介質(zhì)阻擋微等離子體轉(zhuǎn)化CH4制低碳烴.pdf

1、CH4是天然氣的主要成分,CH4轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)天然氣清潔、高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。然而,CH4的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定,不易被活化。介質(zhì)阻擋微等離子體技術(shù)結(jié)合非平衡等離子體和微反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì),具有低功耗、高密度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn),為CH4溫和、高效轉(zhuǎn)化提供了新路徑。本文采用介質(zhì)阻擋微等離子體反應(yīng)器轉(zhuǎn)化CH4制低碳烴,對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行了研究。
　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CH4等離子體轉(zhuǎn)化存在三個(gè)階段,即CH4轉(zhuǎn)化增長(zhǎng)階段、CH4轉(zhuǎn)化穩(wěn)定階段、CH

2、4轉(zhuǎn)化下降階段。利用熱電偶對(duì)反應(yīng)器外壁溫度進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前10min反應(yīng)器外壁溫度不斷上升,最高溫度穩(wěn)定在220℃。
　　對(duì)純CH4體系、CH4/Ar體系、反應(yīng)器并聯(lián)體系轉(zhuǎn)化CH4制低碳烴的電源參數(shù)及工藝參數(shù)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)增加輸入功率、減小放電頻率、延長(zhǎng)停留時(shí)間等能夠提高CH4的轉(zhuǎn)化率。對(duì)9個(gè)不同的介質(zhì)阻擋微等離子體反應(yīng)器中CH4轉(zhuǎn)化進(jìn)行考察,結(jié)果發(fā)現(xiàn)電極間距較小的反應(yīng)器具有較高的能量效率和較高的CH4轉(zhuǎn)化率。添加惰性氣體Ar

3、,不僅能夠提高CH4的轉(zhuǎn)化率,而且能夠抑制積碳。反應(yīng)器并聯(lián)后,氣體在單個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng),CH4轉(zhuǎn)化率提高到40.1％。添加填充物使氣體放電模式由單純的自由基反應(yīng)機(jī)理轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的等離子體-催化劑協(xié)同轉(zhuǎn)化機(jī)理,從而對(duì)CH4的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物的選擇性產(chǎn)生影響。添加γ-Al2O3和石英棉填料能夠提高產(chǎn)物C2H2和C2H4的選擇性。Pd/Al2O3催化劑的加氫效果明顯,產(chǎn)物C2H6的選擇性提高,但其活性受到溫度的影響。
　　在自由基反應(yīng)

4、機(jī)理的基礎(chǔ)上,建立了不同CH4濃度下,介質(zhì)阻擋微等離子體轉(zhuǎn)化CH4的動(dòng)力學(xué)模型,此動(dòng)力學(xué)模型可對(duì)一定輸入能量下的CH4轉(zhuǎn)化率進(jìn)行預(yù)測(cè)。低濃度時(shí)CH4轉(zhuǎn)化率與輸入能量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,而高濃度時(shí)CH4轉(zhuǎn)化率與輸入能量成線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)不同反應(yīng)器中CH4轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)電極間距較小時(shí),氣體放電產(chǎn)生自由基的速率較大。此外,提出了一個(gè)非線(xiàn)性回歸模型,用于CH4等離子體轉(zhuǎn)化反應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),此模型能夠分析各實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間的交互作用以及進(jìn)行顯著性分析