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旋转弧氢等离子体裂解丙烷制乙炔研究

房建威  
【摘要】:乙炔是重要的化工原料,传统的乙炔制备工艺,如电石法、天然气部分氧化法等,因高污染、高能耗、低收率等原因越来越不能适应社会发展的要求,人们不得不寻求新的乙炔制备路线。热等离子体裂解烷烃、裂解煤等制备乙炔的工艺充分利用了其高温、高焓、高反应活性的特点,具有工艺简单、流程较短、原料利用率高、投资较小、低污染等优势,是一种有良好发展前景的技术。本文选择丙烷作为研究对象,采用一体式旋转弧等离子体炬/反应器研究氢等离子体伏安特性和氢等离子体裂解丙烷制乙炔的基本规律和工艺条件,为开发一种节能、环保、高效的乙炔制备新技术打下基础。 详细介绍了实验采用的两套等离子体实验装置,第一套的额定功率为50kW,第二套额定功率为1MW。50kW装置包括恒流电源、等离子体炬/反应器、数据采集和控制系统等,阳极直径为25-35mm,主要用于氢气等离子体伏安特性的研究。1MW装置除此之外还包括除尘系统和样品采集系统等,阳极直径为100-130mm,主要用于氢等离子体伏安特性和丙烷裂解研究。还详细介绍了实验相关的数据处理方法。 分别在50kW和1MW装置上开展了氢等离子体伏安特性的研究。得到的伏安特性均呈现负相关特性,在实验范围内,气体流速、阳极直径和磁感应强度均对电压有正特性影响,即电压随变量增加而增加。通过引入磁雷诺数相关的无因次数和与导热系数相关的无因次数建立了相似理论方程,并对伏安特性数据进行关联,得到的线性相关系数为0.9958,方程表达式为: 开展了氢等离子裂解丙烷制乙炔C-H热力学平衡计算,考察C3H8/H2质量比分别为3.0、6.0、9.0情况下单相和多相体系在不同温度的平衡组成。在单相体系中,发现乙炔的最大浓度温度在2200K左右,与C3H8/H2质量比关系不大;多相体系中,C(S)是主要的组分,直到3000K以上才出现C(g),出现乙炔的最大浓度温度在3600K左右。通过物料和能量衡算建立了平衡温度为1800K、2000K、2200K时等乙炔收率线和等比能耗线,为操作参数的选择提供了依据。 采用1MW装置开展了裂解丙烷制乙炔的实验研究,从碳氢比(丙烷相对流量)和氢气比焓两个方面进行了分析讨论。实验中丙烷的转化率在99.8%以上,说明丙烷氢等离子体的混合效果很好。在气相产物中,乙炔最高浓度达到了12.65%,其他的裂解气组分主要包括甲烷、乙烯等。在实验考察的范围内,碳氢比和氢气比焓变化时,乙炔收率和比能耗均存在最佳点,得到的最高乙炔收率为85.4%,最低乙炔比能耗为8.85kWh/kg C2H2。裂解反应的最大输入功率为794.2kW,热效率最高为86.5%。C-H热力学单相体系计算结果与实验值更为接近。并验证了通过物料与能量衡算指导工艺条件的优化是可行的。


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