焙烧温度对含Mg助剂的铁基催化剂F-T合成反应性能的影响

采用连续共沉淀和喷雾干燥技术相结合的方法制备了Mg助剂的Fe/Cu/K/SiO2催化剂,采用N2物理吸附、XRD、MES 和H2-TPR等表征手段,考察了焙烧温度对催化剂比表面积、体相结构和还原性能的影响。结果表明,随着焙烧温度的升高,催化剂的比表面积降低,平均孔径增大,体相中α-Fe2O3晶粒逐渐增大,催化剂变的越来越难还原,其结构更加稳定。在H2/CO （摩尔比）= 2.2、250 ℃、2.0 MPa和2 000 h－1于固定床反应器考察了焙烧温度对该催化剂F-T合成反应性能的影响,结果表明,随着焙烧温度的升高,催化剂的F-T合成反应活性降低,在运行过程中反应活性逐渐增加直至达到平稳,但达到平稳所需的诱导期越来越长;提高焙烧温度使烃产物分布向重质烃方向转移,有利于降低CH4的选择性,促进重质烃的生成。     

Cu助剂的加入方式对铁基催化剂F-T合成性能的影响

采用不同的沉淀方式与喷雾干燥成型技术相结合的方法制备了系列微球状FeCuK/SiO2催化剂,结合H2-TPR和M(o)ssbauer谱等表征手段,研究Cu助剂的加入方式对铁基催化剂物相结构、还原和碳化行为以及F-T合成性能的影响.催化剂在浆态床反应器中以接近F-T合成实际工况条件(250℃、1.5 MPa、H2/CO=...     

Promoter effect on the CO_2-H_2O formation during Fischer-Tropsch synthesis on iron-based catalysts

The effects of Mg,La and Ca promoters on primary and secondary CO2 and H2O formation pathways during Fischer-Tropsch synthesis on precipitated Fe/Cu/SiO2 catalysts are investigated.The chemisorbed oxygen atoms in the primary pathway formed in the CO dissociation steps reacted with co-adsorbed hydrogen or carbon monoxide to produce H2O and CO2,respectively.The secondary pathway was the water-gas shift reaction.The results indicated that the CO2 production led to an increase in both primary and secondary pathways,and H2O production decreased when surface basicity of the catalyst increased in the order Ca Mg La.     

高温沉淀铁基催化剂上费托合成含氧化合物生成机理的研究

采用漫反射原位红外光谱法及化学捕获方法,考察了费托合成过程中高温沉淀铁基催化剂表面吸附物种的变化,并探讨了含氧化合物的生成机理。结果表明,CO在高温沉淀铁基催化剂上有线式和桥式两种吸附态存在,同时,CO的吸附在催化剂表面生成大量含氧化合物前驱体。费托原位实验捕获到了一些较关键的中间产物:表面乙酸盐、表面酰基、甲氧基等。同时发现高温沉淀铁基催化剂表面具有以下反应共性:醇类可与表面羟基结合生成烷氧基团;催化剂表面的吸附分子具有氧化性;一些基础化学物质如OH^-、晶格氧等可以与甲醇或乙醛分子发生反应。对CH₃OH + CO及CH₃I + CO + H₂两个反应的化学捕获实验表明,酰基是C₂⁺含氧化合物的重要中间产物,酰基加氢是形成C₂⁺含氧化合物的关键步骤。根据表面中间产物及反应特性,得到了高温沉淀铁基催化剂上费托合成含氧化合物的生成机理。     

Cr 助剂对 Fe 基催化剂结构和费托合成性能的影响

 采用 N2 吸附-脱附、X 射线衍射、穆斯堡尔谱、X 射线光电子能谱、程序升温还原和热重分析等技术研究了助剂 Cr 含量对 Fe 基费托合成催化剂的织构性质、还原行为以及物相变化的影响. 在 H2/CO = 2.0, 260~300 oC, 1.5 MPa 和 2 000 ml/(g•h) 条件下, 在固定床反应器中考察了 Cr 含量对 Fe 基催化剂费托合成反应活性和产物烃选择性的影响. 结果表明, 在氧化态催化剂中, Cr 助剂与 Fe 物相存在较强的相互作用, 形成固溶体相 α-(Cr1-xFex)2O3; 随着 Cr 含量的增加, 逐渐由单一的富 Fe 相 α-(Fe1-xCrx)2O3 向富 Fe 相和富 Cr 相 α-(Cr1-yFey)2O3 两相过渡. Fe-Cr 固溶体的生成显著抑制了催化剂的还原, 导致催化剂还原度降低, 因而催化剂活性下降. 同时, Cr 的添加提高了甲烷和轻质烃选择性, 但抑制了水煤气变换活性.     

Fischer-Tropsch synthesis by nano-structured iron catalyst

Effects of nanoscale iron oxide particles on textural structure, reduction, carburization and catalytic behavior of precipitated iron catalyst in Fischer-Tropsch synthesis (FTS) are investigated. Nanostructured iron catalysts were prepared by microemulsion method in two series. Firstly, Fe2O3, CuO and La2O3 nanoparticles were prepared separately and were mixed to attain Fe/Cu/La nanostructured catalyst (sep-nano catalyst); Secondly nanostructured catalyst was prepared by co-precipitation in a water-in-oil microemulsion method (mix-nano catalyst). Also, conventional iron catalyst was prepared with common co-precipitation method. Structural characterizations of the catalysts were performed by TEM, XRD, H2 and CO-TPR tests. Particle size of iron oxides for sep-nano and mix-nano catalysts, which were determined by XRD pattern (Scherrer equation) and TEM images was about 20 and 21.6 nm, respectively. Catalyst evaluation was conducted in a fixed-bed stainless steel reactor and compared with conventional iron catalyst. The results revealed that FTS reaction increased while WGS reaction and olefin/paraffin ratio decreased in nanostructured iron catalysts.     

Effects of ceria addition and pre-calcination temperature on performance of cobalt catalysts for Fischer-Tropsch synthesis

Summary The effect of ceria addition on the performance of 10 wt.% Co catalysts supported on SiO2 and Al2O3 for Fischer-Tropsch synthesis has been investigated. The catalysts were prepared by impregnation method and characterized by X-ray diffraction technique. The catalytic tests (P = 1 atm, T = 488 K, H2/CO = 2, GHSV=1800 h-1) indicate that with addition of ceria, significant changes in CO conversion and hydrocarbon selectivities are observed. Also, the experiments show that the performance of 10 wt.% Co-CeO2/Al2O3 depends on the ceria concentration as well as on the pre-calcination temperature.     

铁基费托合成催化剂相变调控及反应性能

在Fe基模型催化剂上,通过先深度还原后控制碳化的方法实现了物相结构的调控.采用X射线衍射、穆斯堡尔谱、程序升温脱附技术和激光拉曼光谱等方法表征了催化剂还原和反应前后的物化性质,并在固定床反应器中考察了不同条件活化后催化剂上费托反应性能.结果表明,H₂还原后的催化剂主要由α-Fe相组成,且随着还原温度的提高,α-Fe相的致密程度增加,平均晶粒尺寸增加,稳定性提高;再采用乙烯对H₂还原后催化剂进行碳化,可有效控制α-Fe的碳化速度,使碳化过程主要发生在Fe晶粒表层,同时改变了催化剂在反应过程中的物相变化,乃至其催化性能.与纯H₂或合成气气氛活化的催化剂相比,采用先H₂还原后乙烯碳化的预处理方法能够明显提高催化剂的活性和稳定性.     

Zn助剂对铁基催化剂费托合成制低碳烯烃性能的影响

低碳烯烃(C2=–C4=)是十分重要的基础化工原料,目前主要采用热裂解或催化裂解石脑油、蜡油等工艺路线生产。近年来,针对全球范围的石油危机及我国富煤贫油这一基本的国情,以煤、天然气(页岩气)和生物质等丰厚的碳资源,经合成气制取低碳烯烃的工艺路线备受关注。其中,合成气经由甲醇或二甲醚间接制取烯烃技术(MTO/MTP)已经工业化;与之相比,费托合成直接生产低碳烯烃(FTO)工艺流程短、投资和操作费用低,具有良好的工业发展前景。目前,费托合成催化剂活性组分的研究主要集中于Fe, Co, Ni和Ru等元素,其中Fe基催化剂具有较高低碳烯烃选择性、较低甲烷选择性和制造廉价等优势,更适合于FTO反应。最近,人们大多聚焦于对负载型铁基催化剂的研究,但传统非负载型铁催化剂由于其制备简单、价格低廉,仍然具有巨大的开发前景。近来,我们组报道了采用微波水热法制备的Zr助剂改性Fe-Zr催化剂应用于CO加氢研究,提高了催化剂的活性,与传统Mn改性铁基催化剂相比, CO2选择性明显降低。目前,已有研究小组对Zn助剂提高铁基催化剂烯烃选择性进行报道,但反应过程中的严重积碳问题却少有研究。我们在Fe-Zr催化剂的基础上,进一步研究了Zn助剂在提高铁基催化剂低碳烯烃选择性、改善产物分布和降低反应过程积碳方面的作用。
　　我们分别采用微波水热法和浸渍法对铁基催化剂进行了Zn改性,并将其用于费托合成制取低碳烯烃反应。运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2物理吸附(BET)、H2程序升温还原(H2-TPR)和X射线光电子能谱(XPS)技术手段对催化剂的物理和化学性质进行了表征。结果表明,两种方法改性后的铁基催化剂具有高低碳烯烃选择性和稳定性,重质烃(C5+)含量降低,且保持低CO2选择性。此外,采用两种方法Zn改性的铁基催化剂展现出了不同的特性。 XRD结果表明,反应前两种方法制备的样品α-Fe2O3物相晶粒大小均为15–18 nm,反应后浸渍法制备的样品对应物相(ZnFe2O4)晶粒大小约为25 nm、而微波水热法制备的样品约为20 nm,说明微波水热法改性的催化剂有效分散了Fe活性组分; H2-TPR结果显示,两种Zn助剂加入方法对催化剂Fe组分的还原行为有不同程度影响,体现了活性组分间不同的相互作用; XPS结果表明, Zn助剂改变了催化剂Fe活性位的化学性质,在微波水热法制得催化剂的表面Zn含量更低、分散度更高,而Zn助剂的加入对Zr组分没有明显影响。所有催化剂经200 h在线活性测试后,采用传统浸渍法制备的催化剂表面有大量积碳生成;而采用微波水热改性铁基催化剂积碳量明显减少,表现出更高的催化活性与稳定性。     

钾助剂对F-T合成铁基催化剂浆态床反应性能的影响

 采用连续共沉淀与喷雾干燥成型技术相结合的方法制备了不同K助剂含量的系列微球形Fe/Cu/K/SiO2催化剂(K/Fe质量比为0.010～0.058),采用低H2/CO比的合成气于典型的工业反应条件下(523～533 K, 1.5 MPa, H2/CO=0.67)进行了长期的浆态相F-T合成(FTS)反应性能评价. 结果表明: K助剂的添加可增大催化剂活性,提高C5+、总的烯烃、有机含氧化合物及CO2的选择性,并促进水煤气变换反应,但过高的K含量易使催化剂反应稳定性变差. 适中的K含量为K/Fe＝0.030,该K含量催化剂的660 h浆态床FTS反应性能评价结果显示,该催化剂具有较高的催化活性和C5+选择性,产物分布较合理,长期运行稳定性好,反应后卸载下的催化剂形貌观测表明该催化剂还具有较好的抗磨损性能. 除K助剂的化学效应起主导作用外,催化剂的织构性质尤其是孔结构可能对催化剂的催化性能也有一定的影响,并引起K/Fe＝0.045时铁基催化剂对FTS产物选择性和水煤气变换反应活性的部分调变.     

还原温度与时间对铁基催化剂浆态床F-T合成性能的影响

在浆态床反应器中考察了未还原催化剂以及在240℃和270℃的还原温度下还原时间对Fe/Cu/K/SiO2催化剂F-T合成反应性能的影响,采用Mssbauer谱研究了还原和反应后催化剂的物相组成。结果表明,在240℃延长还原时间或将还原温度升高到270℃均有利于催化剂的还原,270℃还原的催化剂的活性和稳定性明显高于未还原和240℃还原的催化剂,催化剂的运行稳定性与催化剂在反应过程中的流失量有密切关系。催化剂高温还原时烃产物分布倾向于生成低碳数的烃类,在相同的还原温度下,烃产物选择性随还原时间的延长向轻组分方向偏移。     

还原温度对Fe-Mo催化剂性质及F-T合成性能的影响

研究了还原温度对Fe-Mo催化剂性质及费托(F-T)合成性能的影响。采用N₂物理吸附、X射线衍射、穆斯堡尔谱和H₂程序升温脱附技术对催化剂进行了表征。结果表明,随还原温度升高,金属铁晶粒粒径增大,金属铁上的H₂吸附量先升后降;催化剂还原度提高,反应态催化剂碳化铁含量递增。催化剂F-T合成性能在280 ℃、1.5 MPa、2 000 h^-1、合成气H₂/CO比为2.0条件下在固定床反应器中测试。反应结果表明,随还原温度提高,催化剂接近稳态时的活性和重质烃选择性(C₅⁺)先升后降,而甲烷选择性则先降后升。350 ℃还原催化剂具有最佳F-T合成反应性能。     

助剂Cu、K对F-T合成铁基催化剂作用的表征研究

采用连续共沉淀和喷雾干燥技术相结合的方法制备了一组Cu、K助剂单独或同时加入的微球状Fischer-Tropsch（F-T）合成铁基催化剂,借助低温N2吸附、MES、XRD、H2-TPR、CO-TPR研究了Cu和K助剂对催化剂织构、还原性能以及还原和炭化过程中的物相变化的影响。结果表明,K助剂的加入能明显提高催化剂的比表面积和铁物相在催化剂中的分散程度,增加了Fe2O3与SiO2间的相互作用;当催化剂在H2和合成气中还原时,Cu助剂的加入有利于催化剂的还原和Fe3O4的生成,在CO中还原时,Cu助剂的加入则有利于α-Fe的生成和稳定化。在H2和合成气中,单独K助剂的加入会抑制催化剂的还原或炭化,而Cu和K助剂的同时加入在H2、CO和合成气下均可使催化剂的还原或炭化能力明显提高,表明Cu和K助剂间存在一定的协同作用。     

Effect of Manganese Incorporation Manner on an Iron-Based Catalyst for Fischer-Tropsch Synthesis

A systematic study was undertaken to investigate the effects of the manganese incorpo- ration manner on the textural properties,bulk and surface phase compositions,reduction/carburization behaviors,and surface basicity of an iron-based Fischer-Tropsch synthesis(FTS)catalyst.The cata- lyst samples were characterized by N_2 physisorption,X-ray photoelectron spectroscopy(XPS),H_2(or CO)temperature-programmed reduction(TPR),CO_2 temperature-programmed desorption(TPD),and M(?)ssbauer spectroscopy.The FTS performance of the catalysts was studied in a slurry-phase continuously stirred tank reactor(CSTR).The characterization results indicated that the manganese promoter incor- porated by using the coprecipitation method could improve the dispersion of iron oxide,and decrease the size of the iron oxide crystallite.The manganese incorporated with the impregnation method is enriched on the catalyst's surface.The manganese promoter added with the impregnation method suppresses the reduction and carburization of the catalyst in H_2,CO,and syngas because of the excessive enrichment of manganese on the catalyst surface.The catalyst added manganese using the coprecipitation method has the highest CO conversion(51.9%)and the lowest selectivity for heavy hydrocarbons(C_(12 )).     

Mo 和 Cu 助剂对 FeK/SiO2 催化剂费托合成性能的影响

 研究了 Mo 和 Cu 助剂对 FeK/SiO₂ 催化剂的性质及费托 (F-T) 合成性能的影响. 采用 N₂ 物理吸附、H₂ 程序升温还原、X 射线衍射、穆斯堡尔谱和 X 射线光电子能谱技术对催化剂进行了表征. 结果表明, Mo 加入后与 Fe 产生了较强的相互作用, 抑制了催化剂的还原和碳化; Cu 助剂的加入促进了催化剂的还原和碳化; 当 Mo 和 Cu 共同加入后, 催化剂的还原和碳化行为与单独加入 Cu 助剂时相似. 催化剂 F-T 合成性能在固定床上于 280 ^oC, 1.5 MPa, 2 000 h^-1, H₂/CO = 2.0 的合成气中测试. 结果表明, Mo 的加入降低了催化剂活性, 但提高了重质烃 (C₅₊) 的选择性; Cu 的添加提高了催化剂的活性, 但对稳定 C₅₊选择性作用不明显. Mo 和 Cu 共同加入后, 催化剂既表现出较为稳定的 C₅₊选择性, 同时其活性也没有降低.     

Ru助剂对Co/SiO2催化剂费托合成反应性能的影响

 考察了 Ru 助剂 (0.17%?9.96%) 对 Co/SiO2 催化剂结构及其费托合成反应性能的影响. 结果表明, Ru 助剂可降低 Co/SiO2 催化剂的还原温度, 从而提高其还原度. 光电子能谱和扩展 X 吸收射线精细结构研究表明, 即使 Ru 含量高达 9.96%, 在 Co/SiO2 催化剂焙烧过程中也未观察到 Ru 物种与 Co 物种作用形成的化合物. 还原后催化剂中 Ru 趋向于与 Co 物种紧密接触且分散在催化剂表面. H2 程序升温脱附结果表明, 随着 Ru 含量的增加, 位于反应温度附近的 H2 脱附峰面积增加, 即此时催化剂吸附 H2 能力提高, 因此反应活性单调增加, 但存在最佳 Ru 含量, 此时 C5+选择性最高.     

费-托合成Co/ZrO2-Al2O3催化剂反应性能的研究

以ZrOCl2·6H2O和AlCl3为原料,采用共沉淀方法制得一系列不同ZrO2质量分数的ZrO2-Al2O3混合氧化物载体;并以该混合氧化物为载体,采用初湿浸渍法制得钴质量分数为12％的Co/ZrO2-Al2O3催化剂。XRD、NH3-TPD、TPR和原位IR等表征结果表明,随着混合载体中ZrO2质量分数的增加,载体比表面积先增加后减少,混合载体的平均孔径则小于单一氧化物ZrO2和Al2O3的平均孔径。ZrO2和Al2O3载体混合后会导致氧化物的比表面积和酸性增大并且有新的物相生成。当混合氧化物用作载体时,能够抑制载体表面金属钴的分散,改变催化剂的还原行为,降低催化剂对CO物种的吸附能力。CO加氢反应表明,与单一金属氧化物相比,钴负载ZrO2-Al2O3混合氧化物催化剂的加氢活性和重质烃选择性有所降低。     

Deactivation studies of nano-structured iron catalyst in Fischer-Tropsch synthesis

A nano-structured iron catalyst for syngas conversion to hydrocarbons in Fischer-Tropsch synthesis (FTS) was prepared by micro-emulsion method. Compositions of bulk iron phase and phase transformations of carbonaceous species during catalyst deactivation in FTS reaction were characterized by temperature-programmed surface reaction with hydrogen (TPSR-H2), and XRD techniques. Many carbonaceous species on surface and bulk of the nano-structured iron catalysts were completely identified by combined TPSR-H2 and XRD spectra and which were compared with those recorded on conventional co-precipitated iron catalyst. The results reveal that the catalyst deactivation results from the formation of inactive carbide phases and surface carbonaceous species like graphite, and it will be increased when the particle size of iron oxides was reduced in FTS iron catalyst.     

固定床反应器中添加CO2对费托合成反应的影响

用固定床反应器研究了Fe-Mn催化剂上原料气中添加CO2对费托合成反应的影响.结果表明,在533K与反应总压为1.50MPa时,大量CO2的添加使得生成CO2的选择性迅速降低,烃的生成速率降低,烃的收率也有所降低,产物向轻组分方向偏移,有机含氧化合物的生成速率降低;在593K与合成气(H2 CO)分压为1.50MPa时,随着CO2分压的增加,CO消耗速率变化不大,而烃的生成速率缓慢升高,烃的收率有所升高,CO2的生成速率缓慢降低,H2O的生成速率明显加快.由于CO2的添加,促使水煤气变换反应向逆反应方向进行,降低了催化剂表面氢物种浓度,抑制了加氢反应,低碳烃的烯/烷比有所增大,同时提高了重质烃的选择性,且随着CO2分压的增加,有机含氧化合物的生成速率呈上升的趋势.     

Study on iron-manganese catalysts for Fischer-Tropsch synthesis

Iron-manganese catalysts were prepared by co-precipitation method.Characterization of catalysts was carried out by using X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM),temperature program reduction(TPR),N2 adsorption-desorption measurements.The results from catalytic performance tests in Fischer-Tropsch synthesis showed that the iron-manganese catalysts are supersensitive to catalyst composition and materials source.It was found that C2~4 light olefins increased while CH4 and CO2 decreased by using iron-manganese catalyst prepared from iron(II) sulfate(A catalyst).The activity and selectivity of A catalyst was studied in different operational conditions.The results showed that the best operational conditions for C2~4 light olefins production were H2/CO=1/1(GHSV=2400h-1) at 260℃ under 0.3MPa total pressure.