煤化工中幾種常見的合成反應原理

       合成氨、甲醇、天然氣在傳(chuán)統能源領域的地位不可撼動(dòng)，其中合成甲烷和合成甲醇均是利用合成氣中的CO、CO₂和H₂反應，生成甲烷或者甲醇，那麽原料相同，在什麽情況下生成甲烷，什麽情況下生成甲醇呢？在這裏，催化劑就扮演著(zhe)一個(gè)至關重要的角色。

       本期主要分享一下合成氨、甲醇以及天然氣這幾(jǐ)種化工産(chǎn)品的合成原理以及一些合成條件選擇。

甲醇合成原理

       甲醇合成反應(yīng)是以合成氣(qì)中CO、CO₂和H₂爲原料，在一定的催化劑作用下，所進行的複雜的、可逆的化學反應。

甲醇合成反應

主反應

CO＋2H₂→CH₃OH

CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O

 副反應

2CO+4H₂→CH₃OCH₃+H₂O

CO+3H₂→CH₄+H₂O

4CO+8H₂→C₄H₉OH+3H₂O

CO₂+H₂→CO+H₂O

nCO+2nH₂→(CH₂)n+nH₂O

      常用的甲醇合成催化劑(jì)有Cu-ZnO-Al₂O₃、CuO-ZnO、CuO-ZrO₂等。這些催化劑(jì)通常由多種金屬氧化物組成，具有較(jiào)高的催化活性和穩定性。

       甲醇的生産(chǎn)工藝分爲(wèi)高壓法、中壓法和低壓法。

       以下是不同甲醇生産(chǎn)工藝的區(qū)别：

甲醇合成的反應步驟及機理：

      以上五個(gè)過(guò)程，（1）、（5）進行得最快；（2）、（4）進行的速度比（3）快得多，因此整個(gè)反應過程取決於(yú)第三個(gè)過程，即反應物分子在催化劑的活性表面的反應速度。 

 氨合成原理

       N₂和H₂在高溫高壓和催化劑(jì)作用下，發(fā)生以下的可逆反應，生成NH₃，該反應是一個體積縮小的放熱反應，因此縮小反應體積和降低反應溫度有利於(yú)反應合成氨産(chǎn)量的提高。

氨合成反應

主反應

N₂＋2H₂→2NH₃

       在氨合成工藝中，氨合成催化劑可以稱之爲氨合成的“心髒”，氨合成催化劑主要以鐵系催化劑爲主，欲瞭(le)解更多氨合成催化劑，請參(cān)考合成氨催化劑簡析。

甲烷合成原理

       甲烷化是指合成氣(qì)中CO、CO₂和H₂在一定的溫度、壓力及催化劑(jì)作用下，進(jìn)行化學反應生成CH₄的過程。

甲烷合成反應

主反應

CO+3H₂=CH₄+H₂O

CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O

       同合成氨一樣，合成甲烷也是一個(gè)體積縮小、強放熱的可逆反應，熱效應大於(yú)甲醇合成反應。

因此，甲烷合成技術的關(guān)鍵在於(yú)反應熱的控制和催化劑催化性能的保護。

甲烷化催化劑的反應步驟及機理：

       甲烷化催化劑分爲高溫甲烷化催化劑和低溫甲烷化催化劑，常見的高溫甲烷化催化劑以鉑(bó)、钯等貴金屬爲活性組分，但是高溫甲烷化催化劑需要在高溫段才能發揮催化作用，不僅會導(dǎo)緻能量的浪費，而且催化劑對反應條件的要求也較高。

       而低溫甲烷化催化劑(jì)以過(guò)渡金屬氧化物，如氧化鎳、氧化钼等爲活性組分，具有較高的催化活性。