射频等离子体下CH4/CO2制C2烃反应的研究

论文摘要

C2烃是有机化工的重要基础原料,而其重要的来源之一是利用天然气转化制备。探索利用新技术将天然气有效地转化为C2烃是本论文研究的主要目的。本文选择了低温等离子体——RF放电形式作为等离子体发生源,以纯度为99.99%的CH4为原料,以CO2为供氧剂,利用自制的T型和夹套型反应器,通过改变放电电压、原料气流量、放电面积和反应器结构考察了CH4与CO2在等离子体激发状态下转化为C2烃的反应及其规律,并在与纯甲烷反应作对比分析下,探讨了CO2对甲烷转化率和目标产物收率的影响。研究发现,随着电压升高,甲烷的转化率都会随之增大,但C2烃选择性随之降低;原料气流量过大或过小都不利于反应,流量对转化率和产物选择性影响会因为有无助解气及反应器结构不同而不同;放电面积变大,甲烷转化率会增大,但并不是越大越好,尤其是在夹套型反应器中,放电面积大到一定程度后结碳量会明显增多,不利于反应进行;放电面积对C2烃选择性的影响会因反应器结构的不同而不同,在T型反应器中,随着放电面积的增大,C2烃选择性也增大,在反应条件为电压800V、CH4/CO2流量比(mL/min)500:50、四个电极时,达到最大值45.6%;而在夹套型反应器中,随着放电面积的增大,C2烃选择性呈现先升高后降低的趋势,在三个电极时最大,总选择性为29.6%。从C2烃产物分布来看,T型反应器利于C2H4形成,在电压为800V、CH4/CO2流量比为400:40、四个电极时,C2H4的选择性达到最大值33.6%;夹套型反应器利于C2H6形成,在电压为1200V、CH4/CO2流量比为300:30、四个电极时,C2H6选择性达到最大值27.6%。本文还分析了RF放电下甲烷体系可能的反应机理,认为RF射频放电等离子体下甲烷体系的基元反应仍主要是自由基反应。并结合实验数据和文献资料,归纳求解出纯甲烷在真空度为0.090~0.095MPa,温度为293.15K,电压不高于900V条件下的宏观动力学方程:

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 等离子体
• 1.1.1 等离子体的概念
• 1.1.2 等离子体的分类
• 1.1.3 等离子体的产生
• 1.2 等离子体技术在甲烷转化中的应用
• 1.2.1 国内外甲烷转化的研究进展
• 1.2.2 国内外二氧化碳转化的研究进展
• 4/CO₂ 转化的研究进展'>1.2.3 国内外CH₄/CO₂转化的研究进展
• 1.3 本论文工作的提出及主要内容
• 2. 实验原理
• 2.1 实验思路
• 2.1.1 辉光放电等离子体
• 2.1.2 等离子体中的碰撞
• 2.1.3 辉光放电的特性
• 2.2 实验参数
• 2.2.1 等离子体发生方法的选择
• 2.2.2 体系压力的选择
• 2.2.3 反应器的选择
• 2.2.4 实验仪器及试剂
• 2.2.5 流程的设计
• 2.3 实验操作的基本步骤
• 2.4 实验数据的处理
• 2.4.1 气体分析
• 2.4.2 反应物转化率和产物选择性及收率的求算公式
• 2烃的实验研究'>3 射频等离子体下制C₂烃的实验研究
• 3.1 T 型反应器中纯甲烷反应
• 3.1.1 电压对反应结果的影响
• 3.1.2 流量对反应结果的影响
• 3.1.3 放电面积对反应结果的影响
• 3.1.4 小结
• 4/CO₂反应'>3.2 T 型反应器中CH₄/CO₂反应
• 3.2.1 电压对反应结果的影响
• 3.2.2 流量对反应结果的影响
• 3.2.3 放电面积对反应结果的影响
• 3.2.4 反应物配比对反应结果的影响
• 3.2.5 对比分析与讨论
• 4/CO₂反应'>3.3 夹套型反应器中CH₄/CO₂反应
• 3.3.1 电压对反应结果的影响
• 3.3.2 流量对反应结果的影响
• 3.3.3 放电面积对反应结果的影响
• 3.3.4 对比分析与讨论
• 3.4 本章小结
• 4. 动力学研究
• 4.1 宏观动力学方程的建立
• 4.1.1 速率常数的分析讨论
• 4.1.2 动力学方程的求解及分析
• 4.2 微观动力学的研究
• 4.2.1 等离子体反应机理
• 4 的等离子体状态'>4.2.2 CH₄的等离子体状态
• 2 的等离子体状态'>4.2.3 CO₂的等离子体状态
• 4.2.4 反应机理分析
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录I 实验气相色谱图
• 附录II 攻读硕士学位期间发表论文