反应条件对钴基费—托合成催化剂产物分布影响的氘同位素示踪研究

论文摘要

费-托合成是将CO和H2在催化剂的作用下转化为液态清洁燃料的化学转化过程。钴基费-托合成催化剂由于其高的重质烃选择性和经济性日益受到重视。费-托合成的产物分布受Anderson-Schulz-Flory分布规律的限制,难以选择性的合成出某种特定的产物。因此,反应条件对费-托合成产物选择性的影响一直是机理研究和合成工艺研究的一个重要课题。综合文献报道,反应总压力和合成气空速对钴基费-托合成产物分布的影响尚不清楚甚至存在争议。考虑到反应体系中存在产物累积效应,可能影响到前人分析结果的准确性,需要采用新的实验方法以得到更为可靠的实验数据来考察反应条件对产物分布的影响。本文利用氘同位素示踪的方法消除产物累积效应,以此得出不同条件下合成产物的真实分布,并深入剖析了反应条件对产物分布和烯烃二次反应的影响。具体结果包括以下方面:1.用氘气进行费-托合成反应时表现出明显的反同位素效应。其具体表现为合成气转化率的升高,氘代产物在色谱上的保留时间比氢代产物小;2.合成气转化率随着反应总压力的提高和反应气空速的降低而升高,异构烃类和烷烃的选择性随着反应压力和空速的降低而升高;3.真实的产物分布遵循典型的ASF分布,碳链增长几率只有一个,其值与碳链长度和合成气空速无关。说明对于钴基催化剂,烯烃再吸附后进行二次链增长反应的比例很小甚至可以忽略不计;4.随反应总压不同,催化剂表面液相的组成发生变化,引起碳链增长和终止速率系数的比值增大,导致碳链增长几率随反应压力升高;5.滞留在反应体系中产物的Pr/O值随反应时间变化很小。说明催化剂表面物理吸附层的存在,导致反应生成的烯烃一旦脱离物理吸附层,再次在催化剂表面吸附并进行二次反应的可能性并不大。并且由于催化剂表面物理吸附层中产物分子的浓度随链长而增加,使得产物的Pr/O值随着碳链的增长而增大;6.同碳数烃类产物的Pr/O值随着反应压力或合成气空速的升高而降低,这是由于催化剂表面金属原子的TOF值和反应体系CO分压对烯烃二次反应有显著影响。高的TOF值和CO的分压使烯烃的竞争吸附程度减弱,二次反应程度降低,产物中烯烃的选择性提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 费-托合成研究背景和现状
• 1.2 费-托合成过程
• 1.2.1 合成气制备
• 1.2.2 费-托合成反应
• 1.2.3 产物的分离和优化
• 1.3 费-托合成反应的产物分布
• 1.3.1 费-托合成的热动力学分析
• 1.3.2 费-托合成的反应机理
• 1.3.3 ASF 分布
• 1.3.4 费-托合成产物偏离ASF 分布
• 1.3.5 烯烃重吸附理论
• 1.3.6 产物滞留理论
• 1.3.7 反应条件变化对产物分布的影响
• 1.4 同位素示踪法在费-托合成中的应用
• 1.4.1 同位素示踪法综述
• 1.4.2 同位素示踪法的原理
• 1.4.3 同位素示踪法的实验装置
• 1.4.4 同位素示踪法在费-托合成中的应用
• 1.4.5 利用同位素示踪法得到费-托合成的真实产物分布
• 1.5 论文选题目的及工作思路
• 第2章 氘同位素示踪实验及数据分析
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 催化剂制备
• 2.2.2 催化剂反应系统
• 2/H₂切换实验'>2.2.3 稳态D₂/H₂切换实验
• 2.2.4 样品分析
• 2.3 数据处理
• 2.3.1 转化率计算
• 2.3.2 产物摩尔选择性计算
• 2.3.3 氘代产物的定量计算
• 第3章 反应气空速对钴基催化剂产物分布的影响
• 3.1 引言
• 3.2 氘的反同位素效应
• 3.3 合成气空速对催化剂催化性能的影响
• 3.3.1 合成气空速对CO 转化率的影响
• 3.3.2 合成气空速对产物选择性的影响
• 3.3.3 不同合成气空速下产物的真实分布
• 3.3.4 不同合成气空速下产物的PR/O 值
• 3.4 本章小结
• 第4章 反应总压对钴基催化剂产物分布的影响
• 4.1 引言
• 4.2 压力对催化性能的影响
• 4.2.1 不同操作压力下合成气的转化率
• 4.2.2 操作压力对催化剂失活速率的影响
• 4.2.3 操作压力对产物选择性的影响
• 4.2.4 不同操作压力下产物的真实分布
• R/O 值'>4.2.5 不同操作压力下产物的真实P_R/O 值
• 4.3 本章小节
• 论文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及收录情况
• 附录B 反应尾气在色谱AGILENT 3000 上的分析条件
• 附录C 油蜡混合物在色谱AGILENT 4890 上的分析条件