冷等离子体裂解甲烷制C_2烃的实验研究及动力学模拟

【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。 【关键词】：冷等离子体 甲烷 动力学 C2烃 射频放电 介质阻挡放电
【学位授予单位】：四川大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：O621.2;O643.1
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 前言9-11
• 第一章 等离子体转化甲烷的研究概况11-22
• 1.1 等离子体在甲烷转化上的应用11-18
• 1.1.1 热等离子体转化甲烷11-13
• 1.1.1.1 电弧法11-12
• 1.1.1.2 等离子体射流法12-13
• 1.1.2 冷等离子体转化甲烷13-18
• 1.1.2.1 辉光放电13-14
• 1.1.2.2 电晕放电14-15
• 1.1.2.3 流光放电15
• 1.1.2.4 微波放电15-16
• 1.1.2.5 射频放电16-17
• 1.1.2.6 介质阻挡放电17-18
• 1.2 冷等离子体转化甲烷的动力学研究18-21
• 1.2.1 自由基反应机理18-19
• 1.2.2 反应动力学19-21
• 1.2.2.1 宏观动力学研究19-20
• 1.2.2.2 微观动力学研究20-21
• 1.3 本章小结21-22
• 第二章 实验研究22-31
• 2.1 电感式射频辉光放电等离子体裂解甲烷实验22-27
• 2.1.1 实验装置及流程22-23
• 2.1.2 原料23
• 2.1.3 气体分析23-24
• 2.1.4 数据处理24-25
• 2.1.5 实验结果及讨论25-27
• 2.1.5.1 输入功率25
• 2.1.5.2 气体压强25-26
• 2.1.5.3 氩气分压26-27
• 2.2 介质阻挡放电裂解甲烷实验27-29
• 2.2.1 实验装置28
• 2.2.2 实验结果及讨论28-29
• 2.3 产物的分离29
• 2.4 两种放电条件下的实验结果比较29-31
• 第三章 冷等离子体裂解甲烷制C2烃的动力学模拟及分析31-56
• 3.1 射频辉光放电裂解甲烷制C2烃的动力学模拟及分析31-46
• 3.1.1 射频辉光放电中甲烷的裂解速率常数31-34
• 3.1.2 自由基反应及动力学模型34-39
• 3.1.3 计算结果39
• 3.1.4 结果讨论39-43
• 3.1.5 动力学分析43-46
• 3.2 介质阻挡放电裂解甲烷制C2烃的动力学模拟及分析46-56
• 3.2.1 裂解反应速率常数46-50
• 3.2.1.1 自由行程的分配47-48
• 3.2.1.2 放电间隙的电场强度48
• 3.2.1.3 速率常数48-50
• 3.2.2 计算结果50-52
• 3.2.3 结果讨论52
• 3.2.4 动力学分析52-56
• 第四章 结论56-58
• 参考文献58-62
• 声明62-63
• 致谢63

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

冷等离子体炬在甲烷二氧化碳重整制合成气中的运用    龙华丽

乙醇辉光放电等离子体电解制氢及动力学模拟    伍沛亮

微波诱导甲烷在活性炭/碳化硅上直接转化制C_2烃    张劲松,曹丽华,杨永进

乙烯装置深冷分离系统的优化和改进    吴兴松,王振维

交流非平衡等离子体裂解甲烷制C_2烃    印永祥,戴晓雁,张泽敏,温才文

非平衡等离子体条件下甲烷脱氢偶联反应    刘万楹，雷正兰

低温等离子体应用于甲烷的直接转化    朱爱民,师华,宫为民,张报安,阮桂色

氧对非平衡等离子体甲烷脱氢偶联反应的影响    雷正兰,陈栋梁,刘万楹

Coupling of methane under pulse corona plasma (Ⅰ)——In the absence of oxygen    朱爱民,宫为民,张秀玲,张报安

介质阻挡放电等离子体催化天然气偶联制C_2烃    王保伟,许根慧

天然气制乙炔可行性探讨    陈立春,蔡春艳,周贤洪

天然气制C_2烃新工艺    夏满银,崔锦华,许根慧

热等离子体裂解天然气制纳米炭黑和乙炔的机理研究    罗义文

低温等离子体在CF/树脂基复合材料中的应用    彭静,张军,蹇锡高,顾彪

射频溅射法镀LD腔面光学薄膜的工艺研究    邹德恕,徐晨,鲁鹏程,杜金玉,崔碧峰,舒雄文,刘莹,沈光地

离子镀光学薄膜的等离子体物理过程    杨国伟

高频辉光放电等离子体系统中自负偏压现象的数学解析    杨国伟

粒状电介质形态对介质阻挡放电特性的影响    陈珂;梁亚红;竹涛;

少量氩气对等离子体处理涤纶喷墨印花的影响    张春明;房宽峻;沈安京;张永烨;

等离子体法去除HCHO的实验研究    李坚;薛红弟;梁文俊;李洁;金毓奎;李依丽;

低温等离子体净化甲醛气体的实验研究    竹涛;李坚;梁文俊;金毓峑;

等离子体处理对非晶态合金镀层表面改性研究    朱立群,钟群鹏,杉山和夫

共面型介质阻挡放电的击穿特性    欧阳吉庭;曹菁;何锋;

采用PIC法SF_6/N_2混合气体中绝缘子沿面放电特性仿真    张宪标;汪沨;乐孟常;戴涛;

RF-PECVD聚合类聚乙烯氧(PEO-like)薄膜的蛋白质吸附性研究    胡文娟;谢芬艳;付亚波;陈强;翁静;

等离子体聚合胺基功能薄膜及其细胞吸附性研究    谢芬艳;胡文娟;翁静;陈强;

等离子体降解磷酸三丁酯动力学分析    王心亮;贾臻;肖国林;

低温等离子体在聚合物材料中的应用    王德禧;

一种新型的除臭技术——非平衡等离子体    阮建军;施耀;

电除尘器电场数值计算与性能预测的实验研究    党小庆;任燕;马广大;闫东杰;翟瑛;李东阳;

板状电介质对阻挡放电的影响分析    陈珂;梁亚红;

统计过程控制在充气开关管生产中的应用    尚绍环;

不同填充物的紫外灯与环境温度的实验对比与分析    杜鹏;许明明;

介质阻挡放电降解甲基紫废水及尾气中NO_x的光谱分析及机理研究    王兴权

电晕放电与光催化协同净化室内空气研究    黄丽萍

雷电冲击电压下两相体放电特性研究    邓鹤鸣

常压等离子体处理涤纶织物的颜料喷墨印花性能研究    张春明

新型横向极板电除尘器研究    依成武

低温等离子体催化氧化甲烷合成甲醇的应用基础研究    陈琳

脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除研究    徐飞

等离子体与CuO/TiO_2/γ-Al_2O_3催化体系协同脱除NO研究    李惠娟

常压等离子体聚合共轭聚合物荧光纳米颗粒的研究    杨平

折叠型双脉冲—长脉冲调制器及其激光触发技术研究    殷毅

空气电离生成气对黄瓜储藏品质影响的研究    王茜

辉光放电触发赝火花开关特性研究    秦风

微弧氧化制备功能性陶瓷膜的研究    孙海燕

DBD等离子体导电特性研究    郭艳花

液体电极沿面放电等离子体灭活大肠杆菌的研究    王天威

DBD等离子体降解活性炭吸附的五氯酚及再生活性炭研究    汪星星

常压射频容性放电氩等离子体中活性气体对放电特性的影响    武启

介质阻挡放电用高频高压电源的研制    王友旭

线筒式脉冲电晕放电对混合VOCs降解的研究    那刚

等离子体改性聚乙烯浸润性的老化过程研究    郝寅虎

低温等离子体放电的数值模型    胡庆;蒙林;鄢阳;高荣;袁家德;

Ni/γ-Al_2O_3催化剂上CH_4-CO_2重整体系中积碳消碳的研究    许峥,张鎏,张继炎

天然气-二氧化碳-水蒸气-氧转化制合成气的研究——稀土助剂的作用    史克英,徐恒泳,张桂玲,王玉忠,徐国林,韦永德

Study on the Methane Coupling under Pulse Corona Plasma by Using CO_2 as Oxidant    代斌,张秀玲,宫为民,何仁

Degradation of α-Naphthol by Plasma in Aqueous Solution    高锦章,胡中爱,王晓艳,侯经国,卢小泉,康敬万

A Review on Chemical Effects in Aqueous Solution induced by Plasma with Glow Discharge    高锦章,王晓艳,胡中爱,侯经国,陆泉芳

燃料电池的氢源技术——乙醇重整制氢研究进展    孙杰,吴锋,邱新平,王国庆,朱文涛,陈实,陈立泉

介质阻挡放电击穿过程的研究    徐学基,揭亚雄

碱性助剂的添加对Ni/CaO-Al_2O_3催化剂性能的影响    傅利勇,吕绍洁,谢卫国,邱发礼

载体对担载Ni催化剂甲烷与二氧化碳重整反应活性的影响    索掌怀,金明善,徐秀峰,安立敦

等离子体热解煤制乙炔及热力学和动力学分析    吕永康

电晕放电甲醇分解制氢及其模拟研究    李慧青

低温等离子体净化汽车尾气动力学模型研究    陈松玲

低温等离子体技术在水溶液化学中的应用    李岩

大气压反常辉光放电下CH_4/CO_2制合成气的数值模拟分析    代伟

基于活性炭的CO_2微波重整CH_4制合成气的实验研究    李中庆

微波诱导甲烷在活性炭/碳化硅上直接转化制C_2烃    张劲松,曹丽华,杨永进

用低温等离子体技术降解三氟溴甲烷(哈隆1301)    于勇,李晖,张振满,董文博,卞麦英,侯惠奇

二氧化碳和天然气经过微波等离子体直接转化成C_2烃    陈栋梁,雷正兰,刘万楹,张承聪,洪品杰,戴树珊

电场增强低温等离子催化合成C_2烃    王保伟,许根慧,孙洪伟

脉冲供能集烟气除尘和脱硫脱硝为一体的机理    李谦，宁成，周文俊，李劲

低温等离子体技术在三废处理中的应用与研究    孙亚兵,任兆杏,何于江

电晕等离子体活化法脱硫脱硝的研究进展    刘书海;吴彦;王宁会;王荣毅;

DBD降解CF_2ClBr过程中自由基与电子能量    王淑惠,刘正超,侯健,于勇,潘循皙,侯惠奇

等离子体烟气脱硫技术现状与关键问题讨论    刘书海

CF_2ClBr的火花等离子体降解    刘正超，张振满，侯健，侯惠奇，潘循皙，董文博，周祖铭，李长林

冷等离子体裂解甲烷制C_2烃动力学分析及模拟    何方方,李娟,印永祥,戴晓雁

甲烷在氢气助解下的脱氢偶联研究    陈栋梁,白宇新,王真,毕先钧,洪品杰,戴树珊

Mn-CaO催化剂上甲烷二氧化碳共活化制C_2烃研究Ⅰ.反应性能的研究    蔡迎春,丑凌军,张兵,赵军,李树本

冷等离子体BaO/γ-Al_2O_3共活化CO_2氧化CH_4制C_2烃反应研究    韩瑞萍,张秀玲,李学慧,王静,宫为民

甲烷-二氧化碳制C_2烃研究进展    蔡迎春,丑凌军,李树本

脉冲电晕放电下的甲烷氧化偶联反应(英文)    冯连松,姜玄珍

低温等离子体应用于甲烷的直接转化    朱爱民,师华,宫为民,张报安,阮桂色

冷等离子体作用下CH_4-CO_2转化制合成气    李明伟,刘昌俊,许根慧

气敏半导体材料催化性能的研究    

用甲烷制造金刚石的尝试    琦;

介质阻挡放电条件下甲烷部分氧化制甲醇的研究    张安杰;朱爱民;李小松;石川;

复合储气材料对氢、甲烷混和气体的储放气研究    孙艳;周亚平;周理;

甲烷芳构化反应中Mo/MCM-22和Mo/ZSM-5催化剂的比较    白杰;刘盛林;谢素娟;徐龙伢;林励吾;

超临界干燥对La_(0.8)Sr_(0.2)FeMn_(1.5)Al_(9.5)O_(19-δ)六铝酸盐性能的影响    张涯远;蒋政;张世超;朱庆山;

甲烷部分氧化制合成气Co/MgO/HZSM-5催化剂的研究    张诺伟;黄传敬;高晓晓;翁维正;万惠霖;

Ca调变的Co／Al_2O_3催化剂上甲烷部分氧化制合成气    高晓晓;黄传敬;张诺伟;翁维正;万惠霖;

Ni-Co-La-O催化剂上CH_4化学气相沉积法制备多壁碳纳米管    陈龙;王健康;解启慧;王晓来;

Ni/ZrO_2催化剂上甲烷部分氧化制合成气的研究    宋月芹;贺德华;

两相UASB反应器处理木薯淀粉废水的启动运行特性研究    冼萍;潘正现;钟莉莹;

柠檬酸法制备Ce_(1-x)Mn_xO_(2-a)固溶体催化剂甲烷催化燃烧的研究    刘长春;於俊杰;陶炎鑫;蒋政;郝郑平;

35亿年前微生物就能造甲烷    记者　 陈超

日本利用海藻进行甲烷发电和废热供暖系统实验    新洲

欧美发现目前火星生命重要证据    王俊鸣

“卡西尼”在土卫六上看见“疑似湖泊”    记者 陈勇

南工大开发高效菌种让粪便转化成甲烷    解悦

有雨有河，士卫六酷似地球40亿年前    记者 杨骏

北极甲烷面临解冻危险    吕静 王平才

深海甲烷遇暖破冰升空污染大气    辛 力

甲烷:气候变化的引爆器    本报记者 黄永明

地幔中可产生甲烷    记者 曹丽君

Ni、NiH～+、NiO和MgO等活化甲烷的理论研究    杨华清

微波技术在甲烷转化过程中的应用    徐云鹏

超冷等离子体中原子过程的理论研究    赵益清

等离子体转化甲烷之实验与密度泛函理论研究    王建国

冷等离子体处理制备催化剂研究    张月萍

组合多相催化技术及其在甲烷与小分子化合物耦合反应中的应用    王华

甲烷低温燃烧反应分子筛负载Pd催化剂    史春开

焦炉煤气中氢气和甲烷的吸附分离    刘艳娜

担载型分子筛催化剂上CH_4选择还原NO反应的研究    任丽丽

甲烷在常压和高压下溶解度的测定与计算    夏淑倩

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

大气压反常辉光放电下CO_2重整CH_4制合成气的实验研究    陈琦

低温非平衡甲烷等离子体发射光谱诊断    罗利霞

CH_4-CO_2低温转化合成含氧有机物的研究    王晓红

甲烷在甲醇和烃类混合溶剂中高压溶解度的研究    郭玉高

改性尿素对农田温室气体排放的影响    荆瑞勇

纳米铜锡氧化物的制备及催化性能的表征    贾超

天然气（CH_4）催化燃烧催化剂的研究    闫智慧

金属负载的HZSM-5上甲烷和丙烷无氧芳构化反应研究    宣东

折流板反应器厌氧处理住宅小区生活污水试验性研究    黎展毅