甲烷氮气常压合成氨催化剂的制备及性能研究

发布时间：2017-12-09 12:23

  本文关键词：甲烷氮气常压合成氨催化剂的制备及性能研究

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【摘要】：合成氨不仅是化学工业的支柱,也在国民经济中占有重要位置。传统合成氨需要在高温(500℃左右)、高压(15-30MPa)下合成氨,反应过程能耗大、操作条件苛刻、设备复杂,因此常低压合成氨及降低反应能耗成为合成氨催化剂未来的研究方向。本文利用甲烷和氮气为原料,通过甲烷分解产生氢气,在常压条件下和氮气直接合成氨气,采用等体积浸渍法制备适用于本实验的催化剂,考察了不同载体、助剂、活性组分以及不同负载顺序、负载量、反应温度等对催化剂性能的影响。同时结合氢气程序升温(H_2-TPR)、X-射线衍射(XRD)、N_2等温吸附-脱附(BET)、扫描电镜(SEM)、热重(TG)等对催化剂进行表征分析。论文主要研究结果如下：(1)采用BET、SEM等技术对不同种类的载体行表征。实验结果表明：经过30%HNO_3处理后的活性炭,表面杂质减少,比表面积增大,其中椰壳活性炭呈现出排列规则的孔道结构,孔容增大,有利于活性组分、助剂的分散。(2)考察了不同载体、助剂对甲烷氮气合成氨催化剂性能的影响。发现在常压700℃、V_(CH_4)/V_(N_2)=2/1空速为50mL/min时,以煤质柱状炭、椰壳活性炭、SiO_2、γ-Al_2O_3等为载体的铁基催化剂,发现其中5%Fe/椰壳炭氨生成速率最高,可达3.46×10~(-7)mol·g~(-1)·s~(-1)；通过对Zr、Ce、K、Ba等多种助剂的筛选,发现以K为助剂的Fe基催化剂活性最高,其次是以Ba为助剂的Fe基催化剂。(3)对K促进的Fe基催化剂进行XRD和XPS表征,发现Fe与K盐形成新的晶相KNO_2和KFeO_2,有利于氨气的合成。其中3%K-5%Fe/椰壳炭的氨生成速率最高,可达1.03×10~(-6) mol·g~(-1)·s~(-1),是目前文献报道值的83.4倍。(4)考察了以Ba为促进剂的Fe基催化剂,发现当焙烧温度为400℃、焙烧时间为4h、反应温度为800℃,V_(CH_4)/V_(N_2)=2/1时,5%Fe-7%Ba/椰壳炭催化剂的氨生成速率最高可达2.86×10~(-1)mol·g~(-1)·s~(-1)(5)探究了甲烷氮气常压合成氨的反应机理,第一步为甲烷分解成碳和氢,第二步是氢与氮气在常压下合成氨气。通过SEM对产物进行分析,发现积碳以丝状积碳的形式存在,而丝状积碳长时间累积,影响了催化剂的物理化学结构并覆盖了其活性位,导致催化剂活性下降。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ113.247

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