高导热性Co/Al2O3@Al费托合成催化剂强化传热过程与影响反应行为机理的研究

The coal transformation through Fischer-Tropsch synthesis (FTS) is one of the clean and efficient routes to produce high quality ultra-clean fuels or valuable chemicals. The cobalt-based fixed-bed FTS technique has a broad application prospect on account of the high added value products and easily industrialized characters, but the strong exothermic behavior severely constrains the industrialization process. Developing high thermal conductive cobalt-based FTS catalysts is one of the important methods to enhance the heat transfer efficiency within fixed-bed reactors. In this project, high thermal conductive Al2O3@Al composite oxides is prepared using cheap aluminum powders via hydrothermal method and loaded cobalt to prepare Co/Al2O3@Al FTS catalyst. The project mainly focus on investigating the effect of catalysts texture properties, shape factors, heat conductivity coefficient, void content and liquid-solid heat transfer on the heat transfer efficiency of fixed-bed reactor and obtaining the corresponding expression; high thermal conductive Co/Al2O3@Al as well as low thermal conductive Co/Al2O3 are used as model catalysts to in-depth study the basic reaction steps and get key dynamics parameters with dynamics analysis method. The mechanism of the thermal conductivity of the catalyst influencing the reaction behaviour of the cobalt - based FTS will be illuminated. This program is aiming at providing fundamental knowledge for accelerating the industrialization and improving the economy of cobalt-based fixed-bed FTS technique.

煤炭经费托合成制备优质液体燃料和化学品是重要的洁净高效转化途径之一。钴基固定床费托合成技术由于产品附加值高、易于工程化的优点而具有广阔的应用前景，但是反应过程的强放热严重制约其产业化进程。开发高导热性钴基费托合成催化剂提高固定床传热效率是解决该问题的重要手段。本项目以廉价金属铝粉为原料，采用水热法合成高导热性Al2O3@Al并负载钴制备Co/Al2O3@Al费托合成催化剂。通过建立多因素耦合传热模型，重点研究催化剂织构信息、形状因子、导热系数、反应床层空隙率和固液传热等诸多因素对床层有效传热性能的影响规律；以高导热性Co/Al2O3@Al及导热性能较差的Co/Al2O3为模型催化剂，采用动力学分析手段，深入研究各基元反应步骤，获取关键动力学参数，阐明催化剂本体导热性能影响钴基费托合成反应行为机理，为加速钴基固定床费托合成技术产业化提高技术经济性提供重要的理论依据。

煤炭经费托合成制备液体燃料和化学品是煤炭重要的洁净高效转化途径之一。固定床钴基费托合成技术具有广阔的应用前景，但是反应过程的强放热严重制约其产业化进程。开发高导热性催化剂提高固定床传热效率是解决该问题的重要手段。本项目以金属铝粉为原料，合成高导热性Al2O3@Al载体并负载钴制备Co/Al2O3@Al费托合成催化剂；制备了一系列SiO2修饰的Al2O3@Al载体负载的钴基费托合成催化剂 (Co/SAl2O3@Al-x)，用以降低Co物种和Al2O3的金属-载体相互作用。反应结果表明，Co/SAl2O3@Al-x催化剂的CO转化率和C5+选择性明显升高、CH4选择性明显降低。.传热研究表明， Co/Al2O3@Al催化剂具有极好的传热性能，其导热系数比传统的Co/Al2O3高30多倍。催化剂床层的温度分布也进行了详细的研究。对于传统的导热性较差的Co/Al2O3催化剂，催化剂床层的温度梯度较为明显，反应器中心和反应器内壁的温度差ΔT达到7.9°C；对于反应管中装填Co/Al2O3@Al催化剂的床层温度分布均匀，反应器中心和反应器内壁的温度差ΔT较小。.以导热性能较差的Co/SiO2催化剂与不同比例的高导热性铝粉混合、成型，制备了一系列具有不同导热性能的催化剂颗粒CAT-n，借助动力学手段详细地研究了催化剂颗粒的导热性能影响费托合成产物选择性的机理。研究结果表明，热导率高的催化剂颗粒具有较高的C5+选择性和较低的CH4选择性。热导率低的催化剂颗粒的过热效应可能是造成这一现象的原因。一方面，合成气吸附、加氢、链长等基元反应步骤会受到局部过热的影响;另一方面，催化剂颗粒过热也会引起活性组分结构的重构和烧结。.通过以上研究，我们掌握了制备高导热性Co/Al2O3@Al催化剂以及调控该催化剂产物选择性的方法；采用动力学分析手段，深入研究各基元反应步骤，获取关键动力学参数，阐明了催化剂本体导热性能影响钴基费托合成反应行为机理。研究结果表明，Co/Al2O3@Al催化剂具有优异的催化性能，重质烃的选择性超过85%，另外催化剂的传热性能优异，在较高的转化率下能保持均匀的床层温度分布。本研究为加速钴基固定床费托合成技术产业化，提高技术经济性提供了重要的理论依据。