费托合成钴基催化剂研究进展

综述了费托合成钴基催化剂及其失活原因的研究进展,阐述了催化剂的活性组分、载体、催化助剂等对反应活性和产物选择性的影响,分析了钴基催化剂失活原因,认为中毒、钴晶粒烧结、碳效应、钴再氧化、钴—载体形成化合物、机械磨损都会不同程度造成催化剂失活。     

费托合成钴基催化剂载体研究进展

综述了费托合成钴基催化剂载体的最新研究进展,详细分析了金属氧化物(如SiO_2、Al_2O_3、TiO_2和ZrO_2等)、分子筛、新型碳材料(如活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管、碳化硅、石墨烯等)载体对钴基催化剂的还原度、分散度、催化活性和选择性等的影响。在此基础上,提出了钴基催化剂载体存在的问题和未来发展方向。     

费托合成钴基催化剂预处理研究进展

介绍了近年来钴基催化剂在费托合成反应中预处理方面的研究进展。重点评述了预处理气氛、预处理温度以及还原-氧化-还原预处理手段对负载型钴基催化剂结构以及费托合成反应活性的影响,并对今后催化剂的研究提出了一些建议。     

费托合成浸渍钴基催化剂的研究

采用浸渍法制备钴基催化剂,对催化剂进行了XRD表征。考察了反应温度、空速对催化剂费托合成反应性能的影响,催化剂的500 h稳定性实验结果表明催化剂具有很高的活性和稳定性。     

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。     

费托合成催化剂的研究进展

围绕费托合成反应产物分布的有效调控这一关键科学问题,综述了近年来在该反应催化剂的设计和研制方面所取得的重要研究进展针对载体(特别是具有规则孔道结构的分子筛或碳材料等)的孔道效应、各类助剂的本质等催化剂方面的关键因素对铁、钴和钌基催化剂的活性及产物选择性的影响进行了系统分析,并探讨了相关体系中的活性金属尺寸效应。还概述了最近在费托合成反应中涌现的新催化材料、新催化剂制备方法和新反应体系。     

活性炭负载钴基催化剂费托合成本征动力学

在温度220℃～250℃、压力2.0MPa～4.0MPa、空速2000h-1～3500h-1、n(H2)/n(CO)=1.0～2.5的条件下,在固定床等温积分反应器中研究了活性炭负载钴基催化剂(Co/AC)的本征动力学。结合碳化物机理以及CO插入机理,通过假设不同的基元反应以及速率控制步骤推导得到了不同的本征动力学方程。根据实验测定数据,采用Levenberg-Maquardt算法回归得到模型参数,并通过统计检验以及相对误差分析得到了适宜的Co/AC催化剂费托合成的本征动力学方程。     

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。     

费托合成Co基催化剂预处理研究进展

预处理对于费托合成技术具有极其重要的作用,综述了Co基催化剂预处理方法(预处理温度、预处理气氛、还原-氧化-还原、还原-碳化-还原和特殊处理方法)的研究进展,讨论了预处理对Co基催化剂的晶粒尺寸、晶相结构、还原度和分散度、稳定性和费托反应性能的影响,并对今后催化剂的研究提出了一些建议。     

助剂锆对费托合成反应性能的影响

考察了添加Zr助剂对钴基催化剂费托合成反应性能的影响,并进行TPR、TPO、XRD等表征。结果表明,Zr能显著提高催化剂的活性,使C5^ 烃类的选择性增大。Zr的含量和催化剂焙烧温度、反应温度均对催化剂的性能有较大影响。用CODEX软件优化表明,当催化剂中Zr含量为Zr／Co＝0．36(原子比),焙烧温度为673K,反应温度为488K时,C5^ 收率最大。加入Zr能有效抑制积炭的生成,但催化剂上炭物种的活性变差。     

Co基催化剂上费托合成中烯烃二次反应行为的研究

在盐浴等温固定床反应器中,考察了气态空速、催化剂颗粒尺寸、反应温度和压力对Co基催化剂上费托合成中烯烃二次反应行为的影响。实验结果表明,烯烃选择性随气态空速的增加而显著提高,高气态空速不利于烯烃的二次反应;烯烃选择性随催化剂颗粒尺寸的增大而减小,表明内扩散限制加剧了烯烃二次反应;反应温度由493K升至533K时,CO转化率从24.73%增至84.08%,烷烃分布向轻质烃方向移动,烯烃选择性略有降低;反应压力由0.5MPa升至2.5MPa时,CO转化率由51.32%增至97.48%,烷烃分布向重质烃方向移动,而烯烃选择性基本不变。在实验条件范围内,气态空速对烯烃二次反应的影响最为显著。     

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。     

ZrO_2改性对Co-Ru/γ-Al_2O_3催化剂F-T合成性能的影响

采用浸渍法制备Co-Ru双金属F-T合成催化剂,通过对催化剂进行BET、XRD和TPR表征,考察了ZrO2负载量对催化剂性能的影响,并在固定床反应器中研究了对合成重质烃反应性能的影响。结果表明,载体γ-Al2O3 ZrO2改性没有引起催化剂还原温度的降低,但可降低载体与Co间的相互作用;随ZrO2含量的增加,催化剂中易还原Co物种量增加;在623～693K下进行还原,催化剂具有较高的还原程度,呈现出良好的合成重质烃反应性能。同时,载体γ-Al2O3用ZrO2改性,可形成Co-ZrO2界面,使CO容易离解。在原料气n(H2)/n(CO)=2.0、503K、1.5MPa和空速800h-1下,15%Co0.4%Ru8.0%ZrO2/γ-Al2O3催化剂CO的转化率为93.27%,C5+的选择性82.56%,链生长概率0.81。     

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。     

Determination of selectivity equations heavy and light product of petroleum on iron based catalysts in Fischer-Tropsch synthesis

The optimal control of selectivity is an important method to trigger catalyst activity in the Fischer-Tropsch synthesis to produce favorable products. The determination of a model that will show the extent of product dependence on various parameters is of great importance in the Fischer-Tropsch synthesis. Efforts to increase a product in industry can be economical. In this research, a comprehensive method was evaluated to create a selectivity model of catalyst Fe/Cu/K/SiO₂ of hydrocarbon products under conditions of temperature, pressure, and space velocity in a fixed-bed reactor. The response surface methodology was used in order to optimize process conditions and the relation of continuous functions between variables, so that the obtained model showed the selectivity of methane, light olefin hydrocarbons, heavy hydrocarbons products by factors such as temperature, pressure, and space velocity. A comparison of the models showed space velocity, among all the other factors, had a considerable effect on the increase selectivity of light hydrocarbons. On the other hand, the selectivity of methane indicates that temperature decrease parameter has the minimum effect on production. Whereas, the temperature rise cause reduces heavy hydrocarbons. The goal is to maximizing light hydrocarbon and minimizing methane and heavy hydrocarbon products.

• Highlights

• ? Comprehensive equations to achieve selectivity model of hydrocarbon products.

• ? The response surface methodology was used in order to optimize process conditions.

• ? The optimum products condition was obtained by using the obtained equations.

     

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。     

费托合成反应中的碳同位素分馏

为了深入研究费托合成反应中的碳同位素分馏,在300℃和35 MPa条件下,以Fe粉为催化剂,利用密闭黄金管对甲酸进行了费托合成实验.实验分为加水和不加水两组.由于金管客积有限,实验中烷烃类产物的碳同位素只测试到甲烷.两组实验都显示,CO2是最富集13C的气体,而甲烷则最贫13C,并且随着反应的进行变得越来越贫13C.在第144 h时CO2与甲烷之间的碳同位素分馏α(CO2-CH4)达到1.052～1.059,与产甲烷菌将CO2还原为CH4过程中所发生的碳同位素分馏(1.048～1.079)相似.实验表明费托合成实验过程受到碳同位素动力学的控制.图4表3参70     

反应条件对Co/SBA-15催化剂Fischer-Tropsch合成性能的影响

采用初湿浸渍法制备了 Co/SBA—15催化剂,采用 N_2物理吸附、X 射线衍射和透射电子显微镜等方法对载体和催化剂进行了表征;在小锈钢固定床反应器中,对 Co/SBA—15催化剂的 Fischer—Tropsch 合成性能进行r评价,考察了反应温度、反应压力及合成气空速对 CO 转化率和产物选择性的影响,得到了 CO 转化率与反应温度、反应压力和合成气空速间的定量关系,并给出了数学表达式。实验结果表明,CO 转化率与反应温度呈指数关系、与反应压力呈线性关系、与合成气空速呈反比关系,过高或过低的反应温度、低反应压力和大合成气空速都不利于长链烃的生成。同时考察了反应时间对 Co/SBA-15催化剂 Fischer-Trop-sch 合成性能的影响。随反应时间的延长,CO 转化率降低,产物选择性变化不大,在考察反应温度、反应压力及合成气空速的影响时,可以忽略反应时间的影响。