CN1216019C - 高频等离子体裂解天然气合成c2烃类物的方法 - Google Patents

Abstract

一种高频等离子体裂解天然气合成C₂烃类物的方法，其特点是将含甲烷约90%的天然气(1)，通过流量计进入装有特制电极的反应器(2)内；同时将功率为500～100×10³W和频率为1～25MHz的高频电源(3)加在反应器(2)的电极上，调节反应器内的真空度为-0.1～0.001MPa和电源输出功率，使反应器内激发产生稳定辉光放电，即等离子体；甲烷在等离子体区内被激发产生大量具有活性的CH₃·、CH₂·、CH·自由基，它们相互碰撞形成新的C₂烃类物，其中甲烷转化率为24.02～77.5%，C₂烃类物收率为20.50～76.79%，C₂烃类物选择性为85.35～98.96%，产品经真空泵(4)进入储罐(5)。

Description

高频等离子体裂解天然气合成C2烃类物的方法

一、技术领域

本发明涉及一种高频等离子体裂解天然气合成C₂烃类物的方法，属于低分子物的合成领域。

二、背景技术

世界特别是我国的天然气储量十分丰富，石油储量却日趋贫乏。虽然，天然气现在已经可以作为合成氨、甲醇、醋酸和乙炔等化工产品的基本原料。但受到现有天然气化工技术的限制：如过程复杂、高温多步反应、投资庞大、过分依赖贵重催化剂等缺点，而且还不能有效获得最为重要的基本有机化工原料和高分子单体……乙烯等烯烃类物质。因此，有必要大力开发天然气转化制备C₂烃类物的方法。

从二十世纪八十年代以来，在天然气转化方面，国内外已有许多研究与本发明相关的方法，有甲烷氧化偶联法(OCM)、固体电解质电化学反应(SSER)、甲烷微波裂解、激光催化甲烷氧化偶联反应等。其中与本发明较为相近的是美国ConnecticutUniversity Stiven L.Sulb等U.S 5,131,993，Low power density plasma excitationmicrowave energy induced chemical reaction报道的甲烷通过微波冷等离子体直接转化为C₂烃的过程。该过程采用频率为2.45GHz，可调功率0.1～400W的微波电源，选用管式石英反应器，用外部金属催化剂，在400Pa压力下，利用高电压火花产生等离子体，其中较高结果为甲烷转化率55.3％，产物选择性为乙烷53.6％，乙烯26.8％，CO₂13％，丙烷6.7％。微波等离子体的发生是当微波电源的输出功率(等于入射功率与反射功率之差)适当，便可以使气体击穿实现持续放电，而在传输终端大多利用空腔谐振器与放电管耦合，在设计初主要是用2.45GHz的电源进行匹配来达到放电效果。但是当气体经过放电后，由于放电过程反应温度很高，能量密度太大，很容易使甲烷完全裂解，生成大量积碳，积碳附着在反应器内，改变了谐振腔的阻抗，而在使用电源频率固定情况下，导致了输出功不匹配，就不能产生很好的微波效果，需要进行清理积碳，这样就使整个过程复杂化，不利于工业化生产；另一方面是微波功率不是很高，与同类的大功率等离子体发生设备相比较，造价贵，这也是不能大规模发展的原因；在微波过程中，甲烷转化率虽然高，但C₂烃的收率却不太高，这也是该专利的不足之处。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种高频等离子体裂解天然气合成C₂烃类物的方法，其特点是将高频电源加在装有特制电极板的反应器上，在反应器处于较低真空状态下，经高频电源激发产生辉光放电，形成低温等离子体，当天然气通过反应器时被裂解合成C₂烃类物。

本发明的目的由以下技术措施实现。

1、高频等离子体的产生

将功率为500～100×10³W和频率为1～25MHz的高频电源(3)加在反应器(2)的电极上，调节反应器内的真空度为-0.1～0.001MPa和电源输出功率，使反应器内激发产生稳定的辉光放电，即等离子体。

2、天然气裂解合成C₂烃类物

将含甲烷约90％的天然气(1)通过流量计进入反应器(2)，在等离子体区间内甲烷被激发产生大量的CH₃·、CH₂·、CH·自由基，它们相互碰撞形成新的C₂烃类物，甲烷转化率为24.02～77.5％，C₂烃类物收率为20.50～76.79％，C₂烃类物选择性为85.35～98.96％，产品经真空泵(4)进入储罐(5)。

3、C₂烃类物的分离

采用变压吸附或化学吸附分离C₂烃类物，获得很有价值的聚合级乙烯30.72％、乙炔46.07％。

本发明者发现，与高频电源耦合的负载——反应器为容性或感性，其电极可以是内电极或者外电极，负载与电源振荡回路并联，也可以串联，其目的是达到最佳耦合效果。

本发明者发现，反应器的真空度是先抽至较低真空度0.09MPa，后调节天然气流量，既能保持反应区均匀辉光放电，又能使甲烷转化率提高，在不同条件下的功率调节是为了维持反应区稳定的辉光放电和高的甲烷裂解转化率。

本发明具有如下优点：

1、采用高频电源激发形成等离子体对天然气进行裂解直接合成制备C₂烃类物、原料不需要处理和添加其他引发等离子体的物质、造价低、产物分离、纯化方便；

2、采用高频电源、低温放电、放电条件缓和、稳定性好；

3、反应过程中，甲烷转化率高，产物收率和选择性较高，重复性好；

4、过程和设备简单，一次性投资少，在全国推广应用，有显著的经济效益和社会效益。

四、附图说明

图1为高频等离子体裂解天然气合成C₂烃类物的流程图；

1天然气，2反应器，3高频电源，4真空泵，5储罐。

图2为反应器负载与高频振荡回路耦合图。

三相交流电通过整流堆加在高频振荡管的阳极，经振荡回路获得所需频率，反应器作为负载与振荡回路耦合，以便达到最佳输出。

五、具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例

将高频功率电源3加在装有特制电极板的反应器2上，激发产生等离子体，将含甲烷90％的天然气1进入反应器中的等离子体区时，其中甲烷受高能电子碰撞、激发产生活性的CH₃·、CH₂·、CH·自由基，它们相互碰撞、合成新的C₂烃类物，产品经真空泵4进入储罐5。详见表1所示。

表1  高频等离子体裂解天然气合成C₂烃类物的制备*

序号    真空度    CH₄转化率    C₂烃收率    C₂烃选择性

        MPa          ％           ％           ％

1       -0.02       24.02        20.50        85.35

2       -0.07       35.09        30.61        87.24

3       -0.092      59.42        56.99        95.91

4       -0.092      72.26        70.84        98.04

5       -0.093      76.77        75.96        98.96

6       -0.094      64.36        62.41        97.00

7       -0.094      77.59        76.79        98.96

^*表内结果是在功率为8KW、频率为5MHz设备下制备的。

Claims (1)

1、高频等离子体裂解天然气合成C₂烃类物的方法，其特征在于：

(1)高频等离子体的产生

将功率为500～100×10³W和频率为1～25MHz的高频电源(3)加在反应器(2)的电极上，调节反应器内的真空度为-0.1～0.001MPa和电源输出功率，使反应器内激发产生稳定的辉光放电，即等离子体；

(2)天然气裂解合成C₂烃类物

将含甲烷90％的天然气(1)通过流量计进入反应器(2)、在等离子体区间内甲烷被激发产生大量的CH₃·、CH₂·、CH·自由基，它们相互碰撞形成新的C₂烃类物，甲烷转化率为24.02～77.5％，C₂烃类物收率为20.50～76.79％，C₂烃类物选择性为85.35～98.96％，产品经真空泵(4)进入储罐(5)；

(3)C₂烃类物的分离

采用变压吸附或化学吸附分离C₂烃类物，获得很有价值的聚合级乙烯30.72％、乙炔46.07％。

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