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。     

浆态床费托合成反应工程与催化剂适用性探讨

综述了浆态床费托合成反应工程的关键技术及适用于浆态床反应器的催化剂的研究进展。重点介绍了合成气的硫含量、催化剂的密度、抗磨损性能及固液分离等浆态床反应器的关键技术;介绍了适用于浆态床反应器的沉淀铁催化剂、钴基催化剂和熔铁催化剂,以期探讨催化剂适用性对反应过程及费托合成工艺的影响规律,为浆态床费托合成反应器的开发及应用提供指导作用。     

浆态床反应器中含氮合成气合成二甲醚的研究

Cu ZnO Al2O3甲醇合成催化剂和HZSM 5分子筛通过机械混合制备了合成气直接合成二甲醚催化剂,并在浆态床反应器中进行了含氮合成气制二甲醚的研究,考察了各种工艺条件对二甲醚合成性能的影响。结果表明:转子转速、原料气空速、反应压力和温度均对催化剂的反应性能有影响。采用浆态床反应器合成二甲醚,可实现等温操作并可使反应热及时移出,从而避免催化剂床层形成热点,使催化剂失活减缓,但CO转化率和二甲醚选择性相对较低。采用浆态床反应器与固定床反应器集成技术,不仅可以解决催化剂床层形成热点问题,还可得到90%的CO转化率和75%的二甲醚选择性,并使催化剂保持高的稳定性,二甲醚收率为68%。     

Fe-Mn催化剂浆态床合成低碳烯烃的反应性能

在浆态床反应器中,对Fe-Mn催化剂上CO加氢合成低碳烯烃的反应性能进行了研究,考察了不同温度、空速和压力下Fe-Mn催化剂的催化性能,并借助XRD和N2物理吸附等手段对催化剂进行了表征。实验结果表明,Fe-Mn催化剂在运行300h后达到稳定运行状态。反应参数的适当调变,可有效提高Fe-Mn催化剂的活性和低碳烯烃收率,并使产物分布得到优化。在n(H2)∶n(CO)=2、320℃、2.0 MPa、合成气空速1 000 h-1的条件下,CO转化率83.10%,CH4选择性11.88%,C5+烃选择性39.06%,C2～4烃中烯烃与烷烃的质量比3.59,低碳烯烃收率38.50 g/m3(基于H2与CO的总体积)。     

Fe-Co-K/SiO_2催化剂对Fischer-Tropsch合成反应的催化性能

采用浸渍法制备了Fe-Co-K/SiO2催化剂,在连续流动固定床反应器上考察了反应温度、反应压力、重时空速和n(H2)∶n(CO)对该催化剂催化Fischer-Tropsch合成反应性能的影响。实验结果表明,随反应温度的升高,催化剂的活性提高,CO转化率和CH4选择性增大,重质烃(C 5+)选择性减小;升高反应压力有利于提高CO转化率和重质烃选择性;增大重时空速不利于重质烃的生成,同时CO转化率减小,CH4选择性增大;随n(H2)∶n(CO)的增大,CO转化率和CH4选择性增大,重质烃选择性减小。Fe-Co-K/SiO2催化剂用于Fischer-Tropsch合成反应较适宜的工艺条件为:反应温度503～513 K、反应压力1.5 MPa、重时空速600～800 h-1、n(H2)∶n(CO)=2.00。     

K_2CO_3溶液处理对费托合成熔铁催化剂性能的影响

以高频感应炉制备了熔铁催化剂,并进行了K2CO3溶液处理,采用ICP、XRD和H2-TPR等手段,对费托合成熔铁催化剂的物相与组成进行表征。于固定床积分反应器中进行催化剂的费托合成性能评价,反应条件为220℃~350℃,2.0MPa,V(H2)/V(CO)=2,GHSV=3000h-1。结果表明,由于石墨坩埚的使用,使得感应炉制备的熔铁催化剂中引入了大量的Si和Al元素,这些元素与铁氧化物形成固熔体,造成催化剂难以被还原、表面碱度严重被削弱、产物以低碳烃为主。经K2CO3溶液处理后,催化剂中固熔体部分被溶解,还原难度逐步降低。同时,随着K2CO3溶液浓度的增加,催化剂的表面碱度逐渐增强,产物中CH4选择性由44.82%降到28.82%,C2~C4烯烃选择性也逐渐增加。     

管式固定床反应器中Fe基费托合成的多物理场耦合数值分析

通过构建包含动量、能量、质量传递以及化学反应动力学方程的多物理场耦合数值模型,计算了Fe基催化剂管式固定床反应器中的费托合成过程,分析了费托合成管式反应通道中的速度、压力与温度分布,以及温度、流速和反应物n(H2)/n(CO) 3个因素对产物选择性的影响,阐明了沿着气体流动方向的反应速率变化趋势。结果表明,催化剂段入口处存在“热点”区域;在费托合成烃类产物中,CH4的碳原子选择性最高,其次是C5+类产物;C5+产物的选择性随着温度、流速和n(H2)/n(CO)的增大均有所降低。构建的数值模型及相关结论有助于从传递及反应过程的角度,为固定床反应器内费托合成操作工艺的优化提供理论参考。     

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。     

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。     

合成气制低碳混合醇固定床催化剂的浆态床应用性能研究

试验将合成气制低碳混合醇的固定床Cu-Fe-Mn-Co催化剂用于浆态床反应器,研究了反应温度(200~270℃)、压力(5.0MPa~7.0MPa)、原料气空速(2713~5515h-1)、氢碳比(n(H2)/n(CO)=1.5/3.5)和搅拌器转速(400~1200r/min)等工艺条件对催化剂性能的影响。结果表明:温度对CO转化率及时空产率影响显著,260℃为低碳醇合成的最佳反应温度;反应压力在7.0MPa时总醇选择性及时空产率达到最高值;空速的增加可以提高催化剂的低碳醇产能,减少CO2的生成,但同时原料气转化率随之降低;氢碳比过低会造成总醇选择性的大幅降低,过高又会导致甲醇选择性的增加,选择在2~2.5之间对低碳醇的生成较为有利;提高搅拌器转速可以更大程度的消除或减小外扩散影响,但同时需兼顾搅拌桨对浆态床催化剂磨损的影响。     

合成液体燃料的活性炭负载钴基催化剂的反应性能

在固定床等温积分反应器中,考察了活性炭负载钴基催化剂(Co/AC)的费托(F-T)合成反应性能,采用BET、H2-TPR和SEM等方法对Co/AC催化剂进行了表征。表征结果显示,Co/AC催化剂孔道属于微孔和中孔的混合结构,可用纯H2还原,还原温度选取350~400℃。实验结果表明,升高反应温度和反应压力、减小气态空速、增加原料气中H2与CO的摩尔比(H2/CO比),有利于提高CO的转化率;升高反应压力、降低反应温度、减小气态空速及原料气H2/CO比有利于高碳烃和高碳醇的生成。Co/AC催化剂用于F-T合成较优的工艺条件为:反应温度230℃,反应压力4.0M Pa,原料气H2/CO比2.00,气态空速2 000h-1。在该反应条件下,CO转化率为20.1%,CH4、低碳烃(C2~4)、高碳烃(C+5)、低碳醇(C1~5OH)及高碳醇(C+6OH)的选择性分别为19.1%,24.1%,36.5%,15.8%,4.5%。     

反应条件对介孔Ni-CaO-ZrO_2催化剂上CH_4耦合重整反应性能的影响

利用并流沉淀法制备了介孔Ni-CaO-ZrO2催化剂,在该催化剂上考察了水蒸气重整(SRM)、CH4部分氧化(POM)和CO2重整(CDR)反应的不同耦合方式对CH4重整反应的影响,以及反应温度和气态空速对CH4三重整反应制合成气过程的影响。实验结果表明,与单纯的CDR反应相比,SRM-CDR耦合反应与CDR-POM耦合反应均具有明显的优势,前者侧重于产物分布的调节,而后者则对增强催化剂的活性和稳定性有重要意义。CH4三重整条件下催化剂失活的主要原因是复杂气氛条件下的晶相烧结;在反应温度为973 K、气态空速35.0 L/(h.g)、n(CH4)∶n(CO2)∶n(O2)∶n(H2O)=2∶1∶0.875∶0.50的条件下,催化剂上CH4转化率约为83%,产物合成气中n(H2)∶n(CO)约为2.00,且在反应10 h内催化剂活性稳定。     

载体中添加La对Ni／γ-Al_2O_3催化剂催化甲烷自热重整制氢反应的影响

采用共沉淀法制备了γ-Al2O3载体和La添加量不同的LaxAl100-xO(m(La):m(Al)=x:(100-x))载体,然后用浸渍法制备了Ni负载量(质量分数)为10％的Ni／γ-Al2O3和Ni／LaxAl100-xO催化剂。用X射线衍射技术对Ni/γ-Al2O3和Ni／ LaxAl100-xO催化剂进行了表征,并在固定床微反装置中考察了Ni／γ-Al2O3和Ni/LaxAl100-xO催化剂对甲烷自热重整制氢反应的催化性能。实验结果表明,添加La的催化剂催化性能有很大提高。考察了反应温度、原料气配比和甲烷空速对Ni/La30Al70O催化剂催化性能的影响。实验结果表明,反应温度和n(O2):n(CH4)对Ni/La30Al70O催化剂的催化性能影响较大;在n(CH4):n(O2): n(H2O)=1．00:0．50:2．50、反应温度800℃、甲烷空速4 800 h-1的条件下,甲烷转化率达到100％,H2收率为67％。     

工业低镍催化剂上天然气-CO_2-水蒸气和氧气转化制备合成气的研究

假设密置单层排布模型 ,在理论上探讨了高温、高压下低镍催化剂应用的可行性。并采用低比表面积工业α Al2 O3 载体 ,经CeO2 和MgO改性研制工业低镍HSD - 2催化剂。HSD - 2催化剂在 112 3K、1.0MPa下 ,与天然气、氧气、二氧化碳、水蒸气转化制合成气反应体系在n(naturalgas)∶n(CO2 )∶n(O2 )∶n(H2 O) =1∶0 .1∶0 .3∶1.3 ,空速为GHSV =1182 2h 1条件下连续反应 12 5h ,CH4 转化率始终保持在 90 %～ 94% ,H2 的选择性为 94%～ 96 %左右。较相同镍含量的Ni/α Al2 O3 催化剂活性高 ,稳定性和抗积炭性强     

碳酸二乙酯与苯酚催化合成苯乙醚

以碳酸二乙酯(DEC)为乙基化试剂,与苯酚在气固相条件下催化合成苯乙醚。以活性炭(AC)为载体考察了不同活性组分及其负载量对催化剂活性的影响。实验结果表明,以K2CO3为活性组分,负载量达到20%(质量分数)时K2CO3/AC催化剂的活性较好。CO2程序升温脱附表征结果表明,K2CO3/AC催化剂的碱量随K2CO3负载量的增加先增大后减小,这主要是由于K2CO3负载量过多会堵塞催化剂的内孔,从而抑制其碱性中心发挥作用。同时还考察了反应温度、气态空速和原料配比对催化剂活性的影响,在反应温度593K、反应压力0.6MPa、反应时间7h、气态空速1500h-1、n(DEC)∶n(苯酚)=1.5的条件下,苯酚的转化率和苯乙醚的选择性都可达到100.00%。     

陈化时间对沉淀铁催化剂的费托合成性能影响

采用连续共沉淀方法制备了Fe-Cu-K-SiO_2催化剂,并考察了陈化时间对催化剂的结构和织构性质的影响。采用X射线衍射、N_2吸附和程序升温还原(H_2-TPR)和X射线荧光光谱(XRF)等表征手段研究了不同陈化时间的催化剂样品的织构。结果表明,陈化时间在0.5～3.0h时,催化剂的主要物相是α-Fe_2O_3。随着陈化时间的缩短,催化剂的α-Fe_2O_3晶粒减小,比表面积逐渐增加,并且助剂铜趋于表面,使催化剂中α-Fe_2O_3易于还原。催化剂在n(H_2)/n(CO)=1.5、GHSV=3000 h~(-1)、p=1.6MPa、T=240℃下的固定床费托(F-T)合成反应评价结果表明,缩短陈化时间可明显提高催化剂的CO转化率。     

活性组分浸渍顺序对Ni-Sn-Cr/活性炭催化乙酸甲酯气相羰基化合成醋酐性能的影响

以活性炭(AC)为载体,采用等体积浸渍法,按照活性组分浸渍顺序的不同制备了一系列Ni-Sn-Cr/AC催化剂;在连续流动固定床反应器上考察了Ni-Sn-Cr/AC催化剂催化乙酸甲酯气相羰基化合成醋酐的性能,并采用XRD和N2物理吸附法对催化剂的物相和织构性质进行了表征。实验结果表明,在催化剂制备过程中3种活性组分Ni,Sn,Cr的加入顺序对Ni-Sn-Cr/AC催化剂的活性有较大影响;先浸渍Ni组分然后同时浸渍Sn和Cr组分的Ni/Sn-Cr/AC催化剂的活性最高,在n(CO)∶n(H2)=8、n(乙酸甲酯)∶n(CH3I)=7、n(CO)∶n(乙酸甲酯)=4、反应温度205℃、反应压力5.5MPa、气态空速1200h-1的条件下,Ni/Sn-Cr/AC催化剂上乙酸甲酯的转化率为38.5%,醋酐的选择性为80.3%。不同浸渍顺序制备的Ni-Sn-Cr/AC催化剂的织构性质并不是催化剂活性的决定因素。