آزمایشگاه واکنشهای گاز- جامد غیر کاتالیستی

آزمایشگاه واکنشهای گاز- جامد غیر کاتالیستی

سرپرست آزمایشگاه: دکتر حبیب آل ابراهیم
شماره تماس:۰۲۱۶۴۵۴۳۱۹۰
ایمیل: alebrmaut.ac.ir

اهمیت صنعتی واکنشهای گاز- جامد غیر کاتالیستی:
۱-Reduction of metallic oxides (NiO+H۲, Fe۲O۳+H۲/CO, ZnO+CH۴)
۲-Roasting of metallic sulfides (ZnS+O۲, CuS+O۲)
۳-Adsorption of acid gases (SO۲+CaO, SO۲+CaCO۳, H۲S+ZnO)
۴-Coal gasification processes (C+H۲O)
۵-Preparation of active carbon (C+CO۲)
۶-Catalyst regeneration (C+O۲)
مدل سازی ریاضی واکنشهای گاز- جامد غیر کاتالیستی:
۱-Coupled partial differential equations for noncatalytic gas-solid reactions must be solved numerically for porous solids.
۲-Structural changes during the reaction can lead to variation in controlling steps and even incomplete conversion.
مزایای مدل سازی ریاضی این واکنشها:
۱-Kinetic parameter estimation from experimental data
۲-Design of the pilot and industrial reactors
۳-Simulation of reactors, and prediction of operating conditions effects
۴-Design of control systems from dynamic simulation
۵-Suggesting of production increase for existing plants
تجهیزات موجود در آزمایشگاه واکنشهای گاز- جامد غیر کاتالیستی:
این تجهیزات فقط در زمینه پژوهشی برای انجام پروژه های دکترای دانشگاه صنعتی امیرکبیر در جهت تخصصی سینتیک واکنشهای گاز- جامد غیر کاتالیستی هستند. چنین تجهیزاتی در کشور منحصر به فرد بوده و تا کنون حدود ۵۰ مقاله ISI از نتایج این آزمایشگاه چاپ گردیده و ۱۰ دانشجوی دکترای مهندسی شیمی از آن فارغ التحصیل شده اند.
۱-TG or thermogravimetry from Rheometric Scientific company, for plotting the weight changes of sample (single solid pellet in a basket cell) in a reacting gas stream versus time at an isothermal condition
۲-Rapid and continuous gas analyzer by MS or mass spectrometry from Leda Mass company at ۱-۳۰۰ amu, for online plotting the partial pressures of ۱۲ selectable gases versus time (with only ۰.۰۶ sec lag in a narrow glass heated capillary)
۳-FTIR system for solid, liquid, and gaseous samples (with ATR)
۴-Small packed bed and fluidized bed pilot reactors for preparing active carbon by CO۲ or H۲O activation, and for synthesis gas production from metal oxides (ZnO and NiO) reduction by methane
۵-Pure gas cylinders (CH۴, C۳H۸, SO۲, CO۲, N۲, He, Ar, H۲ and CO) with regulators, detectors, and related flowmeters and MFCs
۶-Steel moulds and hydraulic press for producing the pellets, and electrical furnace (up to ۱۲۵۰ C) for sintering them
البته دستگاه زیر در آزمایشگاه BET قرار گرفته و سرویس دهی عمومی جهت انجام آزمایشهای سطح ویژه و ایزوترم های جذب دفع با ازت را انجام میدهد.
BET and PSD (pore size distribution) (micro & meso) by Autosorb ۱-MP from Quantachrome company (with liquid nitrogen container) for adsorbents, catalysts, active carbons, and zeolites by nitrogen adsorption
 
نرم افزار تهیه شده جهت مدل سازی این واکنشها:
۱-Volume reaction models (first and half order)
۲-Simple grain model (all grain geometries)
۳-Grain model with product layer resistance
۴-Modified grain model for structural changes
۵-Random pore model for pore size distributions
۶-Unsteady random pore model for liquid-solid reactions
۷-Nucleation model for sigmoidal X-t curves
۸-Two gas with a solid reaction (for direct reduction steel plants)
۹-Packed bed, moving bed, and fluid bed reactors models
 
پروژه های انجام شده در آزمایشگاه واکنشهای گاز- جامد غیر کاتالیستی:
مقادیر عظیم ذخایر فلزی و معدنی موجود در کشور مثل معادن روی، سرب، کرومیت، باریت، و سلستیت، ضرورت تبدیل این مواد خام  به محصولات با ارزش افزوده بالا را مشخص مینماید. تبدیل این مواد خام به محصولات نهایی در کشورهای صنعتی توسط احیاء با کک انجام میشود. از طرفی حجم ذخایر گاز طبیعی ایران بسیار بالا بوده ولی معادن ذغالسنگ کک شونده کشور غنی نیستند. بنابراین ضروری است که روشهای تبدیل بر مبنای عامل احیاء کننده گاز طبیعی در ایران توسعه داده شوند که علاوه بر وفور گاز طبیعی، مزیت زیست محیطی هم خواهند داشت. در این راستا پروژه های زیر در آزمایشگاه واکنشهای گاز -  جامد غیر کاتالیستی انجام شده اند و پارامترهای سینتیکی واکنشهای مربوطه تعیین گردیده اند:   
۱-Reduction of zinc oxide by methane for producing of metallic zinc and synthesis gas (CO+۲H۲). In this method the operating temperature can be decreased with respect to the industrial coke based methods, and also the greenhouse gas emission can be eliminated.
۲-Reduction of nickel oxide by methane, for synthesis gas production at lower temperatures versus zinc oxide system
۳-Reduction of ZnO-PbO mixtures with methane, that can omit the troublesome lead splash condensers of zinc producing furnaces
۴-Reduction of barium sulfate by methane, for producing of barium sulfide and carbonate
۵-Reduction of strontium sulfate by methane, for producing of strontium sulfide and carbonate
۶-Reduction of cobalt, chromium and manganese oxides by methane for introducing simpler production methods of their metals
۷-Preparation of active carbon with high surface area from different sources by physical and chemical activation methods, and BET and PSD characterization of the product
۸-Reduction of SO۲ by methane to elemental sulfur on Ce/La/Cu/Ni catalysts
۹-Kinetic study of flue gas desulfurization (FGD) methods for existing adsorbents such as CaO and CuO
۱۰-Kinetic study of concentrating step in the greenhouse gas emission control processes by CaO+CO۲ reaction
۱۱- Pressure swing adsorption (PSA) for hydrogen purification
 
برخی مقالات چاپ شده در زمینه واکنشهای گاز- جامد غیر کاتالیستی:
الف- موارد تئوری واکنشهای گاز جامد غیر کاتالیستی:
۱- Simulation of a direct reduction moving bed reactor using a three interface model, Brazilian J. Chem. Eng., Vol. ۳۵, ۱۰۱۹-۱۰۲۸, ۲۰۱۸
۲- Solution of coupled partial differential equations of a packed bed reactor for SO۲ removal by lime by finite element, RSC Adv., Vol. ۵, ۱۸۱۱۶-۱۸۱۲۷, ۲۰۱۵
۳- Comparison of random pore model, modified grain model, and volume reaction model with results of SO۲ removal reaction by CuO, J. Ind. Eng. Chem., Vol. ۳۰, ۳۷۲-۳۷۸, ۲۰۱۵
۴- Solution of gas-solid reactions models in packed bed reactors by finite element, Iranian J. Chem. Eng., Vol. ۹, ۶۶-۸۳, ۲۰۱۲
۵-Simulation of direct reduction reactor by grain model, Chem. Eng. J., Vol. ۱۶۶, ۷۰۴-۷۰۹, ۲۰۱۱
۶-Application of random pore model to SO۲ capture by lime, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. ۴۹, ۱۱۷-۱۲۲, ۲۰۱۰
۷- Solution of gas-solid reactions models with structural changes by finite element, Chem. Eng. J., Vol. ۱۴۸, ۵۳۳-۵۳۸, ۲۰۰۹
۸-Solution of gas-solid reactions models with moving boundary by finite element, Chem. Eng. J., Vol. ۱۴۴, ۱۱۰-۱۱۸, ۲۰۰۸
۹-A new solution technique for fluid-solid reactions, Chem. Eng. J., Vol. ۱۴۰, ۲۶۴-۲۷۷, ۲۰۰۸
۱۰-Solution of gas-solid reactions models by orthogonal collocation, Comput. Chem. Eng., Vol. ۳۲, ۱۷۴۶-۱۷۵۹, ۲۰۰۸
۱۱-A new solution technique for gas-solid reactions with structural changes, Chem. Eng. Sci., Vol. ۵۴, ۸۵۹-۸۶۴, ۱۹۹۹
۱۲-A new solution technique for the grain model with product layer resistance, Scientica Iranica, Vol. ۵, ۱۱۲-۱۱۷, ۱۹۹۸
۱۳-A new solution for nucleation model in gas-solid reactions, Chem. Eng. J., Vol. ۶۸, ۱-۶, ۱۹۹۷
۱۴-An incremental analytical solution for the grain model, Chem. Eng. Sci., Vol. ۵۱, ۴۲۵۳-۴۲۵۷, ۱۹۹۶
۱۵-A new solution technique of moving boundary problems for half order volume reaction model, Chem. Eng. J., Vol. ۶۳, ۷۹-۸۳, ۱۹۹۶
ب- موارد تجربی واکنشهای گاز جامد غیر کاتالیستی:
۱- Study of MoO۳-Al۲O۳ catalysts behavior in selective catalytic reduction of SO۲ toxic gas to sulfur with CH۴, Environ. Sci. Pollut. Res., Vol. ۲۶, ۹۶۸۶-۹۶۹۶, ۲۰۱۹
۲- Preparing and optimization of cerium-lanthanum-cobalt ternary mixed oxide as catalyst for SO۲ reduction to sulfur, E-J. Surf. Sci. Nanotechnol., Vol. ۱۷, ۱۶-۲۶, ۲۰۱۹
۳- Selective catalytic reduction of SO۲ with methane for recovery of elemental sulfur over nickel-alumina catalysts, Reac. Kinet. Mech. Cat., Vol. ۱۲۴, ۶۶۹-۶۸۲, ۲۰۱۸
۴- Preparation, characterization and optimization of high surface area Ce-La-Cu ternary oxide nanoparticles, E-J. Surf. Sci. Nanotechnol., Vol. ۱۵, ۸۷-۹۲, ۲۰۱۷
۵- Investigation of CO۲ reaction with CaO and an acid washed lime in a packed bed reactor, Chem. Eng. Communic., Vol. ۲۰۳, ۱-۷, ۲۰۱۶
۶- Various methods to prepare high efficiency CaO sorbents for improved SO۲ capture capacity, Int. J. Coal Preparation Utilization, Vol. ۳۶, ۲۳۱-۲۴۰, ۲۰۱۶
۷- Kinetic study of CO۲ reaction with CaO by a modified random pore model, Polish J. Chem. Technol., Vol. ۱۸, ۹۳-۹۸, ۲۰۱۶
۸- Effect of sorbent pore volume on the carbonation reaction of lime with CO۲, Brazilian J. Chem. Eng., Vol. ۳۳, ۱-۷, ۲۰۱۶
۹- Competetive adsorption equilibrium isotherms of CO, CO۲, CH۴, and H۲ on activated carbon and zeolite ۵A for hydrogen purification, J. Chem. Eng. Data, Vol. ۶۱, ۳۴۲۰-۳۴۲۷, ۲۰۱۶
۱۰- Comprehensive kinetic study of SO۲ removal reaction by pure CuO with random pore model, Progress Reaction Kinetics Mechanism, Vol. ۴۱, ۳۸۵-۳۹۷, ۲۰۱۶
۱۱- Experimental investigation and mathematical modeling of physical activated carbon preparation from pistachio shell, J. Anal. Appl. Pyrolysis, Vol. ۱۱۴, ۱۴۳-۱۵۴, ۲۰۱۵
۱۲- A modified random pore model for carbonation reaction of calcium oxide with carbon dioxide, Chem. Industry, Vol. ۶۹, ۲۰۹-۲۱۷, ۲۰۱۵
۱۳- Preparation of a nano CaO sorbent for improvement the capacity for CO۲ capture reaction, Synth. React. Inorganic Metalorganic Nanometal Chem., Vol. ۴۵, ۸۲۸-۸۳۳, ۲۰۱۵
۱۴- A mathematical model for prediction of pore size distribution development during activated carbon preparation, Chem. Eng. Communic., Vol. ۲۰۲, ۱۳۱-۱۴۳, ۲۰۱۵
۱۵- A comprehensive kinetic study of the reaction of SO۲ with CaO by the random pore model, Chem. Eng. Technol., Vol. ۳۷, ۱-۱۱, ۲۰۱۴
۱۶- Application of random pore model for SO۲ removal reaction by CuO, Process Safety Environ. Protec., Vol. ۹۲, ۹۳۸-۹۴۷, ۲۰۱۴
۱۷- Applying the random pore model in a packed bed reactor for the regenerative SO۲ removal reaction by CuO, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. ۵۳, ۱۶۲۸۵-۱۶۲۹۲, ۲۰۱۴
۱۸-Preparation of high surface area Ce/La/Cu and Ce/La/Ni ternary metal oxides as catalysts for the SO۲ reduction by CH۴, Synth. React. Inorganic Metalorganic Nanometal Chem., Vol. ۴۴, ۸۸۱-۸۹۰, ۲۰۱۴
۱۹-Application of random pore model for synthesis gas production by nickel oxide reduction with methane, Energy Conversion Manag., Vol. ۷۴, ۲۴۹-۲۶۰, ۲۰۱۳
۲۰- Reduction kinetics of nickel oxide by methane with thermogravimetry, Thermochimica Acta, Vol. ۵۶۱, ۴۱-۴۸, ۲۰۱۳
۲۱-Noncatalytic synthesis gas production by reduction of ZnO with methane in in a dilute phase pneumatic conveying reactor, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. ۵۱, ۳۲۷۱-۳۲۷۸, ۲۰۱۲
۲۲-Synthesis gas and zinc production in a noncatalytic packed bed reactor, Chem. Eng. Technol., Vol. ۳۳, ۱۹۸۹-۱۹۹۸, ۲۰۱۰
۲۳-A new process for strontium carbonate production by celestite reduction with methane, Mineral Process. Extractive Metall., Vol. ۱۱۸, ۱۹۴-۲۰۰, ۲۰۰۹
۲۴-A new clean process for barium carbonate production by barite reduction with methane, Chem. Eng. Process., Vol. ۴۷, ۱۵۶۷-۱۵۷۷, ۲۰۰۸
۲۵-Catalytic effect of ZnO on BaSO۴ reduction by methane, Thermochimica Acta, Vol. ۴۶۰, ۴۴-۴۹, ۲۰۰۷
۲۶-Kinetics of NiO reduction by methane, Chem. Eng. Technol., Vol. ۳۰, ۱۱۲۳-۱۱۲۸, ۲۰۰۷
۲۷-Kinetic study and modeling of ZnO-PbO mixtures reduction by methane, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. ۴۴, ۴۹۵-۵۰۴, ۲۰۰۵
۲۸-Synthesis gas production by zinc oxide reaction with methane and elimination of greenhouse gas emission from a metallurgical plant, Energy Conversion & Management, Vol. ۴۵, ۳۴۵-۳۶۳, ۲۰۰۴
۲۹-Effect of mass transfer and bulk flow on the zinc oxide reduction by methane, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. ۴۱, ۲۶۳۰-۲۶۳۶, ۲۰۰۲
۳۰-Kinetic study of the zinc oxide reduction by methane, Chem. Eng. Res. & Des., Vol. ۷۹, ۶۲-۷۰, ۲۰۰۱
 
 
 
کتب چاپ شده:
۱-Kinetic study of calcium oxide reactions in greenhouse gas separation and flue gas desulfurization processes, Advances in Engineering Research, Volume ۳۱, Nova Science Publishers, New York, ۲۰۱۹
۲-Methane as an alternative and promising reducing agent in various metallurgical and chemical processes, Advances in Engineering Research, Volume ۲۹, Nova Science Publishers, New York, ۲۰۱۹
۳-Syngas production, applications, and environmental impact, Chapter ۲: New syngas production method based on noncatalytic methane reaction with metal oxides, Editors A. Indarto and J. Palguandi, Nova Science Publishers, New York, ۲۰۱۳
۴-Simulation and optimization of various hydrogen and synthesis gas production methods, Chapter ۹ in Hydrogen Volume (Volume ۱۱) of Studium Press Energy Science and Technology Book, Houston, ۲۰۱۵
 
 
اختراعات ثبت شده:
۱- Omitting of lead splash condensers in the zinc producing furnaces, Patent No. ۲۵۹۹۳, ۱۹۹۸
۲- Preparation of synthesis gas and zinc by zinc oxide reduction with methane and complete kinetic study of the reaction, Patent No. ۲۵۹۹۴, ۱۹۹۸
۳- New method for lead preparation from lead concentrate by methane, Patent No. ۲۶۹۹۶, ۲۰۰۱
۴- Preparation of barium carbonate by barite reduction with methane, Patent No. ۲۶۹۹۷, ۲۰۰۱
۵- Preparation of strontium carbonate by celestite reduction with methane, Patent No. ۲۷۸۹۰, ۲۰۰۲
۶- A new method for copper preparation by thermal decomposition of copper sulfide or oxide, Patent No. ۲۷۸۸۹, ۲۰۰۲
۷- A new method for hydrogen production from natural gas without carbon dioxide emission and energy transport by metallic zinc, Patent No. ۳۱۳۲۱, ۲۰۰۵
۸- A process for hydrated ferrous sulfate production from blast furnace converter slag, Patent No. ۸۵۲۲۵, ۲۰۱۵
۹- Preparation of Ce/La/Ni ternary nano metal oxides as catalysts for the SO۲ reduction to sulfur, Patent No. ۸۷۹۶۰, ۲۰۱۶
۱۰- Preparation of Ce/La/Cu ternary nano metal oxides as catalysts for the SO۲ reduction to sulfur, Patent No. ۹۲۵۹۹, ۲۰۱۷
۱۱- The catalytic process of SO۲ reduction to sulfur by methane, Patent No. ۹۲۶۷۶, ۲۰۱۷