微波等离子体下甲烷偶联制乙炔的研究

通过优化设计矩形波导谐振腔微波化学反应器,可以大幅提高微波等离子体下甲烷转化率（最高为93．7％）、C2烃收率（最高为91．0％）和乙炔收率（最高为88．6％）．且优化后,在实验的压强范围内,甲烷转化率和C2烃收率较为稳定,C2烃主要是乙炔,其选择性都在90％以上．生成乙炔的能量产率和时空产率也都比较高．利用发射光谱法对微波等离子体下甲烷偶联制乙炔的反应进行了诊断研究,在300nm～750nm波长范围内激发态物种有：CH,C2,H2,Hα-根据反应产物和激发态物种从化学反应热力学和动力学上对反应机理进行了初步探索．     

脉冲电晕等离子体作用下甲烷偶联反应--Ⅰ.无氧气氛下

在常温常压下,对脉冲电晕等离子体应用于甲烷无氧气氛下脱氢偶联反应进行了研究．考察了脉冲电压极性和等离子体注入能量对甲烷脱氢偶联反应的影响,并引入能量效率对等离子体能量与甲烷脱氢偶联反应的耦合进行了讨论．结果表明,正电晕的能量效率高于负电晕．在正电晕条件下,当脉冲重复频率为 ６６ Ｈｚ和能量密度为 １７８８ｋＪ／ｍｏｌ时,甲烷转化率可达４４．６％, Ｃ_２烃单程收率可达３１．６％,其中乙炔单程收率达３０．１％．甲烷转化率与能量密度Ｐ／Ｆ的关系满足－ｌｎ（１—Ｘ）＝ｋ（Ｐ／Ｆ）．在实验考察的能量范围内,Ｃ_2烃收率与能量密度Ｐ／Ｆ呈顺变关系,但能量效率随能量密度的增加而降低．     

微波复合直流等离子体转化天然气制乙炔的研究

利用微波复合直流等离子体对天然气转化制乙炔反应进行了研究. 考察了氢烷比、气体流量、功率等参数对装置的能量利用率以及天然气转化反应的影响, 并考核了微波复合直流等离子体转化天然气制乙炔工艺的稳定性. 实验结果表明: 微波复合直流等离子体装置的能量利用率随等离子体工作气体的流量的增加而提高; 由于微波的作用使传统直流柱状等离子体分化为多根丝状等离子体, 从而使得电极的烧蚀方式由传统的点烧蚀变为面烧蚀, 并大幅度提高等离子体转化天然气工艺的稳定性和电极寿命; 甲烷的转化率和乙炔的收率随功率的增加而提高, 随CH₄/H₂比和气体流量的增加而降低, 在氢烷比为0.9、总气体流量为760 L/min、微波源输出电功率6 kW、直流电源输出功率90 kW时, 甲烷转化率可达84.4%, 乙炔选择性为75.6%, 乙炔收率为63.8%, 乙炔能耗达10.8 kWh•kg^－1; 电极寿命超过200 h.     

新型多尖端旋转电极甲烷偶联等离子体反应器

研制了一种新型的带有一个多尖端旋转电极对一个同心圆筒型固定电极的甲烷放电制备碳二烃的等离子体反应器.以氢气共存条件下甲烷偶联研究对此反应器作出了评价.在此反应器中，反应物流垂直穿过两电极之间的环行等离子体反应区.在大约40 V供电电压、20 kHz脉冲放电等离子体条件下，在长时间连续反应后没有产生大量积炭.在同样的条件下，此多尖端旋转电极工艺比固定的尖端 平板电极工艺具有较高的甲烷转化率、碳二烃单程收率以及较高的能量效率.     

多尖端旋转电极辉光放电甲烷偶联研究

石油资源的日趋短缺使人们对世界大储量能源天然气的开发利用越来越重视.甲烷(CH4)是天然气的主要成份.由于CH4分子具有很高的稳定性,用CH4直接偶联制C2烃(乙烷、乙烯、乙炔)在热力学上十分不利,采用常规催化手段一直未取得突破性进展\[1\],而辉光放电等冷等离子体对于CH4偶联是一种非常有效的方法,近年来已成为物理化学跨学科前沿研究热点.在本研究领域中,利用脉冲电晕等离子体结合催化剂进行甲烷转化[2],其等离子体在空间分布上是非连续的,活性较低,反应区较小,甲烷的转化率及C2烃收率必然是有限的;利用微波诱导甲烷在催化剂上转化制C2烃[3],由于温度很高,能量密度太大,很容易使甲烷完全裂解,生成大量积碳,C2烃的收率也较低;利用介质阻挡放电使CH4偶联[4],能耗太大,能量利用率很低.因此,冷等离子体CH4偶联实现工业化的课题就是要在提高CH4转化率及C2烃收率的同时降低能耗,以提高能量利用率.     

滑动弧电极放电等离子体作用甲烷制C2烃的工艺

采用刀片式不锈钢电极放电反应器,以Ar气为稀释气,研究了等离子体作用下甲烷转化制C2烃的工艺条件。考察了CH4流量、高频电源输入电压和电极间距等参数对甲烷转化率、C2烃选择性、收率和反应表观能耗的影响。结果表明,增加CH4流量,表观能耗随之降低;当输入电压和电极间距较小时,甲烷转化率随输入电压和电极间距的增大而增大,但输入电压和电极间距过大时,C2烃收率明显下降,积碳严重。在CH4流量14 mL/min、Ar气流量60 mL/min、高频电源输入电压22 V、电流0.44 A、电极间距4 mm的优化条件下,甲烷最高转化率为43.1%,C2烃收率、选择性和表观能耗分别为40.1%、93.2%和2.41 MJ/mol。C2烃中不饱和烃的体积分数可达95%以上。     

常压、脉冲微波强化丝光等离子体作用下甲烷与二氧化碳的反应研究

采用脉冲微波强化丝光等离子体反应装置,研究了甲烷氧化偶联与二氧化碳重 整制合成气(CO+H_2)副产乙炔、乙烯的反应。常压下,当CH_4和CO_2流量分别为 120,80mL/min,微波峰值功率120W,脉冲通断比为100/100ms时,CH_4和CO_2转化 率分别为70.8%,68.8%;CO, C_2H_2,C_2H_4选择性分别为75%,17.8%和4.1%,产物 中没有积炭。H_2/CO摩尔比值随原料气中甲烷比例的增加而增大,当CH_4/CO_2摩 尔比为2：1时,H_2/CO摩尔比达到2,这种比例的合成气能方便地用于下一步的 Fischer-Tropsch反应和其他化学品的合成。与其他等离子体反应相比,采用脉冲 强化常规丝光等离子体进行CH_4脱氢偶联与CO_2重整反应,能量效率明显提高,这 对于促进微波等离子体技术在C1化学中的应用具有重要的意义。     

微波诱导甲烷在活性炭/碳化硅上直接转化制C2烃

 在高功率脉冲微波辐照下甲烷可在常压条件下在活性炭/碳化硅和活性炭碳化硅等 三种催化剂上直接转化为C2烃。研究结果表明,当使用合适的微波作用条件时,微波加热与微波 等离子协同作用可使甲烷在多孔碳化硅担载的活性炭催化剂上以很高的转化率和选择性直接转化为乙炔,除单独的微波加热诱导作用和微波等离子催化作用外,转移反应机制可能是微波加热与微波等离子交互作用的具体表现形式,对促进甲烷向乙炔直接转化起了重要作用。     

脉冲电晕等离子体作用下甲烷“超平衡”转化制乙炔和氢

常温常压下将脉冲电晕等离子体作用于纯甲烷时, 其产物主要是乙炔和H₂. 当能量密度范围为194~1788 kJ/mol时, 可同时获得7%~30%的乙炔单程收率和6%~35%的H2单程收率. 该结果分别高于100 kPa, 1100 K温度下乙炔和H₂的热力学平衡收率(分别为5.1%和3.8%), 故脉冲电晕等离子体是在常温常压下实现甲烷“超平衡”转化制乙炔和氢的一种十分有效的手段. 在339~822 kJ/mol能量密度范围内, 脉冲电晕等离子体作用下纯甲烷转化产物的碳分布中, 乙炔占86%~89%, 乙烷和乙烯各仅占4%~6%, C₃约占2%, C₄约占1%. 将之与相同条件下纯乙烷、纯乙烯转化产物的碳分布比较可推知, 脉冲电晕等离子体作用下甲烷分子与荷能电子碰撞形成CH_x自由基后并行存在着三条形成乙炔的途径: 其一为直接形成乙炔; 其二为经初级产物乙烯脱氢形成乙炔; 其三为经初级产物乙烷脱氢形成次级产物乙烯再至乙炔.     

常压辉光放电等离子体转化CH4制C2烃的研究

采用新型的旋转电极辉光放电反应器, 在常温常压下对辉光等离子体作用下的甲烷转化制C₂烃进行了研究. 在氢气共存条件下, 考察了反应器电极的结构、材料, 输入电场峰值电压和反应物流率等参数对甲烷转化率和C₂烃单程收率及其选择性的影响规律, 同时比较了不同反应器的能量效率. 结果表明: 在本实验条件下, 金属铜材料好于不锈钢, 螺旋形结构优于三排圆盘结构. CH₄转化率和C₂烃选择性和收率均随输入电场峰值电压的升高而增大, 随反应物流量的增加而减小. 从CH₄转化率、C₂烃的收率和选择性的指标来评价这些反应器, 采用旋转螺旋状铜电极反应器时最好, 当反应物流量为60 mL/min时, 甲烷最高转化率为77.31%, 对应的C₂烃收率和选择性分别为75.66%和97.88%; 当能量密度为800 kJ/mol时, 能效最高为13.5%.     

Methane coupling in microwave plasma under atmospheric pressure

Methane coupling in microwave plasma under atmospheric pressure has been investigated.The effects of molar ratio n(CH4)/n(H2),flow rate and microwave power on the reaction have been studied.(1)With the decrease of n(CH4)/n(H2)ratio,methane conversion,C2 hydrocarbon yield,energy yield and space-time yield of acetylene increased,but the yield of carbon deposit decreased.(2)With the increase of microwave power,energy yield of acetylene decreased,but space-time yield of acetylene increased.(3)With the increase of flow rate,energy yield and space-time yield of acetylene increased first and then decreased.Finally,under the reaction conditions of CH4 flow rate of 700 mL/min,n(CH4)/n(H2)ratio of 1/4 and microwave power of 400 W,the energy yield and space-time yield of acetylene could reach 0.337 mmol/kJ and 12.3 mol/(s m3),respectively.The reaction mechanism of methane coupling in microwave plasma has been investigated based on the thermodynamics of chemical reaction.Interestingly,the acetylene yield of methane coupling in microwave plasma was much higher than the maximum thermodynamic yield of acetylene.This phenomenon was tentatively explained from non-expansion work in the microwave plasma system.     

Conversion of Methane to C2 Hydrocarbons via Cold Plasma Reaction

Direct conversion of methane to C2 hydrocarbons via cold plasma reaction with catalysts has been studied at room temperature and atmospheric pressure. Methane can be converted into C2 hydrocarbons in different selectivity depending on the form of the reactor, power of plasma, flow rate of methane, ratio of N2/CH4 and nature of the catalysts. The selectivity to C2 hydrocarbons can reach as high as 98.64%, and the conversion of methane as high as 60% and the yield of C2 hydrocarbons as high as 50% are obtained. Coking can be minimized under the conditions of: proper selection of the catalysts, appropriate high flow rate of inlet methane and suitable ratio of N2 to CH4. The catalyst surface provides active sites for radical recombination.     

用无声放电转化甲烷和二氧化碳同时制备合成气与烃

在低温常压条件下,研究了在无声放电反应器中以A型分子筛为催化剂从甲烷和二氧化碳合成烃和合成气,实现了在无声放电反应器中同时合成烃和合成气。实验在原料气流量200－600ml/min、原料气甲烷和二氧化碳摩尔比1／1－3／1及输入功率100－500W的范围内进行。研究结果表明,低原料气流量有利于甲烷和二氧化碳的转化,而高原料气流量有利于烃的生成;原料气甲烷和二氧化碳摩尔比对制得合成气的H2／CO摩尔比的影响最显著;甲烷和二氧化碳转化率及合成气和烃的产率均随输入功率的增加而提高。而所研究的范围内,当原料气流理为200ml/min、甲烷和二氧化碳摩尔比为1／1、输入功率为500S时,甲烷和二氧化碳转化率达到最高值,分别为64％和39％。以此法制备的合成气的H2／CO摩尔可以在很宽的范围内变化,本研究合成气H2／CO摩尔比的变化范围是0.7-3.1。     

脉冲电晕等离子体作用下甲烷偶联反应的研究 Ⅱ.反应添加气的影响

脱氢偶联;脉冲电晕等离子体作用下甲烷偶联反应的研究 Ⅱ.反应添加气的影响     

有氧气氛下等离子体甲烷偶联反应的研究

近年来,非平衡等离子体应用于甲烷直接转化的研究备受关注,但多数研究工作采用的是低气压下微波或高频放电产生的非平衡等离子体[1－9].在常压下获得非平衡等离子体一般是通过脉冲电晕放电或介质阻挡放电产生的[10,11].Liu等[12]采用电晕放电（非脉冲）研究了CH4＋O2＋He(pCH4=2.03×104Pa,pO2=5.07×103Pa,He平衡)体系的甲烷偶联反应.　　如前文[13]所述,脉冲电晕等离子体是一种新型常压非平衡等离子体,其电子通过上升沿陡峭的窄脉冲电场加速而获得能量（1～20eV）.将其应用于甲烷偶联反应,不仅具有反应条件温和（常温常压）…     

甲烷在微波等离子体下直接转化成C2烃

研究了非平衡微波等离子体中影响甲烷脱氢转化的几个因素，如功率、ＣＨ４／Ｈ２比和体系压力。在最佳条件下，甲烷转化率和乙炔的选择性分别达到７７．４６％和７４．０４％。     

Kinetic Modeling of Plasma Methane Conversion Using Gliding Arc

Plasma methane (CH4) conversion in gliding arc discharge was examined. The result data of experiments regarding the performance of gliding arc discharge were presented in this paper. A simulation which is consisted some chemical kinetic mechanisms has been provided to analyze and describe the plasma process. The effect of total gas flow rate and input frequency refers to power consumption have been studied to evaluate the performance of gliding arc plasma system and the reaction mechanism of decomposition.Experiment results indicated that the maximum conversion of CH4 reached 50% at the total gas flow rate of 1 L/min. The plasma reaction was occurred at the atmospheric pressure and the main products were C (solid), hydrogen, and acetylene (C2H2). The plasma reaction of methane conversion was exothermic reaction which increased the product stream temperature around 30～50℃.