等离子体二甲醚转化研究

论文摘要

二甲醚是“气变油”工艺的三种重要合成燃料（费托合成油、二甲醚、甲醇）之一。二甲醚可从资源丰富的煤、天然气和生物质等转化制合成气,再通过合成气转化制得。二甲醚已被广泛用于气溶胶。二甲醚的十六烷值（约55）高于普通柴油,是一种良好的车用代用清洁燃料。因此二甲醚有可能成为一种重要的新能源和化学合成中间体。等离子体含有大量离子、电子、激发态物质、自由基等化学活性物质,很多常规条件下很难实现的反应能够在等离子体条件下一步直接高效转化。但目前由于对等离子体化学反应机理认识不足,如何提高等离子体有机合成产物（特别是液相选择性）选择性仍然是一个很大的挑战。本研究首次利用二甲醚的气溶胶特性,将二甲醚引入等离子体共反应系统,获得了目前国际上等离子体气转液研究取得的最高液相产物选择性（高达58%）。如在温度1000C、大气压力下,等离子体输入功率50W、气体流速40 SCCM、甲烷二甲醚进料比为1时,等离子体共转化甲烷二甲醚生成液相产品总选择性达到51.8%,一步直接合成出高附加值产品,包括多甲氧基烷烃,其中二甲氧基甲烷和二甲氧基乙烷的选择性最高分别达到6.2%和14.0%,为替代以甲醛为反应物的合成多甲氧基烷烃路线提供了新途径。由于二甲醚的气溶胶特性,研究还发现介质阻挡气体放电等离子体二甲醚共转化产物分布与其他低碳烷烃、醇类转化体系相比有很大不同:1)一般等离子体低碳烷烃、醇类转化反应遵循自由基碳链增长机理,碳链可增长至C7以上,而介质阻挡气体放电等离子体二甲醚转化体系碳链增长到C3就截止;2)与甲醇、乙醇等离子体转化相比,二甲醚等离子体共转化反应液相产物主要是自由基复合产物二甲氧基化合物,而前两者主要是氧化产物,甲醇反应中酸类产物较多,乙醇反应中醛酮类产物较多。本文还对等离子体处理制备钒氧化物催化剂应用于二甲醚催化燃烧体系进行了研究（二甲醚等离子体转化的间接法）。研究表明,等离子体处理后,5wt%V/γ-Al2O3催化剂表面分散度有所提高,表面V/Al提高了12.7%;5wt%V/HZSM-5催化剂经过等离子体处理后,表面钒的浓度提高了1.75倍,分散性大幅度提高,V/Al提高了7.88倍,V/Si提高了2.09倍。等离子体处理制备的5wt%V/ Al2O3催化剂具有良好的低温活性,二甲醚完全转化的温度由823K降低到773K,相同活性下反应温度降低了50 K。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 等离子体基本物理知识
• 1.2 介质阻挡放电介绍
• 1.3 辉光放电介绍
• 1.4 等离子体鞘层效应，等离子体与器壁之间的关系
• 1.4.1 等离子体鞘层效应
• 1.4.2 等离子体与器壁的关系
• 1.5 气溶胶等离子体和液体等离子体
• 1.5.1 气溶胶和液体等离子体在化学领域的应用
• 1.5.2 气溶胶等离子体和液体等离子体物理
• 1.6 等离子体直接转化技术在碳一化学中的应用
• 1.6.1 合成气制备
• 1.6.2 合成碳二烃
• 1.6.3 清洁燃料生产
• 1.6.4 合成含氧化合物
• 1.7 等离子体制备催化剂
• 1.7.1 直接合成超细颗粒催化剂
• 1.7.2 催化组分喷射涂层
• 1.7.3 等离子体催化剂改性
• 1.8 等离子体催化耦合系统
• 1.8.1 催化剂增强等离子体
• 1.8.2 等离子体影响催化反应
• 1.9 论文课题的提出
• 第二章 介质阻挡气体放电等离子体二甲醚/水共转化
• 2.1 引言
• 2.2 实验装置
• 2.3 产物分析
• 2.4 转化率、选择性计算
• 2.5 实验结果与讨论
• 第三章 介质阻挡气体放电等离子体二甲醚/甲烷共转化
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置
• 3.3 实验结果与讨论
• 第四章 介质阻挡气体放电等离子体转化二甲醚与转化低碳醇、低碳烷烃比较研究
• 4.1 引言
• 4.2 介质阻挡气体放电等离子体丙烷二氧化碳共转化的研究
• 4.3 介质阻挡气体放电等离子体纯甲醇、纯乙醇转化的研究
• 4.4 分析讨论
• 4.4.1 二甲醚等离子体碳链增长截至反应
• 4.4.2 二甲醚等离子体增强液体含氧化合物生成
• 4.4.3 可能的反应机理
• 第五章 等离子体处理制备二甲醚燃烧催化剂研究
• 5.1 引言
• 5.2 反应装置、原理与催化剂制备
• 5.2.1 催化反应装置与所需化学原材料
• 5.2.2 等离子体制备催化剂过程与辉光放电原理
• 5.2.3 催化剂表征手段
• 5.3 催化剂表征结果与讨论
• 5.4 二甲醚催化燃烧反应评价
• 第六章 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 本工作创新点
• 6.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 博士期间发表论文
• 参加学术会议与学术活动
• 附录：各反应体系气相色质联用仪定性结果
• 各反应体系GC-MS图谱
• 产物质谱定性报告
• 致谢