[发明专利]一种将具有1-4个碳原子的脂肪烃转化成烯烃以及芳烃的方法

说明书

一种将具有1‑4个碳原子的脂肪烃转化成烯烃以及芳烃的方法，包括：用包含至少一种具有1‑4个碳原子的脂肪烃的进料料流吹扫燃料电池的阳极，阳极上包含催化剂，使进料料流发生反应，生成包含烯烃、芳烃和氢气的产物料流并产生电流，用气体氧化剂吹扫燃料电池的阴极产生阳离子，阳离子通过离子导体陶瓷膜进入到阳极侧，与氢气反应生成水或将氢气氧化为氢离子并产生电流，氢离子通过离子导体陶瓷膜进入到阴极侧；燃料电池包含一个阳极，一个阴极以及让电荷通过电池两极的电解质膜，阳极材料为惰性金属材料，电解质材料为混合离子型导体Sc:ZrO₂或La_xSr_1‑xGa_yMg_1‑yO₃。该方法增加了甲烷转化产物的收率，移除的氢与氧气反应生成水并产生电力，提高了反应的整体能效。

技术领域

本发明属于天然气转化利用领域，具体涉及一种甲烷无氧转化为烯烃与芳烃催化剂的制备，以及反应原位移除氢气且使其与氧气反应生成水并产生电力的方法。

背景技术

甲烷是天然气的主要组成部分，是烃类家族中分子量最小、最稳定的成员。其碳氢键的键能较高，反应能力低，加工利用比较困难，与其他分子量较高的烃相比，难以作为化工原料直接利用。同时，甲烷的沸点低，液化运输的成本较高。乙烯和苯都是重要的基础化工原料。我国乙烯和苯的生产原料仍然以原油为主。原油价格的波动对乙烯和苯的价格影响较大，因此人们越来越关注于以原油以外的原料开发乙烯和苯生产的新途径。随着世界范围内富含甲烷的页岩气、天然气水合物、生物沼气等的大规模发现与开采，以储量相对丰富和价格低廉的天然气替代石油生产液体燃料和基础化学品已成为学术界和产业界研究和发展的重点。

目前天然气的转化利用通常采用二步法：首先，在高温条件下通过混合氧气、二氧化碳或水蒸汽，将天然气中的甲烷分子重整为含一定比例的一氧化碳和氢气分子的合成气(SynGas)；随后或者采用费托(F-T合成)方法，在特定的催化剂上将合成气转化为高碳的烃类分子(油品和基础化学品等)；或先由合成气制备甲醇，再经微孔分子筛催化剂脱水，生产烯烃和其他化学品。这类传统的甲烷转化路线冗长，投资和消耗高，尤为突出的问题是，由于采用了氧分子作为甲烷活化的助剂或介质，过程中不可避免地形成和排放大量温室气体二氧化碳，一方面影响生态环境，另一方面致使总碳的利用率大大降低，通常不会超过一半。因此，人们一直都在努力探索天然气直接转化利用的有效方法与过程。

专利CN 1266041 A公开了一种无氧条件下催化甲烷转化的可能路线，甲烷无氧芳构化(MDA)。该路线以Mo/HZSM-5为催化剂，在反应温度600～750摄氏度，反应压力常压～2个大气压的条件下，将甲烷转化为苯、甲苯和萘，并释放氢气，通常副产物为积碳。

专利WO2014183337和CN104148101A公开了在无氧条件下甲烷制备乙烯、苯和萘的催化剂。该催化剂以晶格掺杂的单原子金属为催化剂，反应温度750～1100摄氏度，反应压力常压～2个大气压的条件下，将甲烷转化为乙烯、苯和萘，并释放氢气。

对于以上反应，氢气的存在使得甲烷的转化受到热力学平衡限制，为利用未在反应中有效反应的甲烷，应除去包含在反应产物混合物中的大部分H₂，这样可以提高目标产物烯烃和芳烃的产率。

专利US7019184B2描述了一种用于从天然气MDA产物气体中分离H₂和芳烃并将残余产物气再循环至反应区，或在除去氢气之后且未在另一反应段中预先除去芳烃条件下使产物气体重新反应的方法。氢气选择性膜和变压吸附被作为分离H₂的方法。已分离出的氢气可用于燃烧室产生能量。

专利CN1268255A描述了利用固体氧化物燃料电池，以甲烷为燃料，使其与氧气反应产生水、二氧化碳、一氧化碳和氢气并发电的方法。该专利的产物为碳氧化物和氢气等，而没有烯烃和芳烃等，产物附加值很低。