非平衡等離子體轉(zhuǎn)化甲烷的研究.pdf

1、天然氣的主要成分是甲烷。近年來，隨著世界性石油資源短缺，開辟以天然氣(甲烷)為原料替代石油資源的基本有機(jī)化工合成路線是十分富有挑戰(zhàn)性的研究課題之一。等離子體科技應(yīng)用在化學(xué)，冶金學(xué)，微電子學(xué)和環(huán)境保護(hù)等方面一直有著持續(xù)的發(fā)展。通常有兩種截然不同等離子體被用于進(jìn)行研究和工業(yè)應(yīng)用：熱準(zhǔn)平衡等離子體和冷非平衡等離子體.現(xiàn)代等離子體化學(xué)的一個(gè)挑戰(zhàn)就是整合這兩種不同的等離子體系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn).大部分大尺度等離子體化學(xué)應(yīng)用需要高能和高壓來達(dá)到高產(chǎn)率，同樣對

2、于有選擇性要求的化學(xué)處理，高電子溫度，高電子密度和較高的非平衡度也是重要的。因此很有必要得到高能放電來產(chǎn)生非平衡等離子體來使化學(xué)反應(yīng)用具有高的效率和選擇性。 在本文中，對非熱電弧放電及介質(zhì)阻擋放電的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了測量及分析。并利用上述兩種等離子體進(jìn)行了甲烷轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滑移電弧放電和介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的非平衡等離子體可以有效的轉(zhuǎn)化甲烷/甲烷和二氧化碳，得到了較好的的C2烴/合成氣混合物輸出。 本論文

3、的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 設(shè)汁、制造了磁驅(qū)動(dòng)滑移電弧產(chǎn)生大氣壓非平衡等離子體的實(shí)驗(yàn)裝置和高壓恒流供電電源。磁場強(qiáng)度0～1.4T；電源電壓：2000～7500V可分級(jí)調(diào)節(jié)。 用CCD攝像機(jī)、光電法觀測弧柱的形狀和尺寸，研究電弧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，測量了電弧移動(dòng)速度，電弧直徑。同時(shí)直接測量了電弧關(guān)鍵參數(shù)-電場強(qiáng)度。并推出了電流密度等參數(shù)。得到了這些參數(shù)在不同的實(shí)驗(yàn)條件下的變化規(guī)律。并對實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的電弧截面非圓柱對稱等現(xiàn)象進(jìn)行了分析

4、。 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和處理，根據(jù)測量的電弧電場強(qiáng)度、電弧電流，模擬了中性粒子溫度、電弧截面面積和等離子體非平衡度的關(guān)系式，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在我們的實(shí)驗(yàn)中，電弧具有較高的移動(dòng)速度，電場強(qiáng)度，等離子體具有較高的非平衡度。 存磁驅(qū)動(dòng)非熱電弧反應(yīng)器中進(jìn)行通過偶聯(lián)活化甲烷轉(zhuǎn)化制得乙炔的反應(yīng)。使用氣相色譜儀對產(chǎn)物進(jìn)行了在線分析。研究發(fā)現(xiàn)原料氣流量在一定程度上影響原料氣體的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物的選擇性；增加反應(yīng)體系能量密度和外

5、加磁場強(qiáng)度可增加反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的選擇性和收率。 使用高頻交流電源在同軸石英管放電裝置中產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電，并在放電空間中填充不同介質(zhì)(Al2O3顆粒和陶瓷纖維)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。測量了放電的電流、電壓、電量、放電功率等基本參數(shù)隨實(shí)驗(yàn)條件改變而產(chǎn)生的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在我們所采用的放電裝置下產(chǎn)生的介質(zhì)阻擋放電為電暈誘導(dǎo)的介質(zhì)阻擋放電。 在介質(zhì)阻擋放電條件下，進(jìn)行了甲烷和二氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以分析。并對甲烷和二氧化