Date of Award

6-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Kaushik Sivaramakrishnan

Second Advisor

Mohammednoor Al Tarawneh

Abstract

The hydrogenation of 1,3 Butadiene (BD) is an important industrial process that is generally used to generate butene, which is a key feedstock to produce a variety of chemicals such as polymers, plastic, and synthetic rubber. This process involves reacting BD with hydrogen using different metallic Ni-based catalysts. In this study, Ni/Al2O3 and Ni/Nb2O5 catalysts were used and investigated to perform the hydrogenation reaction because of their commercial availability, effective hydrogenation activity, and affordability compared to Platinum Group Metal (PGM) catalysts.

The catalytic reactions were conducted using a quartz tube reactor between a temperature range of 50 and 400°C at regular intervals of 50°C under operating pressures of 1 atm. A comprehensive analysis of the products from the reaction was done using Gas-Chromatography with Mass Spectrometry (GC-MS) detector, where we noticed both mono-substituted aromatics, and gases products such as butenes. We noticed that a 100% conversion of BD occurred at 200°C and collaborated our GC-MS results with infrared spectroscopy in order to develop a reaction mechanism and confirm the presence of certain products. In this way, we show the low-temperature conversion of BD represents an economically efficient method to add value to less-useful, more-reactive hydrocarbons with conjugative double bonds into high-value petrochemicals such as Benzene, Toluene and Xylene (BTX).

The oxidation of butadiene is an efficient method of converting unsaturated hydrocarbons with a high degree of toxicity like butadiene to less harmful products such as CO2. For this purpose, we investigate the use of Ni and Cu based catalysts such as 5% Ni/Al2O3, 5% Ni/Nb2O5 and 5-10% Cu-CeO2/Nb2O5 to analyze the different products possible, their chemical nature, selectivity/relative yields, and through GC-MS, Gas Chromatography-Thermal Conductivity Detector (GC-TCD) and infrared spectroscopy (FTIR) techniques. Furthermore, in order to investigate the catalysts’ properties, their structure and its effect on the hydrogenation and oxidation reactions more deeply, we employed comprehensive characterization methods such as X-Ray Diffraction (XRD), FTIR, Scanning Electron Microscopy with Energy-Dispersive Spectra (SEM-EDS), Nitrogen Adsorption and Desorption (N2-adsorption-desorption), Thermogravimetric Analysis (TGA) and Hydrogen-Temperature Programmed Reduction (H2-TPR). An important side product obtained in our reactions was acetaldehyde, which was a result of carbonylation of the double bonds in BD. The results show the role of ceria and niobium supports to enhance the catalyst performance and activity by changing the oxygen vacancies and their capability to store oxygen. With their role in both metallic based catalysts, Ce and Nb activated copper oxide surface catalyst to deliver the desired products and results. The prepared 10 wt.% copper catalyst with 10 wt.% of ceria and 80% niobium has the utmost catalytic performance with 100% conversion of butadiene, and highest selectivity towards CO2 of 98% at the temperature range of 300-500°C. The findings of this study provide a practical environmental application of oxidation reactions and introduce a catalytic enhancement of Cu-based catalysts with Nb and Ce supports for unsaturated hydrocarbon compounds studies.

Arabic Abstract

تعتبر هدرجة مركب 1,3 بوتادين (BD) عملية صناعية مهمة تستخدم بشكل عام لتوليد البيوتين، وهو مادة أولية رئيسية لإنتاج مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية متل البوليمرات والبلاستيك والمطاط الصناعي. تتضمن هذه العملية تفاعل بوتادين مع الهيدروجين باستخدام محفزات معدنية مختلفة قائمة على النيكل. في هذه الدراسة، تم استخدام محفزات عالية النقاء مثل النيكل/اكسيد الالمنيوم و النيكل/اكسيد النيوبيوم وفحصها لإجراء تفاعل الهدرجة بسبب امتلاك هذه المحفزات نشاط هدرجة مرتفع ومساحة سطح عالية ومسامية مرتفعة.

تم إجراء التفاعلات التحفيزية باستخدام مفاعل أنبوبي كوارتز بين نطاق درجة حرارة 50 و 400 درجة مئوية على فترات منتظمة من 50 درجة مئوية تحت ضغط تشغيل يبلغ 1 ضغط جوي. تم إجراء تحليل شامل لنواتج التفاعل باستخدام كروماتوغرافيا الغاز مع كاشف قياس الطيف الكتلي (GC-MS) ، حيث لاحظنا كلأ من المواد العطرية المستبدلة الأحادية ومنتجات الغازات مثل البيوتين. لاحظنا أن تحويلاً بنسبة 100% للبوتادين حدث عند 200 درجة مئوية وتعاوننا مع نتائج الطيف الكتلي الخاصة بنا مع التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء من أجل تطوير آلية تفاعل وتأكيد وجود منتجات معينة. وبهذه الطريقة، نوضح أن التحويل عند درجة حرارة منخفضة للبوتادين يمثل طريقة فعالة اقتصادياً لإضافة قيمة إلى الهيدروكربونات الأقل فائدة والأكثر تفاعلا مع الروابط المزدوجة المرافقة إلى بتروكيماويات عالية القيمة مثل BTX.

بالاضافة الى ما ذكر سابقاً، تعتبر أكسدة البوتادين طريقة فعالة لتحويل المركبات الضارة مثل البوتادين إلى غاز تخليقي ومواد مؤكسجة أكثر فائدة مثل اول أكسيد الكربون وتقليل انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون. لهذا الغوض، نتحرى استخدام المحفزات القائمة على النيكل والنحاس بنسب مختلفة لتحليل المنتجات المتنوعة الممكنة وطبيعتها الكيميائية وانتقائية العائد النسبي، ومن خلال كروماتوجرافيا الغاز و كاشف الموصلية الحرارية (GC-TCD) وطيف الأشعة تحت الحمراء (FTIR).

علاوة على ذلك، من أجل التحقيق في خصائص المحفزات وهيكلها وتأثيرها على تفاعلات الهدرجة والأكسدة بشكل أعمق، استخدمنا طرق توصيف شاملة متل حيود الأشعة السينية (XRD) و(FTIR) والمسح المجهري الإلكتروني بأطياف مشتتة للطاقة (SEM-EDS)، فحص سطح المسامية وخواصها باستخدام النيتروجين (N2 adsorption-desorption) والتحليل الحراري الوزني (TGA) والتخفيض المبرمج لدرجة حرارة الهيدروجين (H2-TPR). كان أحد المنتجات الجانبية المهمة التي تم الحصول عليها في تفاعلاتنا هو الأسيتالديهيد، والذي كان نتيجة عملية إضافة الكربونيل للروابط المزدوجة في بوتادين. تظهر النتائج دور دعامات السيريوم والنيوبيوم في تعزيز أداء محفز النحاس ونشاطه من خلال تغيير الوظائف الشاغرة للأكسجين وقدرتها الفعالة على تخزين الأكسجين.

مع دورها في كل من المحفزات ذات الأساس المعدني، فإن محفز سطح أكسيد النحاس المنشط من السيريوم والنيوبيوم لتقديم المنتجات والنتائج المرجوة. المحفز النحاسي مع وزن 10% و10% بالوزن من السيريوم و80% من النيوبيوم يتمتع بأقصى أداء تحفيزي للاكسدة مع تحويل 100% من البوتادين، وأعلى انتقائية تجاه تاني أكسيد الكربون بنسبة 98% عند درجة حرارة تتراوح بين 300-500 درجة مئوية. توفر نتائج هذه الدراسة تطبيقاً بيئياً عملياً في التعزيز التحفيزي لمركبات الهيدروكربون غير المستقرة وفهماً أعمق لهذه التحولات وخواصها.

Download
COinS