低浓度甲烷在铜基催化剂上的燃烧反应及动力学特性

【摘要】：低浓度甲烷广泛存在于煤层气及工业废气中,当其在过渡金属催化剂上燃烧时,其燃烧反应特性及动力学分区等有待进一步深入研究;另外,低浓度甲烷在抽采时往往具有一定的含湿量,有必要弄清水蒸气对其催化燃烧特性的影响规律。因此,对低浓度甲烷在铜为代表的过渡金属催化剂上的燃烧反应及动力学特性展开研究具有重要的学术意义及工程应用价值。采用Cu/?-Al2O3颗粒作为催化剂,实验研究了低浓度甲烷在固定床微分反应器中的催化燃烧及动力学特性,分析了催化剂在反应前后的表面微观结构、催化活性及表面反应物的变化,重点研究了表面氧对甲烷催化的影响,探讨了氧的覆盖率变化对甲烷催化活性的影响以及氧覆盖率不同而引起的催化燃烧分区的迁移,通过水蒸气对氧的可逆吸附与结合,分析了水蒸气对甲烷催化活性以及相关反应动力学参数的影响规律。研究表明,甲烷在Cu金属表面的催化反应、氧化脱氢按反应物分压的差别可分为三个反应区:富氧燃烧区(Region 1,O2/CH42)、稀氧燃烧区(Region 2,0.1O2/CH42)、缺氧燃烧区(Region 3,O2/CH40.1)。富氧燃烧区(?+?)甲烷氧化脱氢反应由甲烷分压控制,与氧分压无关;稀氧燃烧区(?+?)反应速率由甲烷和氧气分压共同控制;缺氧燃烧区(?+?)反应速率由氧分压控制,与甲烷分压无关。反应级数在三个分区也明显不同:Region 1,=0.9,=0;Region2,=0.43,=0.68;Region 3,=0,=1.77;其活化能依次为:146.3 k J/mol,99.8 k J/mol,and 60.8 k J/mol。由富氧区到缺氧区,反应控速步骤由甲烷在吸附性氧上的脱氢转变为氧在活性金属团簇上的活化。另一方面,当反应气流中含有水蒸气时,甲烷催化反应将明显受到抑制。水蒸气在反应中可与催化剂表面活性氧发生吸附作用,并生成羟基。含水蒸气气氛下,甲烷转化率快速下降,氮气吹扫可使催化活性完全恢复。在富氧条件下,氧分压的变动对含水蒸气甲烷的反应速率无影响,而甲烷分压波动对反应速率影响较大。当水蒸气分压上升后,甲烷速率曲线下移,且斜率降低,甲烷反应级数降低。动力学实验表明,含水蒸气条件下,甲烷催化燃烧表观活化能迅速上升,水蒸气与甲烷竞争吸附在表面氧上,导致甲烷活化能升高,水蒸气反应级数也随之升高。低温下水蒸气的覆盖率在80%以上,而干燥气氛下的覆盖率仅为30%;随着温度的升高,含水蒸气或不含水蒸气的表面覆盖率将趋于一致。本文的研究结果对低浓度甲烷的高效转化及利用提供了理论依据。 【关键词】：低浓度甲烷 催化燃烧 铜基催化剂 水蒸气 表面催化 反应动力学
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 甲烷催化燃烧特性及动力学研究现状9-17
• 1.2.1 甲烷催化燃烧特性及催化剂研究现状9-11
• 1.2.2 甲烷催化燃烧动力学研究现状11-14
• 1.2.3 水蒸气对甲烷催化燃烧的影响14-17
• 1.3 本文主要研究内容17-18
• 2 实验系统及催化剂制备18-24
• 2.1 催化剂制备18-20
• 2.1.1 载体的选择19-20
• 2.1.2 金属Cu负载20
• 2.2 实验系统及测量20-22
• 2.3 催化剂活性表征22-24
• 3 低浓度甲烷催化燃烧特性及动力学分区24-36
• 3.1 动力学控制的确定24-27
• 3.1.1 扩散作用的消除24-25
• 3.1.2 催化剂稀释25-27
• 3.2 甲烷催化燃烧动力学分区27-32
• 3.2.1 富氧燃烧区（动力学1区，O_2/CH_4 > 2）27-29
• 3.2.2 稀氧燃烧区（动力学2区，0.1< O_2/CH_4 < 2）29-31
• 3.2.3 缺氧燃烧区（动力学3区，0< O_2/CH_4 < 0.1）31-32
• 3.3 各区间燃烧特性的讨论32-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 水蒸气对低浓度甲烷催化燃烧及动力学特性的影响36-50
• 4.1 水蒸气对甲烷催化燃烧的影响36-43
• 4.2 水蒸气作用下的反应动力学和覆盖率43-49
• 4.2.1 水蒸气作用下的催化反应动力学特性43-47
• 4.2.2 水蒸气在催化剂表面的吸附覆盖47-49
• 4.3 本章小结49-50
• 5 结论与展望50-53
• 5.1 主要结论50-51
• 5.2 研究展望51-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-61
• 附录61

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

来自海洋地壳深处的甲烷    W.C.Evans;刘子忠;吕海燕;

气体中痕量碳氢化合物的分析 第一报 痕量甲烷的分析    唐学渊,朱凤顺

巨型天然气水合物储层原始甲烷数量的直接测量    Gerald R Dickens,许红

实验室里制取甲烷的研究    李巧云

用吸附膨胀脱附法将甲烷-氢分离成纯氢和纯甲烷的实验研究    冯庆祥;宋长志;阎家训;汪毓云;李秀英;

贫氪浓缩物中少量甲烷的清除    章炎生,王永才,郑美英

    

低浓度甲烷吸收过程分析及装置的试验研究    张增志;路锐;邢蕊峰;魏莉;王光;

北极现15万甲烷泄漏点 将严重影响全球气候    孝文

新型催化剂可高效转化甲烷为甲醇    记者 顾钢

美与七国达成开发甲烷气协议    王俊鸣

油田残余油生产甲烷潜力巨大    朱起煌

日本看好海底冰状甲烷    本报驻东京记者 吴仲国

甲烷存储运输有了新方法    刘霞

美国纽约污水变废为宝 甲烷气成为城市新能源    韦林娜

甲烷也能“粉末”化    刘霞

海底甲烷气泡可能是神秘沉船祸首    记者 毛磊

把二氧化碳埋起来    杨贵兰

甲烷可控转化新途径的研究    李疆

组合多相催化技术及其在甲烷与小分子化合物耦合反应中的应用    王华

非热等离子体促进甲烷活化转化的研究    黄亮

光学式甲烷检测系统设计及其信号处理方法研究    曾秋菊

低浓度甲烷在铜基催化剂上的燃烧反应及动力学特性    耿豪杰

南海冷泉区甲烷渗漏过程的原位观测研究    徐翠玲

甲烷浓度检测新方法的研究    郭芬

Cryptophane A，E合成与表征及其甲烷敏感特性    龙海平

微细腔内甲烷自热重整催化产氢暂态特性数值模拟及实验研究    张苗

甲烷直接氧化制甲醇、甲醛的膜催化剂（ZrO_2-CaO）研究    罗儒显

基于两相发酵的甲烷原位富集工艺研究    赵圆方

甲烷低温部分氧化催化剂制备及催化性能研究    潘冬晖

甲烷芳构化：不同添加剂效应及特殊分子筛载体的研究    陈会英