费托合成重烃的组成及含量鉴定实验方案

CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM

质谱分析实验

费托合成重烃的组成及含量鉴定实验方案

院系名称：化学工程学院

指导教师：

组长：

小组成员：

费托合成重烃的组成及含量鉴定

一、实验背景与原理

1)实验背景

费托合成是以合成气为原料，在催化剂(本实验是钴系) 和适当反应条件下（低温<200℃）合成以重烃（石蜡）为主的液体燃料的工艺过程。1923年由德国化学家F.费歇尔和H.托罗普施开发，第二次世界大战期间投入大规模生产。

2)费托合成的实验原理

费托（FT）合成就是指CO在固体催化剂作用下非均相加氢生成不同链长的烃类混合物和含氧化合物的反应。其反应过程可以用下式表示：

n CO + 2n H2【－CH2－】n + n H2O

根据下游产品（如燃料、润滑油、蜡）的要求，FT工艺可以合成不同链长度的烷烃，并采取蒸馏的办法分离烷烃。最初费托工艺是用来合成石油产品的替代品，目前该工艺主要应用于碳氢基合成气或天然气转化为合成燃料。费托（Fischer – Tropsch）蜡由90～95％的常规石蜡烃组成，其余的是在分子末端有分支的叔烃和甲基烃，是亚甲基聚合物，是碳氢基合成气或天然气合成的烷烃。

费托蜡具有比石蜡更好的电性能、低粘度、更高的熔点和硬度,更窄的馏分。根据需要，可以改变最终产品的分子量大小，从而可以得到从类似液体石蜡的单体烃到类似聚乙烯蜡的高熔点蜡，有其它天然蜡或其它合成蜡所不具有的特殊性能。所以，实验中可以调节不同的反应条件以便得到更多的费托蜡。

3)质谱仪分析原理

使所研究的混合物或单体形成离子，然后使形成的离子按质荷比(mass-charge ratio)m／z 进行分离。质谱分析法是按照离子的质荷比（m/z）大小对离子进行分离和测定从而对样品进行定性和定量分析的一种方法。

质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作，以减少本底的干扰，避免发生不必要的分子－离子反应。离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，汇聚成有一定

几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离，当气体或蒸汽分子（原子）进入离子源时，受到电子轰击而形成各种类型的离子，如分子离子，碎片离子，离子分子等。因而可以在所得的质谱图中出现分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、二价离子峰等。对被测化合物进行分析，确定其相对分子质量及其它信息。如图1-质谱原理工作图。

图1-质谱原理工作图

质量分析器是质谱仪的核心，它将离子源产生的离子按质荷比（m/z）的不同,在空间位置、时间的先后或轨道的稳定与否进行分离，以得到按质荷比大小顺序排列的质谱图。以四极质量分析器（四极杆滤质器）为质量分析器的质谱仪称为四极杆质谱。检测器的作用是将来自质量分析器的离子束进行放大并进行检测，电子倍增检测器是色谱－质谱联用仪中最常用的检测器。计算机控制与数据处理系统（工作站）的功能是快速准确地采集和处理数据；监控质谱及色谱各单元的工作状态；对化合物进行自动的定性定量分析；自动生成分析报告。

二、实验目的

通过现代仪器分析方法，选择合适的仪器分析费托蜡的分子组成及其相对含量，由于Co基催化剂没有水汽变换反应，接近理论转化率，但必须在低温下操作，获得合适的选择性，因此需了解低温费托合成Co基催化剂，重烃产物分布情况，重点关注蜡的含量。

三、该实验涉及的实验材料、药品及器具

1)实验材料

由于本次费托合成石油蜡是在低温下制取的，缩合度不是特别高，分子大致在C35附近（即分子量较低），最大可能为C50左右，可采用四级杆质量分析器

（特别适用于GC-MS）观察整个系统的分子量分布，由于高分子量的难气化，须再用高温色谱了解高分子量的谱图分布。

不同质谱仪器主要指标：质量范围m/e（e=1）——能够测得的最大质量数。

2)实验药品

费托蜡样品，二硫化碳溶剂

3)实验仪器

GC-MS、高温色谱

四、实验步骤

1)溶解费托蜡样品；

2)利用GC-MS分析样品，解析谱图，分析费托蜡体系大致的分子量分布情况，

①打开仪器电源，开电脑进入操作系统、打开软件，设定参数。

②配置样品溶液。

③用微量进样器吸取1.0μL。

④进样，手动调谐，在正离子或负离子模式下对样品进行分析，将锥孔

电压由低向高以10V为梯度进行调整。

⑤每次调整完之后等待10min左右，观察图谱，直到获得接近高斯分布

的峰型为止。

⑥采集图谱。

⑦用二硫化碳清洗微型取样器，再重复步骤3至步骤7。

⑧保存数据。

具体气相色谱仪-质谱仪操作流程GC-MS分析步骤见附录。

3)利用高温气相色谱，以便得出费托蜡中相对高分子量的组成含量

五、思考题

钴基催化剂的相关性能，低温费托合成产物分布情况：轻烃与重烃的相对含量，并在了解重烃范围的基础上利用色谱分析烃中C35及C35以上组成含量，试探性的推定其具体分子式。

六、注意事项

1)溶剂二硫化碳的毒性；溶液浓度（溶剂与费托产物的比例多大合适）等。

2)注：GC-MS开机前的准备:

①放气阀须关好

②MSD连接到接地的电源上

③MSD的接口伸入柱温箱

④老化好的毛细柱接好两端

⑤99.999%的氦载气接到GC上,推荐使用净化器

3)如何观察自动调谐报告：相近的峰宽，平滑对称的峰形，适当的EM电压，

合适的丰度值，正确的质量分配，典型的相对丰度，合适的同位素比例七、用品清单

费托产物、溶剂二硫化碳、GC—MS、高温气相色谱