泡沫结构化整体式Mn-W-Ti催化剂及其甲烷氧化偶联性能研究

作     者：刘金存 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：路勇

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：结构催化剂 串珠反应器 传质传热 甲烷氧化偶联 SiC-foam 

摘      要：甲烷氧化偶联(OCM)是一种直接将甲烷转化为低碳烯烃(C)的方法,因其能耗低、工艺流程短而备受关注。然而OCM反应是一个强放热过程,如果不及时移除反应热将会导致床层积热以及产生高温“热点,难免发生副反应(CH/C深度氧化为CO/CO)。近年来,泡沫结构催化剂以其高通量低压降等特点在多相催化领域引起了广泛关注,特别是采用导热系数高的Si C-foam(170Wm K),能够有效抑制强放热反应过程中催化剂床层“热点的形成。根据以上启发,本文以MnO-NaWO-Ti O为催化活性组分,Si C-foam为载体通过浸渍涂覆法及催化材料自成型法成功制备了整体式催化剂,在OCM反应过程的应用中具有良好催化效果。取得的主要研究结果如下:(1)通过浸渍涂覆法,控制活性组分负载量为40 wt%,经一次焙烧得到最优整体式Mn-W-Ti/Si C-foam结构催化剂。在优化反应条件(CH/O=5/1、GHSV=4000 h和T=800 C)下,CH转化率为25.6%,C烃类选择性为69.4%,且连续运行100 h无失活迹象。此外,整体式Mn-W-Ti/Si C-foam结构催化剂具有强化传热传质和高渗透性等优点,能够有效避免催化剂床层“热点和压降过大。表征分析表明,在碱性条件(NaWO)下,Ti O和MnO在800℃高温焙烧时能有效形成Mn Ti O物相,进而诱导促进了Ti O纳米颗粒生长和转变形成相互堆积交错的纳米棒状结构,从而赋予催化剂涂层良好的机械强度和高的粘接性。受上述启发,开发出Mn-W-Ti/Si C-foam-hole串珠催化剂用于OCM反应。在优化反应条件(T=800 C、P=0.35 MPa、GHSV=20000 h和CH/O=6.5/1)下,实现了18.2%的CH转化率和71.8%的C烃类选择性,C烃类收率高达13.1%。(2)通过控制PVA含量为6.5 wt%,固含量为0.5 g/cm,孔隙率为40 PPI可制得最优整体式MnO-NaWO-Ti O-foam催化剂。在优化反应条件(CH/O=5/1、GHSV=7000 h和T=740 C)下,该催化剂实现了25.3%的CH转化率和71.0%的C烃类选择性,且连续运行100 h无失活迹象。