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甲烷、氮?dú)獬褐苯雍铣砂贝呋瘎┑闹苽浼捌湫阅苎芯?/p>

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時(shí)間:2024-08-18 21:06:34
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甲烷、氮?dú)獬褐苯雍铣砂贝呋瘎┑闹苽浼捌湫阅苎芯俊菊浚夯茉慈遮吘o張,糧食需求不斷增長,工業(yè)生產(chǎn)要求減少碳的排放,要滿足這些要求只有期待改變氨的工業(yè)化生產(chǎn)與化石燃料之間的依賴

【摘要】:化石能源日趨緊張,糧食需求不斷增長,工業(yè)生產(chǎn)要求減少碳的排放,要滿足這些要求只有期待改變氨的工業(yè)化生產(chǎn)與化石燃料之間的依賴關(guān)系,而傳統(tǒng)合成氨工藝反應(yīng)條件苛刻—高溫、高壓,能耗大,設(shè)備、投資費(fèi)用均較高;新型合成氨工藝,雖反應(yīng)條件溫和,但轉(zhuǎn)化率低、技術(shù)不成熟,很大程度上限制了其工業(yè)化應(yīng)用。因此,要想從根本上打破傳統(tǒng)合成氨工業(yè),必須從源頭開始需求新的合成氨原料氣,制備新型催化劑來實(shí)現(xiàn)。 本論文利用天然氣的主要成分甲烷和空氣中的主要成分氮?dú)獬阂徊椒ê铣砂?并研制出一種新型K-Fe/TC3催化劑,主要考察了不同載體、不同助劑、活性組分鐵的負(fù)載量、助劑和活性組分的負(fù)載順序以及焙燒條件對(duì)催化劑性能的影響,而后優(yōu)選了所制備的催化劑K-Fe/TC3上CH4和N2常壓一步法合成氨的反應(yīng)條件;采用元素分析(EDS)、N2等溫吸附-脫附(BET)、X-射線衍射(XRD)、紅外光譜(FT-IR).掃描電子顯微鏡(SEM)、氫氣程序升溫脫附(H2-TPR)、熱重(TG-DSC)等技術(shù)對(duì)載體以及催化劑的組成、比表面積、還原溫度、官能團(tuán)、積碳等進(jìn)行了表征;討論了催化劑載體的性質(zhì)、負(fù)載順序、負(fù)載量、焙燒條件等與催化劑催化性能之間的關(guān)系。論文的主要內(nèi)容和結(jié)果如下: (1)考察了催化劑載體和助劑對(duì)催化性能的影響,并對(duì)所制備的催化劑上甲烷、氮?dú)獬褐苯雍铣砂狈磻?yīng)條件進(jìn)行優(yōu)選。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以椰殼活性炭TC3為載體、KNO3為助劑的鐵基復(fù)合催化劑合成氨活性最高,最優(yōu)反應(yīng)條件:常壓、反應(yīng)溫度700℃、原料氣總流速為2800mL/h, V(N2)/V(CH4)=1/2的工況下,先負(fù)載鉀鹽、后負(fù)載鐵鹽的催化劑K-Fe/TC3合成氨活性較高;當(dāng)鐵負(fù)載量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、焙燒溫度400℃、焙燒時(shí)間5h時(shí),催化劑K-Fe/TC3的合成氨活性達(dá)到最大,最大合成氨速率為1.04×10-6mol·g-1·s-1,尾氣中的氨體積分?jǐn)?shù)最大為5.75%,與催化劑Fe/TC3相比,合成氨活性提高了50.72%。 (2)采用EDS、BET、XRD、FT-IR、SEM、H2-TPR等技術(shù)對(duì)載體以及所制備的催化劑進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:HNO3處理能有效降低載體的灰分和雜質(zhì)含量,提高表面結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面有機(jī)官能團(tuán)的數(shù)量、種類,有利于催化劑合成氨活性的提高;焙燒過程中助劑KN03和活性組分發(fā)生強(qiáng)相互作用,經(jīng)H2還原后形成新的晶相K3Fe02,新晶相的形成很可能是助劑提高催化劑合成氨活性的主要原因。 (3)探究了催化劑K-Fe/TC3在甲烷、氮?dú)獬褐苯雍铣砂边^程中催化性能下降的原因。通過TG-DSC、SEM等表征手段,結(jié)果表明反應(yīng)過程中有積碳生成,但積碳不是很嚴(yán)重僅5%左右,再加上催化劑載體活性炭易與反應(yīng)生成的H2發(fā)生甲烷化以及高溫條件下活性炭自身穩(wěn)定性較差,這三者的共同作用導(dǎo)致催化劑K-Fe/TC3的催化活性逐漸下降。 【關(guān)鍵詞】:甲烷 氮?dú)?/strong> 合成氨 K-Fe/TC3
【學(xué)位授予單位】:西北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2014
【分類號(hào)】:TQ113.247
【目錄】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-9
  • 第一章 緒論9-20
  • 1.1 引言9-10
  • 1.2 傳統(tǒng)鐵基合成氨催化劑10-13
  • 1.2.1 傳統(tǒng)鐵基催化劑的活性組分10-12
  • 1.2.2 傳統(tǒng)鐵基催化劑的助劑12-13
  • 1.3 新型釕基合成氨催化劑13-15
  • 1.4 合成氨新技術(shù)15-18
  • 1.4.1 電催化氫氣和氮?dú)馐覝睾铣砂?/span>15-16
  • 1.4.2 電催化空氣和水室溫合成氨16-17
  • 1.4.3 光催化合成氨17
  • 1.4.4 酶催化室溫合成氨17-18
  • 1.5 研究意義和研究內(nèi)容18-20
  • 1.5.1 研究意義18-19
  • 1.5.2 研究內(nèi)容19-20
  • 第二章 實(shí)驗(yàn)部分20-26
  • 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器20-21
  • 2.2 載體的預(yù)處理21
  • 2.2.1 活性炭的改性21
  • 2.2.2 其他載體的預(yù)處理21
  • 2.3 催化劑的制備21-22
  • 2.3.1 不同載體的鐵基催化劑的制備21-22
  • 2.3.2 不同助劑的鐵基復(fù)合催化劑的制備22
  • 2.3.3 K-Fe/TC3催化劑的制備22
  • 2.3.4 不同鐵負(fù)載量的K-Fe/TC3催化劑的制備22
  • 2.4 催化劑反應(yīng)活性評(píng)價(jià)22-24
  • 2.5 催化劑的表征24-26
  • 2.5.1 比表面積及孔結(jié)構(gòu)測(cè)定(BET)24
  • 2.5.2 X-射線衍射(XRD)24
  • 2.5.3 掃描電子顯微鏡(SEM)24
  • 2.5.4 元素分析(EDS)24
  • 2.5.5 紅外光譜(FT-IR)24-25
  • 2.5.6 熱重(TG-DSC)25
  • 2.5.7 氫氣程序升溫還原(H_2-TPR)25-26
  • 第三章 載體對(duì)鐵基催化劑在MNTA合成中催化性能的影響26-37
  • 3.1 不同載體的鐵基催化劑合成氨預(yù)實(shí)驗(yàn)26
  • 3.2 催化劑的表征26-31
  • 3.2.1 活性炭載體經(jīng)硝酸處理前后的EDS能譜26-27
  • 3.2.2 活性炭載體經(jīng)硝酸處理前后的SEM圖27-29
  • 3.2.3 活性炭載體經(jīng)硝酸處理前后的BET29-30
  • 3.2.4 活性炭載體經(jīng)硝酸處理前后的FT-IR30-31
  • 3.3 不同活性炭載體對(duì)鐵基催化劑合成氨性能的影響31-35
  • 3.4 結(jié)論35-37
  • 第四章 鉀鹽為助劑的鐵基復(fù)合催化劑在MNTA合成中的催化性能研究37-54
  • 4.1 不同助劑的鐵基催化劑合成氨預(yù)實(shí)驗(yàn)37
  • 4.2 負(fù)載順序?qū)Υ呋瘎┗钚缘挠绊?/span>37-42
  • 4.3 Fe負(fù)載量對(duì)K-Fe/TC3催化劑性能的影響42-46
  • 4.4 焙燒條件對(duì)催化劑K-Fe/TC3活性的影響46-50
  • 4.4.1 焙燒溫度對(duì)催化劑K-Fe/TC3活性的影響46-48
  • 4.4.2 焙燒時(shí)間對(duì)催化劑K-Fe/TC3活性的影響48-50
  • 4.5 反應(yīng)條件對(duì)催化劑K-Fe/TC3性能的影響50-52
  • 4.5.1 反應(yīng)溫度對(duì)催化劑K-Fe/TC3性能的影響50-52
  • 4.5.2 不同甲烷氮?dú)獗葘?duì)反應(yīng)的影響52
  • 4.6 結(jié)論52-54
  • 結(jié)論54-55
  • 參考文獻(xiàn)55-60
  • 攻讀碩士學(xué)位期間取得的科研成果60-61
  • 致謝61


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