Beschreiben Sie die Entwicklung der Katalysatoren für die Synthese von Methanol?

Katalysatoren zur Herstellung von Synthetischem Methanol lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen. Eine Klasse sind Kupferbasierte Katalysatoren, bei denen Kupfer als Hauptaktivkomponente dient ； Eine weitere Kategorie sind tragebasierte Katalysatoren, bei denen Edelmetalle als aktive Komponenten verwendet werden. Hauptsächlich ； 1 ； Zink-Chrom-Katalysator – Der Zink-Chrom-(ZnO/Cr2O3)-Katalysator ist ein Hochdruck-Schüttkatalysator, der erstmals im Jahr 1923 von dem deutschen Unternehmen BASF entwickelt wurde. Der Zink-Chrom-Katalysator weist eine geringe Aktivität auf. Um eine höhere katalytische Aktivität zu erzielen, muss die Betriebstemperatur bei 590 K–670 K liegen. Um eine höhere Umsetzungsrate zu erzielen, muss der Betriebsdruck bei 25 MPa–35 MPa liegen; deshalb werden sie als Hochdruckkatalysatoren bezeichnet. Die Eigenschaften des Zink-Chrom-Katalysators sind: a) gute Wärmebeständigkeit – er kann Überhitzungsprozesse mit Temperaturunterschieden von über 100 °C aushalten; b) Er ist nicht empfindlich gegenüber Schwefel; c) Hohe mechanische Festigkeit; d) Lange Lebensdauer, breites Anwendungsspektrum sowie einfache Bedienung. Im Vergleich zu Kupferkatalysatoren weist er eine geringere Aktivität und Selektivität auf; außerdem ist die Destillation schwierig, da die Verunreinigungen im Produkt komplex sind. Da der Anteil von Cr2O3 in solchen Katalysatoren bis zu 10 % beträgt, stellt dies eine wichtige Quelle für die Belastung mit Chrom dar. Chrom ist für den Menschen giftig; der Einsatz solcher Katalysatoren wird derzeit schrittweise eingestellt. 2 ； Kupferbasierte Katalysatoren – Kupferbasierte Katalysatoren sind Katalysatoren zur Synthese von Methanol bei niedrigen Temperaturen und Drücken. Ihre Hauptbestandteile sind CuO/ZnO/Al2O3 (Cu-Zn-Al). Diese Katalysatoren wurden nacheinander von dem britischen Unternehmen ICI sowie dem deutschen Unternehmen Lurgi entwickelt. Die Betriebstemperatur von Kupferbasierten Katalysatoren bei niedrigem (mittlerem) Druck liegt bei 210 °C–300 °C, der Druck beträgt 5 MPa–10 MPa. Das sind deutlich niedrigere Temperaturen im Vergleich zu den herkömmlichen Syntheseverfahren – was dem Gleichgewicht der Methanolreaktion zugutekommt. Seine Eigenschaften sind: a) gute Aktivität – die Umwandlungsrate liegt bei 7%–8%; b) hohe Selektivität, über 99%. Die Verunreinigungen bestehen nur aus geringen Mengen an Methan, Dimethan und Methylformiat; dadurch kann hochreines Methanol gewonnen werden; c) schlechte Wärmebeständigkeit sowie Empfindlichkeit gegenüber Schwefel. 3 ； Palladiumbasierte Katalysatoren – Da die Selektivität von kupferbasierten Katalysatoren über 99 % liegen kann, liegt der Schwerpunkt bei der Entwicklung neuer Katalysatoren darin, ihre Aktivität weiter zu erhöhen, ihre thermische Stabilität zu verbessern sowie ihre Lebensdauer zu verlängern. Die Forschung an neuen Katalysatoren basiert größtenteils auf Übergangsmetallen, Edelmetallen usw., doch im Vergleich zu herkömmlichen (oder konventionellen) Katalysatoren ist ihre Aktivität nicht ideal. Zum Beispiel zeigen Katalysatoren, deren Hauptkatalysator das Edelmetall Palladium ist, nur eine geringe Steigerung der Aktivität; bei einigen Katalysatoren nimmt sogar die Selektivität ab. 4 ； Molybdändioxid-basierte Katalysatoren – Kupferbasierte Katalysatoren sind wichtige Katalysatoren in der Methanolherstellung. Aufgrund des Vorhandenseins geringer Mengen an H2S, CS2, Cl2 usw. im Rohgas kann es jedoch leicht zu einer Vergiftung der Katalysatoren kommen. Deshalb gewinnt die Entwicklung von schwefelbeständigen Katalysatoren immer mehr an Bedeutung. Zhang Jiyan von der Tianjin University hat einen Katalysator für die Synthese von Methanol aus Schwefelhaltigen Stoffen entwickelt – basierend auf dem Gemisch MoS2/K2CO3/MgO-SiO2. Bei einer Temperatur von 533 K, einem Druck von 8,1 MPa sowie einer Luftstromrate von 3000 h-1 betrug das Verhältnis φ(H2)∶φ(CO) 1,42. Die Massekonzentration des Schwefels lag bei 1350 mg/L. Die Umwandlungsrate von CO betrug 36,1 %, während die Selektivität für Methanol bei 53,2 % lag. Obwohl dieser Katalysator eine hohe Umsetzungsrate aufweist, beträgt seine Selektivität nur 50%. Zudem ist die Nachbehandlung der Nebenprodukte kompliziert. Es liegt noch ein großer Abstand bis zu einer industriellen Anwendung vor. Darüber hinaus gibt es Katalysatoren der Cu-Zn-Al-V-Serie. Die Kupferbasierten Katalysatoren der Cu-Zn-Al-Reihe umfassen die Typen C207, C301, C3011, NC5011, C306 und C307, wobei das Forschungsinstitut der Nanhua-Gruppe hier als Vertreter gilt. Die Kupferbasierten Katalysatoren der Cu-Zn-Al-V-Reihe umfassen wiederum die Typen CN J202, C302, C3021, C3022, CN J206 und XNC98, wobei das Forschungsinstitut für Chemie im Südwesten als Vertreter gilt. Derzeit werden weit verbreitet Kupferbasierte Katalysatoren eingesetzt. Die zukünftigen Forschungsschwerpunkte bei kupferbasierten Katalysatoren liegen auf niedrigen Temperaturen, niedrigem Druck, hoher Aktivität, hoher Selektivität sowie Energie- und Umweltschonung.