催化法电石合成新工艺及其特征催化剂的研究

摘要

电石-乙炔路线是重要的有机合成路线,但是工业上生产电石的电热法需要2200℃左右的高温,是一条高能耗、高污染的合成工艺路线。本论文主要是向现有的电石合成工艺中引入催化的概念,并开发出一种特征催化剂,利用催化反应降低电石合成的能耗、提高反应转化率。
　　 基于对电石热合成反应的理论分析,本论文通过电热法将石灰和焦炭的混合物在1700℃、氩气气氛下反应1.5h制得了电石样品,所得电石样品与水反应尾气中乙炔含量较高,体积分数可达97％。本论文考察了碳源和钙源的活性对于电石合成的影响,结果表明活性炭作为碳源合成电石样品的发气量较高；预处理钙源有利于电石合成,但预处理碳源却不利于电石合成。本论文考察了粘结剂、助熔剂等助剂对电石合成反应的影响,结果表明在反应过程中液相的形成对于电石合成有促进作用。
　　 在此基础上,本论文选取碳酸钾、氧化铁、磷酸三钙、硅酸钙等作为备选催化剂,通过X射线衍射技术(XRD)考察了备选催化剂的加入对合成的电石样品组成的影响,并将标准电石发气量测定装置测定的发气量结果作为评价备选催化剂催化效果的依据。实验结果表明,在所有备选催化剂中,磷酸三钙具有最好的催化效果,可将合成样品的发气量提高32％,故而本论文选取磷酸三钙作为电石催化合成工艺的特征催化剂。本论文同时考察了青海湖钾盐对于电石合成的影响,结果表明青海湖钾盐对于提高电石合成反应转化率的催化效果不明显。
　　 本论文对以磷酸三钙为特征催化剂的电石催化合成工艺的工艺条件进行了优化,考察了原料的粒径及配比、催化剂加入量、反应时间对合成电石样品发气量的影响,得到了最优化的工艺条件。在最优化的工艺条件下,电石样品的发气量达到257.7L/kg,基本满足国家标准(GB10665-2004)中对合格电石产品发气量的要求。本论文通过在线反应、反应尾气检测、EDS能谱分析等技术手段考察了磷酸三钙的催化机理,认为在反应条件下磷酸三钙的熔化促进了碳原子的转移、改善了原料接触,同时,在反应过程中,磷酸三钙起到了离子传递媒介的作用。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电石生产现状

1.3 电石用途

1.4 电石工业合成原理

1.4.1 固相反应机理

1.4.2 熔融态作用机理

1.5 电石合成方法

1.5.1 电热法

1.5.2 氧热法

1.5.3 等离子体法

1.5.4 其它合成方法

1.6 碳化物的合成方法

1.6.1 不同加热方式合成

1.6.2 两步法合成

1.6.3 催化法合成

1.7 本论文的研究目的和任务

第二章 实验部分

2.1 实验药品及试剂

2.2 实验仪器

2.3 原料分析

2.3.1 石灰、焦炭成分分析

2.3.2 青海湖钾盐成分分析

2.4 原料预处理

2.4.1 碳源预处理

2.4.2 石灰预处理

2.4.3 原料的粘结

2.5 电石制备流程

2.5.1 装样

2.5.2 装炉

2.5.3 换气

2.5.4 加热

2.5.5 冷却

2.5.6 取样

2.6 催化效果评价

2.7 原料和产物的表征

2.7.1 粉末X-射线衍射分析

2.7.2 扫描电镜分析

2.7.3 透射电镜分析

2.7.4 气相色谱分析

2.7.5 热重分析

2.7.6 X-射线荧光分析

2.7.7 静态低温氮气吸脱附表征

第三章 电石热合成工艺

3.1 引言

3.2 原料组成分析

3.3 电石热合成反应的可行性的理论分析

3.4 电石热合成反应工艺条件分析

3.5 原料的影响

3.5.1 碳源种类的影响

3.5.2 碳源预处理的影响

3.5.3 石灰预处理的影响

3.5.4 原料粒度的影响

3.6 液相的影响

3.6.1 接触疏松度的影响

3.6.2 助熔剂的影响

3.7 小结

第四章 电石催化合成工艺

4.1 引言

4.2 电石催化合成工艺的可行性

4.3 电石催化合成催化剂筛选

4.3.1 碳酸钾

4.3.2 氧化铁

4.3.3 硫酸钙

4.3.4 青海湖钾盐

4.4 小结

第五章 催化合成电石工艺优化及催化合成机理

5.1 引言

5.2 催化合成工艺条件优化

5.2.1 反应时间

5.2.2 催化剂的加入量

5.2.3 原料物质的量比

5.2.4 焦炭粒径

5.3 电石催化合成机理

5.3.1 焦炭的热重分析

5.3.2 石灰的热重分析

5.3.3 热反应分析

5.3.4 催化剂磷酸三钙的热重分析

5.3.5 电石催化合成反应分析

5.4 电石合成反应尾气分析

5.5 EDS能谱分析

5.6 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢