搅拌釜费托铁催化剂反应动力学研究
来源期刊：煤炭学报2020年第4期
论文作者：王涛 张雪冰 张琪 杨如意 孟祥堃 胡云剑 门卓武
文章页码：1297 - 1303
关键词：费托合成;反应动力学;铁基;催化剂;搅拌釜;
摘 要：为获取铁基催化剂在费托合成反应中的CO转化集总动力学模型,为费托反应器设计和工艺优化提供依据,使用自主研发的工业催化剂CNFT-1（主要成分Fe-Cu-K-B-Si,堆密度0.8 g/cm3）,基于经典且广泛接受的碳化物机理（Carbide）,以次甲基生成基元反应为速率控制步骤,推导了LHHW型CO转化集总动力学模型。在1 L搅拌釜反应器（高径比2.5）中首先排除了内外扩散的影响（搅拌转速>400 r/min,空速>7 000 mL/（g·h）且粒径<150μm）,然后通过正交试验进行了30组反应动力学实验,条件如下:503～553 K,1.0～4.0 MPa,8 000～20 000 mL/（g·h）以及合成气氢碳比1.0～5.0。在此范围内得到的CO转化率20%～70%,基本符合动力学的要求,并且CO转化率和CO2选择性随反应条件的变化趋势符合费托反应基本规律,数据可靠合理。以CO转化率相对残差MARR为目标函数建立模型,通过目标函数最小化（MARR=8.7%,复相关指数R2=0.92）来求解方程并获得最优模型参数,得到动力学模型参数估计值,并根据模型参数所代表的物理意义（合理的活化能Ek=105.0 kJ/mol）和统计意义(Fc=73.3,>10倍F0.05=3.1,F检验显著),对动力学模型进行了考察。结果表明:H2吸附热焓小于CO吸附热焓,说明CO在催化剂表面为强吸附,H2相对为弱吸附,这一结果与诸多文献相符。此外,动力学模型活化能Ek的数值也与文献报道值接近,因此,本研究所得的动力学模型可信度较高,可以较好地解释铁基费托催化剂的反应性能。通过本动力学模型得到的CO消耗计算值和实验值相对误差<15%,可用于费托反应器设计和工艺优化。同时,集总动力学模型不能提供反应产物信息,为解决这一不足,需要进行更复杂的详细产物选择性动力学研究。
王涛，张雪冰，张琪，杨如意，孟祥堃，胡云剑，门卓武
北京低碳清洁能源研究院
摘 要：为获取铁基催化剂在费托合成反应中的CO转化集总动力学模型,为费托反应器设计和工艺优化提供依据,使用自主研发的工业催化剂CNFT-1（主要成分Fe-Cu-K-B-Si,堆密度0.8 g/cm3）,基于经典且广泛接受的碳化物机理（Carbide）,以次甲基生成基元反应为速率控制步骤,推导了LHHW型CO转化集总动力学模型。在1 L搅拌釜反应器（高径比2.5）中首先排除了内外扩散的影响（搅拌转速>400 r/min,空速>7 000 mL/（g·h）且粒径<150μm）,然后通过正交试验进行了30组反应动力学实验,条件如下:503～553 K,1.0～4.0 MPa,8 000～20 000 mL/（g·h）以及合成气氢碳比1.0～5.0。在此范围内得到的CO转化率20%～70%,基本符合动力学的要求,并且CO转化率和CO2选择性随反应条件的变化趋势符合费托反应基本规律,数据可靠合理。以CO转化率相对残差MARR为目标函数建立模型,通过目标函数最小化（MARR=8.7%,复相关指数R2=0.92）来求解方程并获得最优模型参数,得到动力学模型参数估计值,并根据模型参数所代表的物理意义（合理的活化能Ek=105.0 kJ/mol）和统计意义(Fc=73.3,>10倍F0.05=3.1,F检验显著),对动力学模型进行了考察。结果表明:H2吸附热焓小于CO吸附热焓,说明CO在催化剂表面为强吸附,H2相对为弱吸附,这一结果与诸多文献相符。此外,动力学模型活化能Ek的数值也与文献报道值接近,因此,本研究所得的动力学模型可信度较高,可以较好地解释铁基费托催化剂的反应性能。通过本动力学模型得到的CO消耗计算值和实验值相对误差<15%,可用于费托反应器设计和工艺优化。同时,集总动力学模型不能提供反应产物信息,为解决这一不足,需要进行更复杂的详细产物选择性动力学研究。
关键词：费托合成;反应动力学;铁基;催化剂;搅拌釜;
