煤化工中几种常见的合成反应原理

       合成氨、甲醇、天然气在传统能源领域的地位不可撼动，其中合成甲烷和合成甲醇均是利用合成气中的CO、CO₂和H₂反应，生成甲烷或者甲醇，那么原料相同，在什么情况下生成甲烷，什么情况下生成甲醇呢？在这里，催化剂就扮演着一个至关重要的角色。

       本期主要分享一下合成氨、甲醇以及天然气这几种化工产品的合成原理以及一些合成条件选择。

甲醇合成原理

       甲醇合成反应是以合成气中CO、CO₂和H₂为原料，在一定的催化剂作用下，所进行的复杂的、可逆的化学反应。

甲醇合成反应

主反应

CO＋2H₂→CH₃OH

CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O

 副反应

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剂有Cu-ZnO-Al₂O₃、CuO-ZnO、CuO-ZrO₂等。这些催化剂通常由多种金属氧化物组成，具有较高的催化活性和稳定性。

       甲醇的生产工艺分为高压法、中压法和低压法。

       以下是不同甲醇生产工艺的区别：

甲醇合成的反应步骤及机理：

      以上五个过程，（1）、（5）进行得最快；（2）、（4）进行的速度比（3）快得多，因此整个反应过程取决于第三个过程，即反应物分子在催化剂的活性表面的反应速度。 

 氨合成原理

       N₂和H₂在高温高压和催化剂作用下，发生以下的可逆反应，生成NH₃，该反应是一个体积缩小的放热反应，因此缩小反应体积和降低反应温度有利于反应合成氨产量的提高。

氨合成反应

主反应

N₂＋2H₂→2NH₃

       在氨合成工艺中，氨合成催化剂可以称之为氨合成的“心脏”，氨合成催化剂主要以铁系催化剂为主，欲了解更多氨合成催化剂，请参考合成氨催化剂简析。

甲烷合成原理

       甲烷化是指合成气中CO、CO₂和H₂在一定的温度、压力及催化剂作用下，进行化学反应生成CH₄的过程。

甲烷合成反应

主反应

CO+3H₂=CH₄+H₂O

CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O

       同合成氨一样，合成甲烷也是一个体积缩小、强放热的可逆反应，热效应大于甲醇合成反应。

因此，甲烷合成技术的关键在于反应热的控制和催化剂催化性能的保护。

甲烷化催化剂的反应步骤及机理：

       甲烷化催化剂分为高温甲烷化催化剂和低温甲烷化催化剂，常见的高温甲烷化催化剂以铂、钯等贵金属为活性组分，但是高温甲烷化催化剂需要在高温段才能发挥催化作用，不仅会导致能量的浪费，而且催化剂对反应条件的要求也较高。

       而低温甲烷化催化剂以过渡金属氧化物，如氧化镍、氧化钼等为活性组分，具有较高的催化活性。