甲烷转化的方法和催化剂

　　　　　　　　　　　　　　甲烷转化的方法和催化剂

　　甲烷是一种丰富的烃类原料，主要从天然气中得到。天然气的甲烷含量可从60%到99%间变化，其他组分是乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳和氮气。全世界储量估计为2.5×1012立方英尺。但从甲烷制取化学产品则因缺少能活化甲烷，使之产生化学转化的催化剂方法而受到限制。今天，甲烷可利用其热值充做燃料或在铁、镍催化剂上进行蒸汽重整以生产一氧化碳和氢气。一氧化碳和氢气进一步和氮气反应生成甲醇和氨。但迄今还没有一种有吸引力的方法能将甲烷直接转化为价值较高的烃类，诸如乙烯或丙烯。利用乙烯或丙烯就可以生产液体燃料、塑料、纤维、溶剂以及化学加工工业所用的大量其他有机化合物。因此，甲烷是一种没有得到充分利用的天然资源。

本文的进一步目的是要开发一个活性和选择性好的催化剂用来从甲烷在氧气存在下合成氢气、乙烯、乙烷和较高的烃类。已经发现含甲烷和氧气的气体与元素周期表中第ⅡA族的一种金属如铍、镁、钙、锶和钡的氧化物;第ⅢB族的一种金属如钪、钇、和镧的氧化物;除铈以外的镧系金属如镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥的一种氧化物;和它们的混合物接触，能把甲烷转化为氢气、乙烯、乙烷和较高的烃类产品。催化反应最好在温度500到1000℃和压力1到25大气压之间进行。一些水、一氧化碳和二氧化碳作为反应的副产品也同时生成。与以前已知的各种从甲烷和氧气合成烃类的方法的区别在于所用的金属氧化物是不能还原的，如氧化镁、氧化锶、三氧化二钇和三氧化二镧。这些催化剂的第二个特点在于它们是碱性的和离子型金属氧化物。因此，金属氧化物呈碱性，不具有氧化还原的潜力，是将甲烷和氧气合成为较高烃类普遍选用的催化剂。还进一步发现第ⅡA、ⅢB和除铈以外的镧系金属的氧化物加入一种或几种选自下列金属的氧化物作助催化剂后性能得到改进：（a）第ⅠA族金属如锂、钠和钾;（b）第ⅡA族金属如铍、镁、钙、锶、钡;（c）第ⅢB族金属如钪、钇和镧;（d）镧系金属如铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥;（e）第ⅣA族金属如锡和铅;（f）第ⅤA族金属如锑和铋;以及（g）第ⅠB族金属如铜、银和金。氧化物助催化剂的加入技术有很多种。助催化剂的加入量可从催化剂有效量直至50%（重），最好小于10%（重）本方法与以前的各种方法的又一区别，在于从甲烷合成烃类时对活性金属氧化物不需要惰性的担体材料，这些材料有时甚至对催化剂的综合性能是有害的。

本方法与以前已知的各种方法的再一区别在于从甲烷合成烃类时，甲烷和氧气是同时进入反应器的。用这里介绍的催化剂，从甲烷合成烃类可在氧气存在下进行而不减少烃类的产率。这种甲烷和氧气混合物同时并连续进入催化剂反应器，催化剂不需周期性再生，这是本方法最好的操作方式。