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《四川大学》 2004年
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冷等离子体裂解甲烷制C_2烃的实验研究及动力学模拟

何方方  
【摘要】:本论文着重探讨冷等离子体裂解甲烷制C2烃反应的动力学过程。根据射频放电和介质阻挡放电特点,分别对其中甲烷的裂解过程建立动力学模型,得到裂解反应速率常数,并对描述反应进程的动力学方程组进行了数值模拟。由于所得方程组刚性极强,采用吉尔法(Gear method)计算难以收敛,故在计算中采用了一种十分有效的小参数数值计算法编写出程序。在此基础上,在不同压强、电子密度及电子温度或放电电压下,模拟了冷等离子体裂解甲烷制C2烃的过程,获得甲烷的转化率及各种产物质量收率随气体压强、电子密度、电子温度或放电电压的变化曲线。模拟结果与实验结果表现出较好的一致性。在数值模拟的基础上,进行了动力学分析,给出了生成主要产物的反应方程。 全文主要分为实验研究和理论研究两个部分。在实验研究中,建立了射频等离子体裂解甲烷制C2烃的实验装置,并考查了输入功率、工作压强及氩气分压对反应的影响。结果表明:输入功率越高、气体压强越低,甲烷的转化率及C2烃的收率越高;当输入功率96W、气体压强200Pa时,得到甲烷的最大转化率51.05%,乙烷、乙烯和乙炔的收率分别是36.42%、4.27%和5.95%。在介质阻挡放电实验中,当放电电压为28kV时,甲烷的最大转化率达19%,乙烷、乙烯和乙炔的收率分别为11.4﹪、2.3﹪、3.8﹪。 在理论研究中,根据反应体系的不同,推导了裂解反应的速率常数。对于射频放电冷等离子体,应用碰撞理论和玻尔兹曼分布推导了裂解反应的速率常 WP=3 数随电子温度变化的计算公式;对于介质阻挡放电冷等离子体,运用电子自由程概念及自由程分配原理,推导了裂解反应的速率常数随电压变化的计算公式。进而,在自由基反应机理的基础上,分别建立了射频冷等离子体及介质阻挡放电冷等离子体下的甲烷转化动力学模型。动力学模拟结果表明: 在不同的压强下,甲烷的转化率及C2烃的收率均随电子密度或电子温度(或放电电压)的升高而不同程度的增加。在相同的低压强下,当电子温度或密度较低时,甲烷的转化率较低,平衡时间较短,平衡的主要产物是乙烷;当电子温度或密度较高时,甲烷的转化率较高,平衡时间较长,而且产物的选择性发生改变,平衡的主要产物变成乙炔和乙烷。当电子密度和温度一定时,气体的压强越低,甲烷的转化率及C2烃的收率越高。 模拟结果与实验结果表现出较好的一致性,将二者相结合,进行了甲烷转化的动力学分析,给出了生成主要产物的反应方程。动力学分析表明:冷等离子体条件下甲烷的裂解主要是通过电子碰撞实现,乙炔、乙烯的生成在整个反应阶段主要是通过自由基的转移实现,而乙烷先是主要由自由基转移和化合共存,到了反应的后期才是以由自由基的转移为主要的生成方式。而且,无论是甲烷的转化还是每个C2烃的生成都涉及到多个主要的自由基反应,表明反应的过程相当复杂。 论文研究表明:冷等离子体裂解甲烷制C2烃在实验和理论上都是可行的,改变反应器的结构或操作条件可以改变C2烃产物的分布;而且,该方法将成为甲烷脱氢偶联制C2烃的一个重要研究方向。
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