甲烷轉化的方法和催化劑

　　甲烷是一種豐富的烴類原料，要紧從天然氣中获得。天然氣的甲烷含量可從60%到99%間變化，其他組分是乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳和氮氣。全世界儲量估計爲2.5×1012立方英尺。但從甲烷制取化學中文产品則因缺少能活化甲烷，使之産生化學轉化的催化劑方法而受到限制。今天，甲烷可使用其熱值充做燃料或在鐵、鎳催化劑上進行蒸汽重整以生産一氧化碳和氫氣。一氧化碳和氫氣進一步和氮氣反應生成甲醇和氨。但迄今還沒有一種有吸引力的方法能將甲烷直接轉化爲價值較高的烴類，諸如乙烯或丙烯。使用乙烯或丙烯就可以生産液體燃料、塑料、纖維、溶劑以及化學加工工業所用的大批其他有機化合物。因此，甲烷是一種沒有获得充分使用的天然資源。

本文的進一步目的是要開發一個活性和選擇性好的催化劑用來從甲烷在氧氣存在下合成氫氣、乙烯、乙烷和較高的烴類。已經發現含甲烷和氧氣的氣體與元素周期表中第ⅡA族的一種金屬如铍、鎂、鈣、锶和鋇的氧化物;第ⅢB族的一種金屬如钪、钇、和镧的氧化物;除铈以外的镧系金屬如镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥的一種氧化物;和它們的混合物接觸，能把甲烷轉化爲氫氣、乙烯、乙烷和較高的烴類中文产品。催化反應最好在溫度500到1000℃和壓力1到25大氣壓之間進行。一些水、一氧化碳和二氧化碳作爲反應的副中文产品也同時生成。與以前已知的各種從甲烷和氧氣合成烴類的方法的區別在于所用的金屬氧化物是不能還原的，如氧化鎂、氧化锶、三氧化二钇和三氧化二镧。這些催化劑的第二個特點在于它們是堿性的和離子型金屬氧化物。因此，金屬氧化物呈堿性，不具有氧化還原的潛力，是將甲烷和氧氣合成爲較高烴類普遍選用的催化劑。還進一步發現第ⅡA、ⅢB和除铈以外的镧系金屬的氧化物进入一種或幾種選自下列金屬的氧化物作助催化劑後性能获得改進：（a）第ⅠA族金屬如锂、鈉和鉀;（b）第ⅡA族金屬如铍、鎂、鈣、锶、鋇;（c）第ⅢB族金屬如钪、钇和镧;（d）镧系金屬如铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥;（e）第ⅣA族金屬如錫和鉛;（f）第ⅤA族金屬如銻和铋;以及（g）第ⅠB族金屬如銅、銀和金。氧化物助催化劑的进入技術有很多種。助催化劑的进入量可從催化劑有效量直至50%（重），最好小于10%（重）本方法與以前的各種方法的又一區別，在于從甲烷合成烴類時對活性金屬氧化物不需要惰性的擔體材料，這些材料有時甚至對催化劑的綜合性能是有害的。

本方法與以前已知的各種方法的再一區別在于從甲烷合成烴類時，甲烷和氧氣是同時進入反應器的。用這裏介紹的催化劑，從甲烷合成烴類可在氧氣存在下進行而不減少烴類的産率。這種甲烷和氧氣混合物同時並連續進入催化劑反應器，催化劑不需周期性再生，這是本方法最好的操作方法。