煤化工中幾種常見的合成反應(yīng)原理

       合成氨、甲醇、天然氣在傳統(tǒng)能源領(lǐng)域的地位不可撼動，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(yīng)，生成甲烷或者甲醇，那么原料相同，在什么情況下生成甲烷，什么情況下生成甲醇呢？在這里，催化劑就扮演著一個至關(guān)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種化工產(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)是以合成氣中CO、CO₂和H₂為原料，在一定的催化劑作用下，所進行的復雜的、可逆的化學反應(yīng)。

甲醇合成反應(yīng)

主反應(yīng)

CO＋2H₂→CH₃OH

CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O

 副反應(yīng)

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有Cu-ZnO-Al₂O₃、CuO-ZnO、CuO-ZrO₂等。這些催化劑通常由多種金屬氧化物組成，具有較高的催化活性和穩(wěn)定性。

       甲醇的生產(chǎn)工藝分為高壓法、中壓法和低壓法。

       以下是不同甲醇生產(chǎn)工藝的區(qū)別：

甲醇合成的反應(yīng)步驟及機理：

      以上五個過程，（1）、（5）進行得最快；（2）、（4）進行的速度比（3）快得多，因此整個反應(yīng)過程取決于第三個過程，即反應(yīng)物分子在催化劑的活性表面的反應(yīng)速度。 

 氨合成原理

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

氨合成反應(yīng)

主反應(yīng)

N₂＋2H₂→2NH₃

       在氨合成工藝中，氨合成催化劑可以稱之為氨合成的“心臟”，氨合成催化劑主要以鐵系催化劑為主，欲了解更多氨合成催化劑，請參考合成氨催化劑簡析。

甲烷合成原理

       甲烷化是指合成氣中CO、CO₂和H₂在一定的溫度、壓力及催化劑作用下，進行化學反應(yīng)生成CH₄的過程。

甲烷合成反應(yīng)

主反應(yīng)

CO+3H₂=CH₄+H₂O

CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O

       同合成氨一樣，合成甲烷也是一個體積縮小、強放熱的可逆反應(yīng)，熱效應(yīng)大于甲醇合成反應(yīng)。

因此，甲烷合成技術(shù)的關(guān)鍵在于反應(yīng)熱的控制和催化劑催化性能的保護。

甲烷化催化劑的反應(yīng)步驟及機理：

       甲烷化催化劑分為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、鈀等貴金屬為活性組分，但是高溫甲烷化催化劑需要在高溫段才能發(fā)揮催化作用，不僅會導致能量的浪費，而且催化劑對反應(yīng)條件的要求也較高。

       而低溫甲烷化催化劑以過渡金屬氧化物，如氧化鎳、氧化鉬等為活性組分，具有較高的催化活性。