرمولاسيون مختلف پايه مخلوط و به كمك روش اكستروژن شكل‌دهي و عمليات حرارتي شد. پايه‌ي بهينه داراي سطح ويژه‌ي m2/g 80/2 و استحكام kgf 30/31 (N 74/306) بود. در مرحله‌ي ‌بعد، چهار مدل خطي، درخت تصميم، جنگل تصادفي و ارتقاء گراديان، طراحي و روي داده‌هاي جمع‌آوري‌شده به منظور پيش‌بيني انتخاب‌پذيري كاتاليزگر، آموزش داده‌شد كه از اين ميان، مدل ارتقاء گراديان بهترين عملكرد را با دقت % 78 و خطاي مطلق 6-5 داشت. سپس مدل پيشنهادكننده طراحي‌شد و مقدار بهينه‌ي نقره، نوع تقويت‌كننده‌ها و شرايط بهينه‌ي راكتور به منظور دستيابي به بالاترين انتخاب‌پذيري از مدل پيشنهادكننده بدست‌آمد. كاتاليزگرهاي نهايي در دو مرحله ساخته‌شدند، در مرحله‌ي اول پايه‌هاي ساخته‌شده (براساس تركيب بهينه‌ي پايه) در محلول حاوي نقره تلقيح شدند و در مرحله‌ي دوم، با محلول‌هاي حاوي تقويت‌كننده‌هاي سزيم، كلر و سديم فعال گرديدند. در نهايت نمونه‌ها با روش‌هاي مشخصه‌يابي سطح ويژه (BET)، آناليز فازي (XRD)، آناليز جذب/واجذب (TPD-O2)، آناليز عنصري (AAS) و آناليز ريزساختاري(FESEM) بررسي گرديدند. كاتاليزگرها بعد از تلقيح نقره، داراي چگالي ظاهري g/cm3 75/2 و چگالي حجمي g/cm3 42/1 بودند؛ همچنين طبق آناليز عنصري و فازي، مقدار نقره فلزي و آلفاآلومينا به ترتيب 60/9 درصدوزني و 12/90 درصدوزني بدست‌آمد. درنهايت با توجه به پيش‌بيني مدل، كاتاليزگر با تقويت‌كننده‌ها‌ي سزيم و كلر، بالاترين انتخاب‌پذيري با مقدار % 76±5 را داشت. همچنين كاتاليزگرهاي تلقيح‌شده با نقره با زمان‌هاي سي ثانيه و يك ساعت، به ترتيب داراي سطح ويژه‌ي حدود m2/g 70/3 و m2/g 45/2 بودند. همچنين كاتاليزگرتلقيح‌شده با نقره در يك ساعت، در آناليز TPD-O2 ، عملكرد بهتري نسبت به تلقيح سي ثانيه از خود نشان داد. در نهايت طبق آناليز TPD-O2 كاتاليزگرهاي حاوي تقويت‌كننده‌هاي كلر و سزيم بهترين عملكرد و بيش‌ترين مقدار جذب/واجذب اكسيژن مولكولي و اتمي را در مقايسه با ساير كاتاليزگرها داشتند. در نقشه‌ي بدست‌آمده از آناليز ريزساختاري نيز، حضور عناصر كلر و سزيم در كاتاليزگر نهايي، و يكنواختي پراكندگي آن‌ها تاييد شد.

1402/08/08

Investigating the factors affecting the construction and optimization of alumina-based catalyst for ethylene oxidation with the help of machine learning process

9/19/2024 12:00:00 AM

Oxidethylene is one of the most important consumables in the petrochemical industry, which is usually produced using silver/alumina catalyst, exposed to ethylene gas and oxygen. This catalyst is obtained by impregnating silver metal and other enhancers on alpha alumina base. In this research, using the machine learning approach, the most important features of the base and the final catalyst were identified and optimized. First, with the help of the analysis of 313 data collected from the sources, the optimal range of the most effective characteristics of the base was obtained on the selectivity of the catalyst, that is, the specific surface of the base and its strength, and based on this, 14 different formulations of the base were mixed and shaped and heat treated using the extrusion method. The optimal foundation had a specific surface area of 2.80 m2/g and a strength of 30.31 kgf (N 306.74). In the next step, four linear models, decision tree, random forest and gradient promotion, were designed and trained on the collected data in order to predict the selectivity of the catalyst. had 5 Then the proposer model was designed and the optimal amount of silver, the type of boosters and the optimal conditions of the reactor were obtained from the proposer model in order to achieve the highest selectivity. The final catalysts were made in two stages, in the first stage, the prepared bases (based on the optimal composition of the base) were inoculated in a solution containing silver, and in the second stage, they were activated with solutions containing cesium, chlorine and sodium boosters. Finally, the samples were analyzed by specific surface area (BET), phase analysis (XRD), adsorption/desorption analysis (TPD-O2), elemental analysis (AAS) and microstructure analysis (FESEM). After silver inoculation, the catalysts had an apparent density of 2.75 g/cm3 and a volume density of 1.42 g/cm3; Also, according to elemental and phase analysis, the amount of metallic silver and alpha-alumina was found to be 9.60% by weight and 90.12% by weight, respectively. Finally, according to the prediction of the model, the catalyst with cesium and chlorine boosters had the highest selectivity with a value of 5±76%. Also, the catalysts inoculated with silver with the times of thirty seconds and one hour had a specific surface of about 3.70 m2/g and 2.45 m2/g, respectively. Also, the catalyst inoculated with silver in one hour, in the TPD-O2 analysis, showed a better performance than the inoculation of thirty seconds. Finally, according to the TPD-O2 analysis, the catalysts containing chlorine and cesium boosters had the best performance and the highest molecular and atomic oxygen absorption/desorption compared to other catalysts. In the map obtained from the microstructural analysis, the presence of chlorine and cesium elements in the final catalyst, and the uniformity of their distribution, were confirmed.

كاتاليزگر آلومينا نقره

alumina silver catalyst

haniye abbasi fashami

hossein sarpolaky hajar ghanbari