射频等离子体甲烷有氧转化的研究

【摘要】：等离子体化学反应技术是现代化工领域发展迅速的重要反应技术,本文将射频放电等离子体这一低温非平衡等离子体技术应用于甲烷有氧转化反应,探索研究了利用甲烷转化制取C_2烃的新途径。 根据射频等离子体化学反应基本原理,选择了在低气压条件下激发原料气,设计制作了5 种不同结构形式的等离子体反应器。通过射频等离子体氨合成实验,比较了这5 种反应器对N_2+H_2转化的影响,得出TII型反应器对反应相对有利,并根据甲烷有氧转化的特点最后确定了夹套型反应器作为甲烷有氧转化用反应器。 利用夹套型反应器对甲烷的射频等离子体有氧转化进行了系统的实验研究,得到了目标产物H_2、C_2H_4、C_2H_6、C_2H_2和少量的CO_2。研究表明,激发电压、放电面积、O_2/CH_4配比和气体总流量对甲烷的转化率、C_2烃的收率和选择性有显著影响,其适宜的转化条件为:激发电压1150V,放电面积7.065cm~2,O_2/CH_4配比0.17,混合气体总流量220ml/min。在此条件下得到甲烷转化率为80.4%,C_2 烃的总收率和总选择性为14.3%和18.7%。 根据高能电子与分子发生离解反应的速度常数表达式和射频等离子体甲烷有氧转化的实验数据,拟合得到本实验条件下CH_4 有氧转化反应体系的幂指数型宏观动力学方程: -r_(CH_4)=8. 6331exp(-137.91/w)·C_(CH_4)~(0.31462)·C_(O_2)~(0.060583) 根据等离子体反应原理和反应产物组成,分析了射频等离子体条件下甲烷有氧转化反应的机理,认为通过电场激发形成的高能电子撞击O2和CH4,使之发生离解反应形成大量自由基,引起连锁的自由基反应形成目标产物,并选择了射频等离子体甲烷有氧转化的可能主要自由基反应作为生成目标产物的主要基元反应。 【关键词】：甲烷 氧气 氨 射频等离子体 反应器 C_2烃 动力学 反应机理
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：O621.25
【目录】：

• 中文摘要4-5
• 英文摘要5-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 引言8-9
• 1.2 甲烷主要有效转化途径9-12
• 1.2.1 甲烷制合成气9
• 1.2.2 甲烷合成汽油9-10
• 1.2.3 甲烷偶联制乙烯10
• 1.2.4 甲烷直接转化制甲醇和甲醛10-11
• 1.2.5 甲烷直接催化转化制乙醇11
• 1.2.6 甲烷制氢氰酸11
• 1.2.7 甲烷合成其他化工产品11-12
• 1.3 甲烷活化的方法12
• 1.4 等离子体概念12-15
• 1.4.1 等离子体定义12
• 1.4.2 等离子体分类12-13
• 1.4.3 低温等离子体的基本性质13-14
• 1.4.4 低温等离子体的产生14-15
• 1.5 等离子体技术在化学中的应用15
• 1.6 甲烷在低温等离子体条件下的转化15-17
• 1.6.1 微波放电16
• 1.6.2 电晕放电16
• 1.6.3 介质阻挡放电16-17
• 1.6.4 射频放电17
• 1.7 本论文工作的提出17-18
• 2 反应基本原理和实验方法18-26
• 2.1 等离子体中粒子间的碰撞18-20
• 2.1.1 碰撞中的能量转移18-20
• 2.1.2 碰撞截面和碰撞频率20
• 2.2 等离子体化学的主要元反应20-22
• 2.3 帕邢定律22
• 2.4 实验方法22-26
• 2.4.1 等离子体放电形式的选择22-23
• 2.4.2 体系压力的选择23
• 2.4.3 反应器的设计23
• 2.4.4 电极的选择23-24
• 2.4.5 进料方式的选择24
• 2.4.6 检测方法24-25
• 2.4.7 实验仪器及试剂25-26
• 3 反应器的研制26-32
• 3.1 实验装置简图26
• 3.2 反应器类型26-29
• 3.3 操作条件29
• 3.4 实验结果和讨论29-31
• 3.5 反应器定型31-32
• 4 甲烷的有氧等离子体转化实验32-44
• 4.1 实验流程32-34
• 4.1.1 实验装置32
• 4.1.2 反应器类型32
• 4.1.3 产物气体的取样32-33
• 4.1.4 实验内容和操作步骤33-34
• 4.1.5 数据处理方法34
• 4.2 各种实验参数对甲烷转化的影响研究34-43
• 4.2.1 激发电压对甲烷转化的影响34-37
• 4.2.2 放电面积对甲烷转化的影响37-39
• 4.2.3 O_2/CH_4 的配比对甲烷转化的影响39-41
• 4.2.4 气体总流量对甲烷转化的影响41-43
• 4.3 小结43-44
• 5 射频等离子体甲烷有氧转化的反应动力学探讨44-55
• 5.1 电子—分子(自由基)反应速度常数表达式44-48
• 5.2 宏观动力学方程的建立48-50
• 5.3 甲烷有氧转化反应机理50-53
• 5.4 小结53-55
• 6 结论与展望55-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-62
• 附录1. 甲烷有氧转化研究的气相色谱图62-63
• 附录2. 分子(自由基)的电离能与键的离解能63-64
• 附录3. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录64-65
• 独创性声明65
• 学位论文版权使用授权书65

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