浆态床反应器中熔铁催化剂的费托合成反应性能

研究了浆态床反应器中熔铁催化剂的费托合成反应性能,并与固定床反应器进行了比较。实验结果表明,熔铁催化剂在浆态床反应器中具有较好的费托合成反应活性和良好的稳定性;与固定床反应器相比,浆态床反应器中CH4和CO2的选择性明显降低。考察了反应温度、反应压力、合成气空速、合成气n(H2)∶n(CO)对浆态床反应器中熔铁催化剂费托合成反应性能的影响。实验结果表明,适当调变反应条件,可有效提高熔铁催化剂的费托合成反应活性,并使产物分布得到优化。在n(H2)∶n(CO)=1.6、2.0M Pa、250℃、GHSV=3 000h-1的条件下运行900h,浆态床反应器中CO的转化率达92%左右,CH4的选择性为5%左右,CO2的选择性为40%左右。     

催化剂活化压力对费托合成反应影响的研究

采用中国神华自主知识产权低温浆态床费托合成工业沉淀铁系催化剂SFT418-7,在神华浆态床费托合成催化剂评价中试装置(CEU)上实施了经不同活化压力处理的催化剂对费托合成反应性能影响试验。结果表明,2.8 MPa压力下还原处理的催化剂较0.5 MPa压力活化处理的催化剂合成气(H2+CO)总转化率高,CO转化率和H2转化率均略高,而C+,C3+和C5+时空产率及合成气产油率却有所降低,碳有效利用率相对降低,其原因主要受CO2选择性增加引起。催化剂活化压力提高后,反应产物CH4选择性显著增加,烃类中C3+和C5+产物选择性下降,表明提高压力活化情况下,催化剂表面水煤气变换反应活性相增加,费托合成反应向碳链缩短方向转移。     

蛋壳型钴基催化剂的费托合成反应性能

采用BET,XRD,TG-DSC,TPR等方法对蛋壳型Co/SiO2催化剂进行了表征,并在直流流动等温积分反应器中考察了该催化剂的费托合成反应性能。表征结果显示,蛋壳型Co/SiO2催化剂为中孔结构,表面Co物种为Co3O4,适宜的焙烧温度为450℃,还原条件为不同H2含量的H2-N2混合气、程序升温,最高还原温度390℃。实验结果表明,反应压力升高,CO转化率增大,油和蜡生成量增加,C5+选择性提高;反应温度升高或n(H2)∶n(CO)增大,CO转化率增大,油和蜡生成量增加,但C5+烃选择性降低;气态空速增大,CO转化率降低,油和蜡生成量先增加后减少,C5+烃选择性降低。该催化剂用于费托合成的适宜工艺条件为:反应压力3.5MPa、反应温度225～235℃、n(H2)∶n(CO)=2.000～2.100、气态空速2000h-1。     

提高费-托合成熔铁催化剂低碳烯烃选择性的研究

研究了固定床反应器中合成气制低碳烯烃熔铁催化剂的反应性能,考察了不同母体相组成和助催化剂对熔铁催化剂活性、低碳烯烃选择性的影响,通过TG-DTG、CO2-TPD等表征手段分析了母体相组成对熔铁催化剂的还原行为、表面酸碱性的影响。结果表明,当催化剂母体中n(Fe2+)/n(Fe3+)为1左右时,熔铁催化剂的表面碱性最强,有利于提高低碳烯烃选择性;考察助催化剂发现,稀土氧化物M2O3的加入能显著提高低碳烯烃选择性,在n(Hn):n(CO)=1.6、2.0 MPa、310℃、GHSV=11400h-1的条件下,CO的转化率达73.8%,低碳烃烯烷摩尔比n(C2=~C4=)/n(C2°~C4°)达5.12,即在气态烃中低碳烯烃选择性达83.7%。正交实验分析结果表明,在所考察的5种助催化剂中,V2O5和MoO3的加入会降低低碳烯烃选择性;其它助催化剂没有显著影响。     

硅溶胶粒径对沉淀铁催化剂费托合成性能的影响

在相同的制备条件下,采用相同SiO_2浓度、不同粒径的硅溶胶作为硅源制备费托合成沉淀铁Fe/Cu/K/SiO_2催化剂,考察了硅溶胶粒径对沉淀铁催化剂费托合成反应性能的影响。实验结果表明,硅溶胶的粒径在7~18 nm范围内时,硅溶胶粒径的不同会对沉淀铁催化剂的反应性能产生影响;随硅溶胶粒径的增加,催化剂的费托合成反应CO转化率明显下降。采用XRD、N_2吸附-脱附和H_2-TPR等方法表征了硅溶胶粒径对费托合成沉淀铁催化剂的织构和性能。表征结果显示,硅溶胶的粒径越小,催化剂主物相α-Fe_2O_3晶粒和比表面积越大,越有利于催化剂的还原和碳化,因而有利于催化剂CO反应性能的提高。     

费-托合成Fe1-xO基和Fe3O4基熔铁催化剂比较

在H2与CO的摩尔比2.0、温度553～593 K、压力1.4MPa,空速12600h-1的条件下,研究了Fe1-xO基和Fe3O4基熔铁催化剂的费-托合成反应催化性能,结果表明,Fe1-xO基熔铁催化剂的活性温度低于Fe3O4基熔铁催化剂,水汽变换反应的相对活性低于Fe3O4基催化剂.Fe1-xO基催化剂比Fe3O4基催化剂降低了蜡的选择性,特别是降低了有机含氧物的选择性,而提高了汽、柴油的选择性.Fe1-xO基催化剂可以比Fe3O4基催化剂多得到13%的C5+重质烃,而Fe3O4基熔铁催化剂比Fe1-xO基熔铁催化剂更适合低碳醇的合成.     

费托合成钴基催化剂颗粒内的传递反应行为分析

基于费托合成钴基催化剂反应动力学模型,建立了针对费托合成复杂多重反应体系的多组分扩散-反应的颗粒数学模型,以此为基础,考察了费托合成体系中催化剂颗粒尺寸、操作条件及反应物在颗粒内的传递反应行为等对费托合成反应性和产物选择性的影响。结果表明,对于毫米级钴基催化剂,费托合成反应主要发生在催化剂颗粒的外部壳层,0.2R_p～0.3R_p厚度区域(R_p为催化剂半径),低碳烃较易在催化剂颗粒内部产生,重质烃则易在催化剂颗粒表面产生,催化剂内部温升为0.0534℃,不会造成催化剂烧结。升高温度和增大颗粒尺寸抑制烃类产物的链增长,增大压力则有利于产物碳链的增长和重质烃的生成。工业用固定床钴基催化剂颗粒采用圆柱形Φ2×2～Φ4×4 mm(直径×高)最为适宜,CO内扩散有效因子范围为0.15～0.30。     

预处理条件对Fe-Mn催化剂催化CO加氢合成低碳烯烃性能的影响

制备了一系列Fe-Mn催化剂,考察了预处理条件对其催化CO加氢合成低碳烯烃性能的影响。实验结果表明,用CO处理的催化剂较用H_2处理的催化剂具有较高的烯烃选择性;在CO气氛、300℃下还原4h的催化剂上,产物C_(2～4)烃中烯烃与烷烃的质量比可达5.88;碳化温度升高,重质烃含量增加;但在CO气氛、400℃下还原4h的催化剂上,产物中重质烃含量有所下降。XRD和XPS表征结果显示,用CO处理的催化剂中有碳化物生成,且高温、CO处理的催化剂表面有大量的碳化物生成;CO_2(CO)-TPD表征结果显示,碳化过程增强了催化剂的表面碱性,增强了CO的吸附能力,相对加氧能力减弱,烯烃选择性提高,促进了链增长。但同时CO吸附能力的增强,促进了CO高温预处理下的碳沉积,进而抑制了重质烃的生成。     

稀土金属氧化物助剂对费托合成Co/γ-Al_2O_3催化剂性能的影响

在浆态床反应器中考察ZrO2,CeO2,La2O3助剂对费托合成Co/γ-Al2O3催化剂性能的影响。实验结果表明,ZrO2助剂的添加最有利于提高Co/γ-Al2O3催化剂的活性和石蜡选择性;CeO2助剂的添加有利于提高重质烃产物中的柴油馏分含量;La2O3助剂的添加有利于减弱水煤气变换反应的程度。XRD,TPR,H2-TPD等表征结果显示,稀土金属氧化物助剂的加入改变了Co/γ-Al2O3催化剂的还原温度并可提高还原度,使活性Co组分在催化剂表面保持高分散度,改善H2在催化剂表面的吸附脱附性能。     

助催化剂对费-托合成熔铁催化剂影响的研究

通过正交实验,在固定床反应器中研究了助剂对熔铁催化剂费托合成(FTS)反应性能的影响,并利用BET,SEM,XRD,TPH-MS等表征手段分析了助剂对催化剂的织构、还原行为、碳化行为及物相变化的影响。结果表明:Al2O3对费托反应用的熔铁催化剂的性能的影响最为显著,随着Al2O3含量的增加,FTS反应活性提高,C2+产率增加。正交实验最优组合为Al3/K3/B1/Ca2.5/Fe100催化剂,在n(H2)/n(CO)=1.6,温度523K,压力2.0MPa,空速3000h-1反应条件下,合成气转化率为74.5%,CH4选择性为5.9%,C2+的收率为145.0g/m3。同时,发现在FTS反应后催化剂表面上的主要碳物种是碳化铁γ1和γ2,且随着Al2O3的加入,α态原子碳(最活泼的碳化物形式)和碳化铁γ1、γ2的含量增加,而β、δ1和δ2含量减少,Al2O3能促进最活泼的α碳物种的形成。