工业Fe-Mn催化剂上基于详细反应机理的F-T合成动力学模型Ⅱ.不同校正方法的动力学模型分析

 通过平衡闪蒸模拟催化剂孔道液体组成、烯烃物理吸附和虚拟烯烃分压等方法,考察了化学反应以外的非本征因素对F-T合成动力学模型的校正. 平衡闪蒸模拟催化剂孔道中烯烃组成的校正计算结果表明,在烯烃浓度出现峰值前,溶解度效应对烯烃再吸附及参与二次反应起主导作用,而在烯烃浓度出现峰值后,烯烃的扩散和物理吸附等效应可能起主导作用. 分析烯烃添加的反应器模拟结果发现,考虑烯烃物理吸附作用的动力学模型校正方法不能够正确反映烯烃添加实验的定性规律,而虚拟烯烃分压校正方法能够正确反映烃分布规律并可定量预测烯烃添加对产物分布规律的影响,这对需要尾气循环的F-T合成工业操作具有重要意义.     

F-T合成校正综合动力学模型

考虑了烯烃、醇与酸的再吸附及其非本征效应(烯烃、醇与酸在催化剂孔道中的扩散作用、物理吸附及溶解度效应)对产物分布的影响,推导了基于详细反应机理的亚甲基插入的烷基机理F-T合成校正综合动力学模型.利用文献数据对动力学模型进行了回归,获得了与文献报道结果相一致的动力学参数.由校正动力学模型计算的烷烃、烯烃、醇与酸产物分布及烯烃比、醇烃比及酸烃比与实验数据较好地吻合.动力学计算结果表明,在铁锰催化剂上,烷烃、烯烃、醇与酸生成的反应是平行竞争反应,烯烃、醇与酸在催化剂表面的再吸附及二次反应导致产物分布偏离了ASF分布.动力学研究还表明,相同碳数的醇与酸产物在催化剂表面上再吸附及二次反应的机会比相同碳数的烯烃大.通过比较相同碳数的烯烃、醇与酸的分子体积及沸点,指出了在铁锰催化剂上,低碳数的烯烃、醇与酸的再吸附及二次反应对产物分布影响的非本征效应中,烯烃、醇与酸的扩散阻力不是主导效应.     

Co/ZrO2/SiO2催化剂费-托合成反应动力学研究Ⅱ. 动力学模型的构建和回归

 在典型的Co系催化剂工业操作条件范围(T=473～503 K,p=1.5～4.0 MPa, H2/CO体积比=1.0～3.0)内,采用等温积分固定床反应器对Co/ZrO2/SiO2催化剂进行了F-T合成反应动力学研究. 依据详细可靠的基元反应机理,按照Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson动力学推导方法,获得了Co系催化剂上基于详细反应机理的动力学模型. 通过动力学实验数据的回归分析,发现基于COs直接解离并以烷基为链增长中间体的表面碳物种机理的动力学模型可以较好地描述Co/ZrO2/SiO2催化剂上的F-T合成反应结果,该模型可自洽地描述F-T合成过程中的合成气消耗和烃产物分布状况,且获得的反应活化能等关键动力学参数与文献报道的理论结果基本一致.     

利用高通量技术研究钴基费托催化剂的宏观动力学

利用高通量技术设计并运行了16路平行动力学固定床反应器,用于测量不同接触时间下的稳态反应物消耗速率和产物生成速率,研究了钴基费托催化剂的宏观动力学,包括C1～C4烷烃与烯烃的稳态反应速率及其随床层的分布,以及它们与反应器温度的关系.在等温固定床非扩散限制的反应条件下,除C1和C2烃类外,Cn的生成速率及CO/H2的消耗速率均随接触时间的增加先上升后下降,且烯烃生成速率的最高点较烷烃更靠近反应器入口;反应温度对速率的影响与转化率有关:生成烷烃的表观活化能大于烯烃.高通量动力学反应器可用于生成宏观动力学数据库,以预测催化剂在工业固定床反应器中的行为.     

工业固定床Fe-Cu-K催化剂浆态床F-T合成适应性研究

采用连续搅拌釜式反应器,在接近F-T合成实际工况下考察了工业固定床Fe-Cu-K催化剂浆态床F-T合成反应性能，研究反应温度、压力、原料气空速和氢碳摩尔比等操作参数对催化剂反应活性、产物选择性和稳定性的影响，实验总运转时间达2 500 h；同时采用扫描电镜技术（SEM）对催化剂的抗磨损性能进行了研究，结果表明，操作参数对催化剂的活性、选择性和目标产物产率有较大的影响，工业固定床Fe-Cu-K催化剂具有一定的抗磨损性能，F-T合成烃产物分布合理；催化剂具有较高的稳定性，在589 h的稳定条件运行内，催化剂的失活速率为0.23%/d（以CO转化率的降低计）；在整个运行期间CH4选择性维持在较低的水平。     

甲醇制烯烃反应过程中SAPO-34催化剂积炭动力学研究

在固定床反应器中研究了甲醇制烯烃反应过程中SAPO-34分子筛催化剂的积炭动力学，分别得到了催化剂积炭量与反应温度、剂醇比的经验关联式。结果表明，催化剂床层存在明显的积炭分布，在450 ℃，甲醇WHSV为15 h－1，催化剂积炭量随催化剂反应运行时间（Time on Stream, TOS）为25 min时，床层入口处的积炭量平均为9.56%，而出口处的积炭量平均为3.20%，属于平行失活，积炭主要来源于甲醇生成的高碳中间体，这些中间体在生成低碳烃的同时生成积炭。从积炭的生成机理出发，得到了SAPO-34分子筛催化剂的积炭动力学机理模型，将催化剂积炭量与一定催化剂停留时间内反应过程中甲醇的转化量相关联，该模型形式同样简单，能够较好地拟合实验数据。     

Co/ZrO2/SiO2催化剂上费-托合成反应动力学研究Ⅰ. 反应途径分析

 采用单位键指标-二次指数势(UBI-QEP)方法对模型催化剂Co(0001)晶面进行了费-托(F-T)合成反应的反应能学分析,发现以不含氧的CxHy,s 作为中间体的表面碳化物机理在能量上较为合理,而CH2,s 作为链增长单体的链增长方式是能量上最有利的F-T合成反应途径. 在Co/ZrO2/SiO2催化剂上的非稳态实验研究中发现,在F-T合成的操作温度范围内,H2O的生成是主要的表面O的移去方式; CO解离和表面碳物种Cs加氢可能是F-T合成中的重要速控步骤; 链增长过程是F-T合成反应中较快的基元反应步骤; 甲烷的生成具有多种不同活性的表面前驱体,导致生成的甲烷严重偏离经典的ASF分布规律. 结合F-T合成表面反应的研究结果,初步确定了F-T合成动力学研究中需要考虑的机理模型的范围是以CO解离和表面碳物种Cs加氢为速控步骤,以CH2,s 插入为链增长途径的表面碳化物机理. 该结果缩小了待选动力学模型的范围.     

强酸性阳离子交换树脂催化合成醋酸正丁酯的动力学研究

以强酸性阳离子交换树脂Amberlyst 15作为催化剂,研究了醋酸与正丁醇合成醋酸正丁酯的反应动力学;考察了搅拌速度、催化剂粒径、温度、催化剂用量,以及酸醇物质的量之比对醋酸转化率的影响;建立了拟均相动力学模型,对实验数据进行了拟合,并估算了相应的动力学参数.结果表明,由拟均相动力学模型得到的计算值与实验值吻合较好.     

B108中温变换催化剂宏观动力学的研究

常压下以内循环无梯度反应器研究了B108铁基中温变换催化剂上水煤气变换反应宏观动力学。测定了反应速率,并用马夸特非线性参数估值法获得了幂函数宏观动力学模型r_s=37.67exp(-43982/RT)y_(CO)~(0.7552)y_(H_2O)~(-0.0367)Y_(CO_2)~(-0.4874)y_(H_2)(1-β)根据方差分析和残差分析,证实模型是高度显著的。由实验数据计算出相应反应条件下的效率因子。内扩散对原粒度B108催化剂上的反应具有严重影响。模型用于工业变换炉催化剂的用量核算,模型值与实际值符合良好。     

在HZSM-5分子筛催化剂上苯-乙烯烷基化合成乙苯动力学的研究

近年来,有不少关于各种沸石分子筛上苯—乙烯烷基化反应的研究报道,但动力学的研究报道不多。Becker等研究了在氢型丝光沸石上乙苯合成动力学,得到速率方程r=kP_(苯~(0.6))P_(乙烯~(0.6))。我们以本研究室制备的HZSM-5型分子筛作为催化剂进行了苯—乙烯烷基化反应动力学的研究。为有效地排除扩散影响并使催化剂上各点浓度与温度均匀,直接准确测定反应速率,实验系在磁驱动的内循环无梯度反应器中进行,得到了速率方程及动力学参数。     

同型H-SAPO-5和H-SSZ-24上的乙烯和丁烯齐聚反应:动力学和机理（英文）

B酸型分子筛和分子筛型材料是乙烯转化为高级烯烃的潜在催化剂.本文在C3-C5烯烃形成热力学优于高碳氢化合物的条件下(673-823 K, 1 atm),研究了两种具有AFI结构但酸强度不同的H-SAPO-5和H-SSZ-24催化剂上乙烯、顺式-2-丁烯和乙烯-丁烯混合物的转化反应.乙烯和顺式-2-丁烯分压分别在9-60和0.9-8.1 kpa范围内变化,接触时间分别在3.78-756和0.573-76.4 s.μmol H~+/cm~3范围内变化.在用于计算速率常数的条件范围内,乙烯转化率小于1%,丁烯转化率小于10%.在酸性较强的H-SSZ-24上乙烯转化率比H-SAPO-5高一个数量级(748 K时为6.5对0.3 mmol/mol H+.S,戊烯=33KPa),乙烯中相应的反应级数较低(673 K时为1.5对2.0),表观活化能较低(698-823 K时52对80 k J/mol).两种催化剂上顺式-2-丁烯转化率以及乙烯和顺式-2-丁烯共进料的表观反应速率存在相似的差异.然而,顺式-2-丁烯转化为C3-C5烯烃受热力学限制的影响很大,妨碍了详细的动力学分析,并导致在最高温度下主要生成异丁烯.     

焙烧温度对Fe-Mn催化剂结构和F-T合成性能影响

研究了焙烧温度对Fischer-Tropsch(F-T)合成Fe-Mn催化剂的织构性质、还原行为以及在还原和反应过程中结构变化的影响；在H2/CO=2.0、260 ℃、2.5 MPa和1 000 h－1条件下在固定床反应器上考察了焙烧温度对Fe-Mn催化剂F-T合成反应活性、烃产物选择性和运行稳定性的影响。XRD和TPR结果表明，随着焙烧温度的升高，催化剂中α-Fe2O3晶粒增大，催化剂比表面积降低，促进Mn3+渗入α-Fe2O3晶格中，形成了铁锰固溶体物相，使得催化剂难于还原，当焙烧温度升高到700 ℃时，催化剂中的α-Mn2O3相完全消失。催化剂F-T合成反应评价表明，在不降低催化剂活性的同时，焙烧温度的升高可显著地提高催化剂的反应运行稳定性，并促使烃产物分布向高碳数方向偏移；600 ℃焙烧的Fe-Mn催化剂运行200 h，总体活性高，失活速率较低，对低碳烯烃和中间馏分油段产物选择性好。     

催化裂化气体烃生成反应动力学模型的研究

本文经蜡油和渣油催化剂裂化反应实验和参数估计，确定气体烃生成反应动力学模型参数，原料油组成的关联系数和活化能参数，建立了催化裂化气体烃生成反应动力学模型。统计检验结果表明，所建模型具有较高的计算精度。     

Thermodynamics of carbonyl sulfide poisoning on F-T synthesis catalyst

利用热力学基础数据和相关软件对F-T合成催化剂COS中毒的热力学进行了计算.在热力学上,Ru、Fe、Co的COS中毒在F-T合成反应可以发生的条件下均是自发过程.F-T合成反应体系中10-9级的COS即可使Ru基催化剂中的金属Ru生成RuS2而中毒.Fe和Co毒化后生成的硫化物种类较多,对反应的热力学计算结果表明,对于不同的反应,其平衡常数的差异很大,对应中毒反应发生时,所需COS的浓度也不同.由于Fe基F-T合成催化剂活性相的复杂性,利用对催化剂相关性质的修饰开发具有一定抗硫性的铁基F-T合成催化剂是可行的;对于Co催化剂,利用F-T合成的反应特点和催化剂改性开发具有一定抗硫性催化剂也是可能的.     

La2O3/BaCO3上甲烷氧化偶联反应动力学与历程

以8％La_2O_3/BaCO_3为催化剂,用无梯度反应器,在720～800℃温度范围内,通过改变甲烷与氧分压进行了一系列的甲烷氧化偶联反应动力学测量,确定了该反应的反应历程。乙烷和大部分CO_x(主要是CO_2)是甲烷氧化的一次产物。乙烯是乙烷串行反应的产物。用幂式动力学方程拟合动力学试验数据,估算了各步反应速度方程的动力学参数。还用脉冲反应技术与过渡应答技术证明了参与活化甲烷的是催化剂表面上的可逆吸附氧。     

苯与乙烯在ZSM-5上的烷基化反应:Ⅰ.动力学规律及反应机理

用无梯度反应器在１．１ＭＰａ，６２８Ｋ到７１３Ｋ范围内研究了低浓度乙烯和苯在ＺＳＭ－５催化剂上烷基化反应的动力学规律。实验发现，乙烯的转化速率与苯分压无关；苯生成乙苯的吸附是反应的控制步骤；苯的吸附属弱吸附，吸附粒子既不成为活性分子。也不影响乙烯的吸附，但有效地阻止了乙烯的双分子聚合反应，使烷基化反应顺利进行。     

C302铜基催化剂上甲醇合成的动力学研究 Ⅱ.动力学模型的工业检验

以Ｌｕｒｇｉ型甲醇合成反应器一维非均相数学模型和单颗粒催化剂反应－扩散模型为基础,通过模拟分析及与工业生产数据相对照的方式,对六种具有不同结构的Ｃ３０２催化剂动力学模型进行了工业应用检验,将六种模型用于非等温工业反应器性能分析时,有的模型模拟结果偏离实际情况较远,表明动力学模型结构对反应器模拟结果有较大的影响,有必要对用等温动力学实验数据和方法确立的动力学模型从工业应用角度做进一步检验。基于这一观点,最终确定了三种比较适宜于工业应用的Ｃ３０２催化剂的动力学模型。     

孤岛渣油在分散型催化剂存在下加氢裂化反应动力学的研究Ⅱ．气体生成的动力学

本文研究了孤岛渣油在分散型磷钼酸铵催化剂存在下加氢裂化反应中裂化气体生成的动力学规律。在此基础上，将反应物系分为裂化残渣油、馏分油（Ｃ＿５～４８０℃）、Ｈ＿２Ｓ、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和Ｃ＿２～Ｃ＿４烯烃八个集总，提出了裂化气体生成的一级平行－连串反应动力学网络，进而用随机投点的复合形法求算了气体生成的速率常数和活化能。结果表明，模型计算值与实验数据较为吻合，所提出的气体生成模型对在分散型催化剂存在下孤岛渣油加氢裂化反应中气体的生成反应是合理的。     

密度泛函理论计算研究表面应力对钯催化乙炔选择性加氢活性与选择性的影响（英文）

在石油催化裂解过程中,除了生成乙烯、丙烯及丁烯等烯烃,还会产生部分炔烃.目前工业上通常采用炔烃选择性加氢转化为对应的单烯烃,以除去其中炔烃.由于产品烯烃中的炔烃等杂质含量需极低,这就对用于加氢催化剂的活性和选择性提出了很高的要求,即催化剂需要选择性吸附炔烃并加氢,而不损失其中的烯烃.经过前期大量的基础研究工作,目前工业中炔烃选择性加氢应用最广泛的催化剂是负载型钯基催化剂.然而,单独的钯金属选择性并不理想,因而对其选择性以及活性进行调控成为了当前关注的研究课题.本文采用密度泛函理论计算结合微观反应动力学模拟手段,研究了钯金属表面应力存在条件下的活性与选择性,以及形成次表层物种的可能性和形成后的活性与选择性.研究发现,改变钯金属的晶格参数与表面应力,反应物、表面反应中间体和产物的吸附能都会产生相应的变化,且吸附能与晶格参数的变化存在线性关系,晶格参数越大,吸附越强.利用表面反应过渡态能量与初始态能量之间的线性关系,相应的乙炔加氢生成乙烯的反应速率可以通过微观反应动力学模拟得到.结果显示,不同晶格参数的钯催化剂催化乙炔加氢生成乙烯的反应活性位于相应火山型曲线的强吸附侧,即减弱乙炔和氢的吸附强度可提高乙烯的生成速率.在此基础上,本文研究了不同表面应力的钯催化剂在次表面吸附不同覆盖度碳原子和氢原子的情况,发现晶格参数越大越有利于碳原子和氢原子在次表面的吸附.同时,研究发现在次表面碳掺杂的条件下,不同表面应力条件下的钯催化剂的活性均有所增强.此外,由于乙烯在所有研究的钯催化剂表面脱附比进一步加氢容易,因而乙烯都可以选择性生成.     

甲烷水蒸汽反应动力学的研究II.动力学方程

在常压、反应温度800—900℃和水碳比为1.5—1.6的条件下,分别用细粒度(0.045—0.047毫米)和工业粒度的低活性S-4镍催化剂在积分反应器和内循环无梯度反应器中,研究了甲烷水蒸汽反应的动力学。实验结果表明,该反应体系中的水煤气反应没有达到平衡,利用基本上不受扩散影响的细粒度催化剂所进行的实验,获得甲烷水蒸汽反应的速率表达(8)。其产物分布用(4)式进行关联。 对工业粒度催化剂,得到甲烷水蒸汽反应的速率表达式(10)。实验数据表明,工业粒度催化剂的效率因子或表面利用率随甲烷转化率的升高而降低。根据(8)式和(10)式可推算出,在850℃时催化剂的平均有效作用层厚度仅0.048毫米。