Benzenin izopropanol ile alkilasyonuna metal yüklü mordenit ve zsm-5 katalizörlerinin etkisi
The effect of metal loaded mordenite and zsm-5 catalysts on the alkylation of benzene with isopropanol
Yazar: AYSİMA YİĞİT
Danışman: PROF. DR. ALİ KARADUMAN
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Benzen, dünyada yılda 50 milyon tondan fazla üretimi yapılan, bilinen en eski organik bileşiklerden biridir. Benzenden üretilen ürünler arasında ikinci sırayı alan kümen, fenol ve aseton üretiminde temel hammadde olmasından dolayı önemli bir kimyasaldır. Kümen, ticari olarak benzenin propilenle katı fosforik asit gibi asidik katalizörler varlığında alkilasyon reaksiyonuyla üretilmektedir. Fakat, bu tip katalizörlerin çevreye olan zararından dolayı zeolit katalizörlerin kullanımı dikkat çekmektedir. Propilen ise alkilasyon katalizörlerinde karbon kalıntılarının ana kaynağıdır. Dolayısıyla alkilasyon ajanı olarak alken yerine alkol kullanıldığında katalizörlerin uzun ömürlü olduğu gözlemlenmiştir. Tüm bu dezavantajlar göz önünde bulundurularak, çalışmada benzenin izopropanol ile alkilasyonunda zeolit katalizörler çalışılmıştır. Mordenit ve ZSM-5 zeolit katalizörlerine % 5 ve % 10 oranlarında Ni ve Cu metali yüklemenin reaksiyona etkisi incelenmiştir. Katalitik testler sabit yataklı reaktörde 3 farklı sıcaklık (150oC, 200oC, 250oC) ve 3 farklı boşluk hızında (1st-1, 2st-1, 3st-1) gerçekleştirilmiştir. Reaksiyon sonucu elde edilen ürünler GC-MS cihazında analizlenerek, sıcaklık ve boşluk hızlarının benzen dönüşüm ve kümen seçimliliklerine etkisine bakılmıştır. Katalizörlerin karakterizasyonu için XRF, SEM, EDX ve BET analizleri yapılmıştır. Deneysel çalışmaların sonuçlarına göre, hidrojen  formundaki katalizörlere metal yüklemenin benzen dönüşüm ve kümen seçimliliklerine olumlu etki ettiği görülmüştür. HMOR katalizörünün seçimlilik oranları maksimum % 40-50 bandında seyrederken, Ni ve Cu metalleri yüklendikten sonra bu oranlar % 90-100 bandına çıkmıştır. Benzen dönüşümlerinin genellikle en yüksek değerlerini 150oC'de WHSV1 boşluk hızında aldığı görülmüştür.  Boşluk hızı arttıkça benzen dönüşümleri genellikle azalmıştır. Her katalizör için seçimlilik değerleri farklı oranlarda artış ya da azalış gösterirken, en yüksek kümen seçimliliklerin genellikle 250oC'de WHSV3 boşluk hızında elde edilmiştir.

Abstract:
Benzene is one of the oldest known organic compounds in the world with more than 50 million tons of production per year. Cumene, which takes the second place among the benzene products, is an important chemical material because it is the main raw material in the production of phenol and acetone. Cumene is commercially produced by alkylation reaction of benzene with propylene in the presence of acidic catalysts such as solid phosphoric acid. However, the use of zeolite catalysts is remarkable due to the environmental damage of this type of catalyst. Propylene is the main source of carbon residues in alkylation catalysts. Therefore, it has been observed that the catalysts are long lasting when alcohol is used instead of alkene as an alkylation agent. Considering all these disadvantages, zeolite catalysts were studied in the alkylation of benzene with isopropanol. The effect of loading of 5 % and 10 % Ni and Cu metal to Mordenite and ZSM-5 zeolite catalysts was investigated. Catalytic tests were carried out in a fixed bed reactor at 3 different temperatures (150oC, 200oC, 250oC) and space velocities (1st-1, 2st-1, 3st-1). The products obtained as a result of the reaction were analyzed by GC-MS and the effect of temperature and weight hourly space velocities on benzene conversion and cumene selectivity was investigated. XRF, SEM, EDX and BET analysis were performed for characterization of catalysts. According to the results of  experimental studies, metal loading on the catalysts have positive effect on benzene conversion and cumene selectivity. The selectivity values of HMOR catalyst were in the maximum range of 40-50%, and after Ni and Cu metals were loaded, these ratios increased to 90-100%. Benzene conversions were generally found to have the highest values at 150oC at the WHSV1 (weight hourly space velocity). Benzene conversions are generally reduced as the weight hourly space velocities increases. While the selectivity values for each catalyst increased or decreased at different rates, the highest cumene selectivities were generally obtained at WHSV3 of 250°C.