[发明专利]使用La-Ce催化剂的甲烷氧化偶联

说明书

描述了能够催化甲烷氧化偶联反应的金属氧化物催化剂。金属氧化物催化剂包括镧(La)铈(Ce)金属氧化物并且还包括氢氧化镧(La(OH)3)结晶相。该催化剂能够催化由甲烷和氧制备C2+烃。还描述了使用金属氧化物催化剂从反应气体制备C2+烃的方法和系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年6月8日提交的美国临时专利申请No.62/172,403的优先权权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及能够由甲烷(CH4)和氧(O2)制备C2+烃的镧-铈本体金属氧化物催化剂的用途。特别地，本体金属氧化物催化剂包括氢氧化镧(La(OH)3)结晶相。

背景技术

由于技术的进步，越来越多的页岩气藏正在生产，反过来又引起了越来越多的天然气的生产。天然气是碳氢化合物气体的天然混合物。天然气包括甲烷，含有高达约百分之二十的高级烃(如乙烷)和少量杂质(如二氧化碳和硫化氢)。虽然天然气是丰富的碳氢化合物资源，但与可用于产生各种各样的产品的、具有2或更高碳数的更有价值的碳氢化合物(例如乙烯、乙烷、丙烷等)相比，它具有低的经济价值。例如，乙烯是制造聚乙烯、环氧乙烷和其他石化产品的石化工业的主要原料。许多这些产品被用来生产各种各样的产品，如防破坏容器和包装材料。对于工业规模的应用，乙烯目前通过蒸馏或催化裂化由蒸馏气体或轻质烃(包括乙烷和高级烃)获得的产物来生产。所得产物经历分离过程以除去乙烯。

甲烷可用于通过甲烷与其自身的氧化偶联来生产乙烷和/或乙烯。对氧化偶联技术进行了大量的研究和开发，但没有一个方法成功地商业化。关键的挑战性问题之一是使反应进行所需的高反应温度。由于四面体C-H键在甲烷中的解离强度(键解离焓)为435千焦/摩尔(kJ/mol)，所以需要高温，这使得它的反应性较低，并且难以经历氧化转化以形成乙烯。甲烷的氧化偶联由下式表示：

2CH4+O2→C2H4+2H2OΔH＝-34kcal/mol (I)

2CH4+1/2O2→C2H4+H2OΔH＝-21kcal/mol (II)如式(I)和(II)所示，甲烷氧化转化为乙烯是放热的。由这些反应产生的过量热量可推动甲烷转化为一氧化碳和二氧化碳，而不是所需的C2烃产物：

CH4+1.5O2→CO+2H2OΔH＝-103kcal/mol (III)

CH4+2O2→CO2+2H2OΔH＝-174kcal/mol (IV)

来自式(III)和(IV)中反应的过量热量进一步加剧了这种情况，因此与一氧化碳和二氧化碳生产相比，显着降低了乙烯生产的选择性。