甲烷化催化剂及反应机理的研究进展

太原理工大学现代科技学院本科毕业工程实训实践报告

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太原理工大学现代科技学院

化学工程与工艺专业

工程实训实践报告

论文题目 煤制天然气催化剂的研究进展

院（系） 现代科技学院

专业班级 化工10-1

姓 名

指导教师

教师职称

太原理工大学现代科技学院本科毕业工程实训实践报告

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煤制天然气催化剂的研究进展

摘 要：概述了甲烷化反应在工业生产中的应用，重点介绍了甲烷化催化剂中活性组分、载体、助剂的种类及催化剂制备方法、条件对其催化性能的影响；分析了甲烷化催化剂失活的原因及甲烷化反应的机理，指出床层飞温和积碳是造成催化剂失活的主要因素，必须从甲烷化催化剂和工艺技术两方面予以改进；并对甲烷化催化剂研究进行了展望，提出高比表面复合载体的研制、稀土元素的添加、新型耐硫、高热稳定性甲烷化催化剂的开发及流化床甲烷化工艺技术的改进是甲烷化研究的主要方向.

关键词：甲烷化；催化剂；反应机理；积碳；失活

英文题目

Abstract: Application of the methanation reaction in

industrial

production, focusing on the impact of methanation catalyst

active

component, carrier, additives and catalysts preparation

methods,

conditions on the catalytic performance; analysis of the reason why the

第３７卷第５期　２０１７年５月　工业水处理　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．５　ＭａＶ．２０１７　

Ｆｅｎｔｏｎ试剂的反应机理及动力学研究进展　

刘新亮　，尹海亮１，蔺爱国１，桑益洲２，郭子棋１，刘　臻　，赵　琳　

（１．中国石油大学（华东）科学技术研究院，山东青岛２６６５５５；　２．中国石油大学国家大学科技园，山东东营２５７０６１）　

【摘要］Ｆｅｎｔｏｎ试剂是由Ｈ．Ｊ．Ｈ．Ｆｅｎｔｏｎ在１２０年前首次发现的，其通过Ｆｅ　与Ｈ　Ｏ　反应，生产具有强氧化性的　活性物种，将有机分子矿化为Ｃ０２和Ｈ２Ｏ，广泛应用于污水处理、地表水修复等领域，是一种具有广阔应用前景的污　染物治理技术。关于其作用机理，目前尚未形成统一看法，总结了Ｆｅｎｔ０ｎ试剂在机理和动力学方面的研究成果．并对　不同机理进行了评价，最后对该体系的理论研究进行了展望　［关键词］Ｆｅｎｔｏｎ；机理；动力学；进展　［中图分类号］Ｘ７０３　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００５—８２９Ｘ（２０１７）０５－００１０—０５　

Ｒｅｃｅｎｔ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　

ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｋｉｎｅｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｆｅｎｔｏｎ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　

Ｌｉｕ　Ｘｉｎｌｉａｎｇ　，Ｙｉｎ　Ｈａｉｌｉａｎｇ　，Ｌｉｎ　Ａｉｇｕｏ　，Ｓａｎｇ　Ｙｉｚｈｏｕ　，Ｇｕｏ　Ｚｉｑｉ　，Ｌｉｕ　Ｚｈｅｎ　，Ｚｈａｏ　Ｌｉｎ　（１．ＡｃｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５５５，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｐａｒｋ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ　２５７０６１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｅｎｔｏｎ　ｒｅａｇｅｎｔ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｉｍｅ　ｂｙ　Ｈ．Ｊ．Ｈ．Ｆｅｎｔｏｎ　１　２０　ｙｅａｒｓ　ａｇｏ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｆｅ　ａｎｄ　Ｈ２Ｏ２　ｒｅａｃ－　ｔｉｏｎ，ｉｔ　ｃａｎ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｓｐｅｃｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｔｒｏｎｇ　ｏｘｉｄａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｍｉｎｅｒａｌｉｚｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ　ｉｎｔｏ　Ｃ０２　ａｎｄ　Ｈ２０．Ｂｅｉｎｇ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｖｉｎｇ　ｗｉｄｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ，ｉｔ　ｃａｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ—ｗａｔｅｒ　ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｕｐ　ｔｏ　ｎｏｗ，ｎｏ　ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｏｐｉｎｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅ—　

甲醇合成催化反应机理及催化剂失活因素研究

伴随着我国现代化工业的不断发展，对于甲醇合成的生产需求也越来越多，

本文就将针对甲醇合成的催化反应机理展开讨论，并且分析出导致催化剂失活的因素，希望可以进一步加深对甲醇合成反应的理解，了解甲醇合成催化的本质所在，从而更好地提升甲醇合成的生产效率。

标签：甲醇合成；催化反应机理；催化剂失活因素

在日常生活和工业生产中，甲醇的应用范围非常广泛，如何才能够有效地应用甲醇合成工艺生产的方式来解决全球CO2排放量过高的问题，已经成为了当代甲醇生产的重要方向，希望可以通过对CO和CO2进行加氢催化反应的方式，提高甲醇合成的生产产量。

1 甲醇合成

甲醇，化学式是CH3OH，甲醇是一种结构最简单的饱和一元醇，关于甲醇的生产，在工业上主要是由H2和CO合成催化反应生成的。如果从甲醇中的碳元素角度来分析的话，CO和CO2是甲醇合成的主要碳源，通过最小二乘法的方式，可以获得甲醇的相对选择性，选择性和接触时间关系，如果反应的接触时间不断提升，那么甲醇的相对选择性会先升高再降低再升高，一部分的CO将与H+离子发生次级反应，生成甲醇[1]。

2 甲醇合成催化反应机理

2.1 直接碳源CO

当CO作为直接碳源参加甲醇合成催化反应时，Herman认为，在Cu、ZnO、Al2O3催化剂的作用下，CO与H2发生合成反应，此时合成催化反应的活性中心是Cu+，而对H2 的解离吸附反应将会发生在ZnO上面，那么反应机理公式如下：

2.2 直接碳源CO2

当CO2是直接碳源，由CO经过水气变换反应生成CO2时，CO2会和H2反应生成甲醇，此时的表面氧起到了重要作用，能够抑制CO2的解离吸附。Chinchen利用了原子示踪技术，推断出了在催化剂的作用下，甲醇合成的直接碳源是CO2，此时的 CO可以看作是还原剂，在活化的Cu表面获得再生[2]。

为此，我国学者孙琦创设性地设计出了CO2加氢反应，同时科学地解释了反应尾气中CO2含量相近的问题，他认为CO2会先经过加氢反应生成甲醇，生成水，水又和CO发生水汽变换反应生成CO2，这样CO2就又可以重新进入到反应循环中，如图1所示。

化学催化反应机理及催化剂研究

化学催化反应是一种常见的反应方法，具有较高的反应速率和选择性，因此广泛应用于有机合成、化工生产等领域。催化剂是催化反应的关键，通过催化剂的加入，能够改变反应活化能，促进反应发生，并且能够控制反应的产物选择性。

一、催化反应机理

催化反应的机理是指催化剂与反应物之间的相互作用过程。一般来说，催化剂与反应物之间会发生几种不同类型的相互作用：

1、吸附作用：催化剂能够吸附反应物分子，使得反应物分子更容易进入反应。

2、表面反应：催化剂表面上的活性位点与反应物之间发生反应，产生中间物或转换为反应产物。

3、界面反应：催化剂和反应体系之间的界面上发生反应。

在催化反应中，催化剂会影响反应物分子的化学键，改变反应物的活化能，使得反应进程更加容易发生。一般来说，催化剂的作用是通过促进中间体的形成，降低反应物之间的相互作用能量，从而提高反应速率。

二、催化剂的种类

常见的催化剂种类主要有：

1、酸催化剂：通过提供质子来促进反应。比如，硫酸、三氟化硼等。

2、碱催化剂：提供氢氧离子参与反应。比如，氢氧化钠、氢氧化钾等。

3、金属催化剂：通过金属离子的提供来促进反应。比如，铂、钯、铜等。

4、酶催化剂：是一种在生物体内催化反应的蛋白质。比如，葡萄糖氧化酶、淀粉水解酶等。 催化剂的选择应根据实际情况来定，比如反应类型、反应条件等因素。

三、催化剂的研究

催化剂的研究是催化领域的重要研究方向。为了更好地理解催化反应机理，研究人员需要通过各种实验手段，研究催化剂与反应体系之间的相互作用过程。

例如，通过催化反应机理的计算模拟，研究催化剂表面的活性位点、反应物在催化剂表面的吸附、中间体的生成和产物的选择性等方面，来解释催化机理。此外，原位催化技术、催化剂表征技术等也被广泛应用于催化剂的研究中。

另外，催化剂的设计和改进也是非常重要的一部分。设计合适的催化剂能够改变反应的产物选择性和反应速率，从而提高反应的效率和产物质量。因此，研究人员需要考虑催化剂的结构、活性位点、催化剂载体等因素，通过优化催化剂的性质，提高其催化效率和选择性。