流化床反应器中Ni/γ-Al2O3催化剂上甲烷部分氧化制合成气

催化甲烷部分氧化(POM)制合成气已成为替代水蒸气重整最有希望的工艺过程之一[1]. 该过程是个温和的放热反应,反应速度非常快,在高空速下可实现高甲烷转化,并且制得的合成气V(H2)/V(CO)=2, 可直接用于合成甲醇及F-T合成烃类、合成二甲醚等后续工业过程. 到目前为止,大部分POM的研究工作在固定床反应器中进行[2～4]. 由于反应速度极快,导致催化剂表面存在热点[2,5], 不仅影响实验的准确性[6,7], 而且工业应用困难. 热点的存在还会导致活性组分Ni的烧结和流失. 在固定床反应器中,催化剂积炭也是导致其活性下降的重要原因[8,9]. Bharadwaj等[10]发现,流化床反应器Rh和Ni催化剂上甲烷转化率高达90%, 反应后催化剂未发现积炭. Santos等[11]曾报道采用流化床催化剂床层几乎可以实现等温分布,而且甲烷转化率接近热力学平衡值, 反应10 h后催化剂表面积炭量仅为0.6%. 本文采用流化床反应器考察了不同反应条件下Ni/γ-Al2O3催化剂上甲烷部分氧化的反应性能,同时对催化剂积炭及稳定性作了初步研究.     

等离子体作用下甲烷氢化偶联

在常温常压下,研究了脉冲放电等离子体及其协同催化剂强化CH₄氢化偶联反应.结果表明:脉冲电晕等离子体条件下,甲烷中引入氢气可以实现偶联,而且随着氢气引入量的增加甲烷的转化率以及C₂收率增大,积碳减少;脉冲电压和重复频率影响CH₄的转化;引入Ni/γ -Al₂O₃催化剂后可改善产物C₂烃的分布,等离子体法制备的Ni/γ -Al₂O₃催化剂性能优于化学法制备的Ni/γ -Al₂O₃催化剂.开辟了一条甲烷偶联新技术路线.     

介质阻挡放电等离子体催化天然气偶联制C2烃

在常压、室温的介质阻挡放电连续流动反应器中, 对介质阻挡放电等离子体作用下天然气偶联反应制C₂烃进行了研究. 考察了放电频率、放电的电极结构、放电电压、放电的电极数目、氢气、甲烷进料流量和催化剂等参数对甲烷转化率和产物(碳二烃和碳三烃)的选择性影响规律, 同时探讨了反应过程. 结果表明合适的工艺条件为: 电源频率20 kHz, 电极结构为两个电极上都覆盖绝缘介质的b型, 放电电压20~40 kV, 进料流量20~60 mL·min^-1, H₂/CH₄为1/4; 甲烷的转化率随电压的升高而增大, 随甲烷进料流量的增大而减小, 碳二烃的选择性随电压的升高而减小, 随甲烷进料流量的增大而增大. 甲烷的转化率可达45%, 碳二烃选择性可达76%, 产品(碳二烃和碳三烃)的总选择性接近100%; 连续反应100 h无积碳; 催化剂可改善产品碳二烃的选择性; 碳二烃和碳三烃的生成主要是通过自由基和甲烷分子反应获得的.     

甲烷重整制合成气镍催化剂积炭研究

本文综述了甲烷转化制合成气镍催化剂积炭的研究进展,论述了积炭热力学和动力学、积炭类型、积炭机理和影响积炭的因素,详细分析了催化剂的镍粒子尺寸、镍-载体相互作用、载体碱性强度、载体氧化-还原性质和添加助剂对镍催化剂的积炭速率和积炭量的影响,并总结了重整反应工艺参数和反应器形式对镍催化剂积炭的影响。最后指出,采用现代表征手段阐明镍催化剂的积炭机理、种类和数量,明确积炭的规律,可为设计开发抗积炭性能强的镍催化剂提供理论依据;可通过增强金属与载体的相互作用、减小镍粒子的尺寸(镍粒子尺寸小于20 nm)和选择适宜的载体来制备抗积炭性能强的催化剂;可通过采用流化床反应器且优化工艺参数来减少重整过程积炭量;可通过寻求行之有效的积炭催化剂再生方法来解决镍催化剂积炭问题。     

Ni基催化剂上甲烷与空气或O_2/水蒸气部分氧化制合成气(英文)

在固定床反应器中考察了Ni基催化剂上甲烷氧化与空气或O2/水蒸气部分氧化制合成气的反应。用空气取代纯氧同样能获得高甲烷转化率和产物选择性。水的添加主要发生水气变换反应,同时也能降低催化剂上积炭。在甲烷与纯氧500小时反应的稳定性考察中,甲烷转化率、CO及H2选择性分别保持在90％、95％和95％以上;反应后上层催化剂的Ni含量从新鲜催化剂的7.2％下降到5.2％,在反应后的催化剂上没有发现积炭和相变。     

CH_4、CO_2与O_2制合成气催化剂研究 VI.催化剂表面积炭种类和积炭动力学研究

利用XPS考察了甲烷、二氧化碳和氧气制合成气反应前后Ni/γ-Al2O3和Ni-Ce-Mn-Li/γ-Al2O3催化剂表面炭物种.发现反应后Ni/γ-Al2O3催化剂表面积炭有四种类型-表面碳酸盐、污染炭、金属炭化物和非活性炭,而高活性和稳定性Ni-Ce-Mn-Li/γ-Al2O3催化剂表面积炭仅有两种类型——污染炭和金属炭化物.非活性炭是导致催化剂失活的主要原因之一.积炭动力学研究表明:Ni-Ce-Mn-Li/γ-Al2O3催化剂上积炭反应的动力学方程为:-0.45·PO2-1.80,该催化剂积炭反应的表观活化能较高,从而抑制积炭反应的进行.1.1·PO2r0=A·e-ERT·PCH4     

两段法甲烷催化氧化制合成气研究

提出了一种将甲烷低温催化燃烧和部分氧化相结合制取合成气的新方法 ,考察了反应条件对Pd Pt催化剂上的甲烷低温燃烧反应性能以及Ni-La2 O3 MgAl2 O4 -Al2 O3催化剂上甲烷催化氧化制合成气反应性能的影响。结果表明 :采用两个串联固定床反应器和分段进氧 ,不仅可以使反应原料偏离爆炸极限 ,确保过程的安全操作 ;而且一段反应器采用低温进料 ,通过少量甲烷催化燃烧 ,为二段反应提供含有少量CO2 、H2 O等氧化产物的反应原料。在二段反应器中 ,放热的甲烷部分氧化反应和吸热的蒸汽重整及CO2 重整反应同时进行 ,可避免催化剂床层飞温 ,使反应基本上在绝热恒温条件下进行 ,可用两个串联的固定床反应器实现甲烷部分氧化制合成气反应。在适合的反应条件下 ,甲烷转化率可达 93% ,H2 和CO选择性分别为 97%和 98%。     

Ni/Al2O3催化剂上甲烷部分氧化制合成气反应积炭的研究

合成气制备;Ni/Al2O3催化剂上甲烷部分氧化制合成气反应积炭的研究     

La-Cu4FeAlCO3水滑石催化苯酚羟基化反应的动力学及反应机理

采用微波晶化法制取了La-Cu₄FeAlCO₃催化剂, 并通过XRD和IR手段对合成的化合物La-Cu₄FeAlCO₃进行了表征, 证明所得晶体为水滑石结构. 将催化剂La-Cu₄FeAlCO₃用于催化双氧水苯酚羟基化反应, 考察了反应时间、苯酚/双氧水摩尔比对苯酚羟基化的影响, 以及催化剂、苯酚、双氧水用量、反应温度与苯酚羟基化反应速率的关系. 结果表明: 在0.5 g苯酚、苯酚/双氧水(摩尔比)=1︰2, 0.025 g催化剂La-Cu₄FeAlCO₃、10 mL水为溶剂、反应温度为343 K, 反应120 min的反应条件下, 苯酚的转化率为50.09%. 且求出动力学方程为v=k[La-Cu₄FeAlCO₃] [C₆H₅OH][H₂O₂], 活化能E_a= 58.37 kJ/mol. 根据双氧水处理过的催化剂XPS表征结果, 得到了该反应机理为HO-Cu⁺-OH的过渡态自由基反应.     

CH4、CO2与O2制合成气催化剂研究VI．催化剂表面积炭种类和积炭动力学研究

利用XPS考察了甲烷、二氧化碳和氧气制合成气反应前后Ni/γ-Al2O3和Ni-Ce-Mn-Li/γ-Al2O3催化剂表面炭物种.发现反应后Ni/γ-Al2O3催化剂表面积炭有四种类型-表面碳酸盐、污染炭、金属炭化物和非活性炭,而高活性和稳定性Ni-Ce-Mn-Li/γ-Al 2O3催化剂表面积炭仅有两种类型--污染炭和金属炭化物.非活性炭是导致催化剂失活的主要原因之一.积炭动力学研究表明 Ni-Ce-Mn-Li/γ-Al 2O 3催化剂上积炭反应的动力学方程为 r0=A·e(-E)/(RT)·PCH41.1·PO2-0.45·PO2-1.80,该催化剂积炭反应的表观活化能较高,从而抑制积炭反应的进行.     

Hydrogen Production by Catalytic Reforming of Gaseous Hydrocarbons (Methane &; LPG)

Hydrogen has been attracting great interest as a major energy source in near future. The lack of an infrastructure has led to a research effort to develop fuel processing technology for production of hydrogen. In this review, we are reporting the catalytic reforming of gaseous hydrocarbons carried out in our research group, covering dry-reforming of CH₄, tri-reforming of CH₄, the electrocatalytic reforming of CH₄ by CO₂ in the SOFC (solid oxide fuel cell) system and steam reforming of LPG. Especially, we have focused on our work, though the related work from other researchers is also discussed wherever necessary. It was found that tri-reforming of CH₄ over NiO–YSZ–CeO₂ catalyst was more desirable than dry-reforming of CH₄ due to higher reforming activity and less carbon formation. The synthesis gas produced by tri-reforming of CH₄ can be used for the production of dimethyl ether, Fischer–Tropsch synthesis fuels and high valued chemicals. To improve the problem of deactivation of catalyst due to carbon formation in the dry reforming of CH_4, the internal reforming of CH₄ by CO₂ in SOFC system with NiO–YSZ–CeO₂ anode catalyst was suggested for cogeneration of a syngas and electricity. It was found that Rh-spc-Ni/MgAl catalyst showed long term stability for 1,100 h in the steam reforming of LPG under the tested conditions. The addition of Rh to spc-Ni/MgAl catalyst restricted the deactivation of catalyst due to carbon formation in the steam reforming of LPG and diesel under the tested conditions. The result suggested that the developed reforming catalysts can be used in the reforming process of CH₄, LNG and LPG for application to hydrogen station and fuel processor system.     

CH_4-H_2O-CO_2转化制取合成甲醇原料气的研究Ⅲ.镍催化剂活性降低原因的探讨

在变温床中考查了负载型镍催化剂用于ＣＨ４Ｈ２ＯＣＯ２转化制取合成气的活性与稳定性，该过程所制得的合成气勿需分离即可直接用于合成甲醇。本文对催化剂活性下降的原因用比表面、孔结构、ＸＲＤ和ＸＰＳ对不同反应时间的催化剂进行了对比分析，发现镍催化剂活性降低的原因是催化剂表面镍的大量流失。     

Preface for the Special Column of Methane Transformation

Methane is the main constituent of natural gas, coal-bed gas, landfill gas and methane hydrate resources. These resources may be used more efficiently as clean fuels or as chemical feedstocks if methane can be effectively transformed into liquid fuels or chemicals. However, methane only possesses C-H bonds and is a very stable organic molecule hard to functionalize. The C-H activation, particularly the selective functionalization of C-H bonds in saturated hydrocarbons, remains a difficult challenge in chemistry. The present technology for chemical utilization of methane involves the steam reforming of methane to synthesis gas and the subsequent transformation of synthesis gas to methanol or hydrocarbon fuels via methanol synthesis or Fischer-Tropsch synthesis. However, the steam reforming of methane is a high-cost process. The development of more efficient and economical processes for methane transformation is a dream of all chemists and chemical engineers. I think that this is also one of the most important themes of the Journal of Natural Gas Chemistry.     

Syngas Production from Propane Using Atmospheric Non-thermal Plasma

Propane steam reforming using a sliding discharge reactor was investigated under atmospheric pressure and low temperature (420 K). Non-thermal plasma steam reforming proceeded efficiently and hydrogen was formed as a main product (H₂ concentration up to 50%). By-products (C₂-hydrocarbons, methane, carbon dioxide) were measured with concentrations lower than 6%. The mean electrical power injected in the discharge is less than 2 kW. The process efficiency is described in terms of propane conversion rate, steam reforming and cracking selectivity, as well as by-products production. Chemical processes modelling based on classical thermodynamic equilibrium reactor is also proposed. Calculated data fit quiet well experimental results and indicate that the improvement of C₃H₈ conversion and then H₂ production can be achieved by increasing the gas fraction through the discharge. By improving the reactor design, the non-thermal plasma has a potential for being an effective way for supplying hydrogen or synthesis gas.     

甲烷自热重整制氢的热力学和动力学分析

对甲烷自热重整进行了系统的热力学分析,并采用预混合层流模型结合甲烷氧化、蒸汽重整、干重整机理对反应过程进行了动力学分析。结果表明,甲烷自热重整的平衡产物及其浓度主要受温度、O₂/CH₄、H₂O/CH₄的影响;压力影响不是十分明显,主要影响达到平衡的速度。在715℃~730℃、压力0.7MPa~1.0MPa,控制O₂/CH₄在0.60~0.70、H₂O/CH₄在3.15~3.25,可以得到H₂>68%、CO<10%的产物气,积炭率接近于0。动力学分析表明,自热重整过程分为两个主要阶段进行,在起始阶段主要发生甲烷氧化反应,产物主要为H₂O和CO₂;第二阶段以甲烷蒸汽重整反应为主,伴随水气变换反应（WGS）和微弱的干重整,H_2、CO和CO₂为主要产物。调节初始水浓度可以控制快速氧化阶段反应速率,避免“热点”出现,抑制CO的生成。     

Computational fluid dynamics study of the dry reforming of methane over Ni/Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript> catalyst in a membrane reactor. Coke deposition

This work investigates the dry reforming of CH₄ as an important process for the conversion of greenhouse gases to synthesis gas. The mixture of methane and CO₂ is readily available in the greenhouse gas which makes realization of dry reforming of methane process more convenient. The paper is an attempt to numerically analyse by computational fluid dynamics (CFD) the coking and gasification mechanisms in the lab-scale membrane module with a fixed-bed supported nickel catalyst (Ni/Al₂O₃). The concentrations and molar fluxes obtained by the simulation are compared with the experimental profiles to validate the CFD model. It was found that working in a catalytic fixed-bed membrane reactor, in the case of the dry reforming of methane and under specific conditions, was not critical, from the point of view of catalyst deactivation.     

甲醇POSR制氢的反应网络热力学分析和有效因子的估算

在Cu/ZnO/Al2O3催化剂上对甲醇部分氧化蒸汽重整制备氢气反应的动力学过程进行了研究。在常压和473 K～1 073 K温度范围内对该反应网络中的甲醇部分氧化、甲醇蒸汽重整、甲醇分解和水煤气反应的化学平衡进行了分析。在对这些反应的催化剂Cu/ZnO/Al2O3动力学研究的基础上，根据有效因子的基本概念，考虑催化剂颗粒内的扩散限制，对每个反应沿反应器床层的有效因子进行了估算。     

Rh/SiO_2催化剂上甲烷部分氧化制合成气的反应机理

采用原位Raman光谱技术,在原料气中的O2未完全耗尽的条件下,对CH4部分氧化制合成气反应的Rh/SiO2催化剂床层前部贵金属物种的化学态以及由CH4解离所生成的碳物种进行了表征.在此基础上采用脉冲反应和同位素示踪技术,比较了CH4的部分氧化及其与H2O和CO2的重整等反应对催化剂床层氧化区内CO和H2生成的相对贡献,并将实验结果与Ra-man光谱表征结果进行了关联.结果表明,在600°C下将还原后的4%Rh/SiO2催化剂切入CH4:O2:Ar=2:1:45原料气,催化剂床层前部未检测到铑氧化物的Raman谱峰,但可清晰检测到源于CH4解离的碳物种;在700°C和接触时间小于1ms的条件下,催化剂床层的氧化区内已有大量CO和H2生成,在相同的实验条件下,CH4与H2O或CO2重整反应对氧化区内合成气生成的贡献则很小;以CH4:16O2:H218O:He=2:1:2:95为原料气的同位素示踪实验结果表明,在原料气中16O2未完全耗尽的情况下,反应产物中C16O的含量占CO生成总量的92.3%,表明CO主要来自CH4的部分氧化反应.上述结果均表明,在O2存在下Rh/SiO2催化剂上CO和H2可以通过CH4直接解离和部分氧化机理生成.     

STUDIES ON PREPARATION OF GAS FOR METHANOL SYNTHESIS BY METHANE REFORMING WITH STEAM AND CO_2 Ⅱ.ACTIVITY AND STABILITY OF SUPPORTED NICKEL CATALYSTS

lntroductionMethanolissynthesizedbyblendgasofCOandH2.FeedstockgasformethanolsynthesismustbeinlinewiththefollowingstoichiometricrelationtR=(H2-Co2)/(Co CO2)52Inaddition,thecontentofCo2shouldbelowerthan8%ll1.MethanereformingwithsteamandCO2canproducethequalifiedsynthesisgasformethanolsynthesisinindustry.ComParedwithtndtionalsteaInrefotheng,thefeedstocksynthsisgasproducedbymethanreformingwithsteamandCO2docsnotneedseparaingandcanbedirectlyusedinmethanolsynthesis.Therefore,thecostofmethanolca…     

共沉淀镍催化剂用于膜反应器中高碳烃类燃料水蒸气重整反应

 采用共沉淀法制备了NiO/La-Al2O3催化剂,利用低温N2物理吸附、程序升温还原、 H2-O2化学吸附和X射线衍射对催化剂进行了表征,并将该催化剂应用于Pd膜反应器中高碳烃类燃料水蒸气重整反应. 结果表明,催化剂中NiO与载体间存在较强的相互作用. 与常规固定床反应器相比,在膜反应器中,由于高渗透性能的Pd金属复合膜能选择分离氢气,结果氢气产率得到了明显的提高,甲烷的生成得到了有效抑制,并且在接近实用的反应条件下,依然能够得到高的氢气产率和回收率. 高碳烃类燃料水蒸气重整反应制氢的过程可以在一个膜反应器中,利用一种催化剂在反应温度低于823 K的温和条件下实现.