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二氧化碳催化加氢直接合成二甲醚的研究

赵彦巧  
【摘要】: 二氧化碳催化加氢直接合成二甲醚既可以利用二氧化碳制得有用的化学品,又可以解决二氧化碳的环境污染问题,对于保证经济的高速发展和实现长期可持续发展战略均具有重要意义。 二氧化碳加氢合成二甲醚为包括二氧化碳加氢合成甲醇、甲醇脱水生成二甲醚和二氧化碳与氢的逆水煤气变换等反应的复杂体系,本论文首先引入逸度系数对二氧化碳加氢直接合成二甲醚体系进行了热力学分析,以期为客观评价所研制催化剂的反应性能提供依据。鉴于二氧化碳加氢合成二甲醚为两步反应,本文以铜基甲醇合成催化剂和HZSM-5分子筛甲醇脱水催化剂所构成的双功能复合催化剂作为主要研究对象,利用XRD、TG、BET、TPR、H2-TPD、NH3-TPD、XPS、IR和加压固定床活性评价等多种研究方法系统地考察了下列诸因素对复合催化剂结构和性能的影响:甲醇合成催化剂制备过程中的沉淀温度、沉淀方法、沉淀次序、铜/锌比例;甲醇合成催化剂和HZSM-5的复合方法及焙烧条件;对甲醇合成催化剂及HZSM-5分子筛的改性处理;HZSM-5分子筛的硅/铝比等。 在对二氧化碳加氢直接合成二甲醚反应平衡体系的热力学研究中,用逸度系数校正了压力对气体可压缩性的效应,模拟计算分析了二氧化碳加氢直接合成二甲醚反应体系达到热力学平衡时各组分的组成,及其同温度、压力和H_2/CO_2摩尔比之间的关系。经计算得出,在533 K、3 MPa和H_2与CO_2的比为3的反应条件下,当体系达到热力学平衡状态时,CO2的平衡转化率为26.5%,二甲醚的平衡收率为14.9%,可以作为客观考核催化剂性能的依据。 在共沉淀法制备铜基甲醇合成催化剂的过程中,沉淀温度、沉淀方法、沉淀次序、铜/锌比例对催化剂的结构和性能均有较大影响。当沉淀温度为343 K时,采用两步沉淀法制备的Cu/Zn=1/2的复合催化剂催化反应性能最为理想。采用两步共沉淀法制备的催化剂前驱体中Cu-Zn-Al三元类水滑石物相有利于提高催化剂中CuO和ZnO的分散性能及其与HZSM-5分子筛之间的相互作用,所制备的复合催化剂表面具有较多较强酸性中心,有利于催化剂活性的发挥。XPS结果表明,活性组分铜以Cu~+和Cu~0两种形态存在,支持Cu~+和Cu~0物种共同组成甲醇合成活性中心的观点。 用干混法、湿混法、共沉淀沉积法和共沉淀浸渍法四种复合方法制备的复合催化剂的比较研究发现,以干混法制备复合催化剂效果较好。不同温度焙烧处理


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