CN1844066A - 天然气低温等离子体转化碳二烃的装置及方法 - Google Patents
天然气低温等离子体转化碳二烃的装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1844066A CN1844066A CN 200610013446 CN200610013446A CN1844066A CN 1844066 A CN1844066 A CN 1844066A CN 200610013446 CN200610013446 CN 200610013446 CN 200610013446 A CN200610013446 A CN 200610013446A CN 1844066 A CN1844066 A CN 1844066A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- natural gas
- plasma
- low
- carbon dioxide
- temperature plasma
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
本发明公开了一种天然气低温等离子体转化碳二烃的装置及方法，装置是天然气贮罐经管道通过质量流量计与等离子体反应器连接，等离子体反应器包括绝缘筒形壳体，绝缘筒形壳体内设置有筒形固定电极和旋转电极，旋转电极是在一根金属轴上固定连接有同心圆的金属圆柱，金属圆柱的边缘上设置有刀刃，金属轴的上端伸出绝缘筒形壳体外与驱动机构相连，金属轴的下端与设置在所述绝缘筒形壳体内下部的金属底座上的转动槽连接，旋转电极和筒形固定电极与交流高压发生器相联，等离子体反应器的出口经管道通过六通阀与气相色谱分析仪相连，乙炔、乙烯等都是重要的化工原料，本发明的实施对我国未来能源、资源利用和减少温室气体污染具有经济和战略性意义。
Description
技术领域
本发明涉及非平衡等离子体技术在化工中的应用，特别是涉及一种利用天然气低温等离子体转化碳二烃的装置及方法。
背景技术
我国石油资源不足目前尚需要进口，但是我国天然气资源比较丰富，开发利用天然气(甲烷)资源以替代石油资源，对我国今后的能源、资源探寻意义十分重大。自上世纪七十年代后两次石油危机相继出现，国际上对天然气化工利用的研究十分重视，同时也带动了等离子体甲烷转化研究工作的开展，等离子体技术的引入主要是解决了天然气在传统的高温催化反应方面的困难，利用低温等离子体技术在常温条件下有效激活甲烷分子，可以避免高温引起的副反应。低温(非平衡)等离子体制碳二烃，是基于非平衡等离子体中电子温度可高达104K以上，而气体温度仍维持在室温至数百K范围内，这一非平衡等离子体特征，超越了常规催化反应的范畴，属于等离子体超常化学反应，其意义十分重大，即：一方面电子具有足够高的能量促使分子激活、离解生成反应性能十分活泼的活性物种，等离子体起着催化剂的作用，另一方面反应体系在低温下反应，不用外界供热降低了能耗。低温等离子体又称非平衡等离子体或冷等离子体，利用它的低温、高能量性质，有利于为化学反应和物理加工过程提供一种有效的处理方法。低温等离子体目前研究提出有以下几种：电晕放电等离子体，辉光放电等离子体、火花放电等离子体、介质阻挡放电(DBD)等离子体、滑动弧光放电等离子体、微波等离子体及射频等离子体等。
我们的研究如：中国专利ZL97100677.6公开的“天然气电场增强等离子催化合成C2烃”和ZL02100881.7公开的“多尖端的多个园盘旋转电极的等离子体放电反应器”相继完成了低温等离子体技术的基础研究工作，在上述两个发明的基础上，我们作了新的研究，进一步提高了甲烷的转化性能，改进了等离子体发生器的形式以降低能耗。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上，进一步提高甲烷转化性能，改进等离子体反应器的形式以降低能耗，提供一种天然气低温等离子体转化碳二烃的装置。
本发明的第二个目的是提供一种天然气低温等离子体转化碳二烃的方法。本发明的技术方案概述如下：
一种天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置，天然气贮罐经管道通过第一质量流量计与等离子体反应器的进口连接，所述等离子体反应器包括绝缘筒形壳体，所述绝缘筒形壳体内设置有筒形固定电极和旋转电极，所述旋转电极是在一根金属轴上固定连接有同心圆的金属圆柱，所述金属圆柱的边缘上设置有2-12个刀刃，所述金属轴的上端伸出所述绝缘筒形壳体外与驱动机构相连，所述金属轴的下端与设置在所述绝缘筒形壳体内下部的金属底座上的转动槽连接，所述金属底座下设置有外伸金属杆，所述旋转电极和所述筒形固定电极与交流高压发生器相联，所述等离子体反应器设置有间接换热装置，所述等离子体反应器的出口经管道通过六通阀与气相色谱分析仪相连。
所述刀刃优选4-6个。
所述间接换热装置最好为夹套式换热装置或蛇管式换热装置。
一种天然气低温等离子体转化碳二烃的方法，包括如下步骤：
(1)准备一套天然气低温等离子体转化碳二烃的装置，一种天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置是天然气贮罐经管道通过第一质量流量计与等离子体反应器的进口连接，所述等离子体反应器包括绝缘筒形壳体，所述绝缘筒形壳体内设置有筒形固定电极和旋转电极，所述旋转电极是在一根金属轴上固定连接有同心圆的金属圆柱，所述金属圆柱的边缘上设置有2-12个刀刃，所述金属轴的上端伸出所述绝缘筒形壳体外与驱动机构相连，所述金属轴的下端与设置在所述绝缘筒形壳体内下部的金属底座上的转动槽连接，所述金属底座下设置有外伸金属杆，所述旋转电极和所述筒形固定电极与交流高压发生器相联，所述等离子体反应器设置有间接换热装置，所述等离子体反应器的出口经管道通过六通阀与气相色谱分析仪相连。
(2)将天然气用第一质量流量计控制20ml/min～100ml/min进入所述等离子体反应器内，在压力为101.3Kpa-105Kpa，温度20℃～100℃，电源输入功率20W～80W反应，通过所述气相色谱分析仪在线检测，即得到碳二烃，根据反应前、后甲烷的摩尔数，和各种碳二烃产物的摩尔数，然后再按公式计算出反应参数指标也就是甲烷转化率、C2烃产物的选择性和C2烃产物总收率。
本发明是以天然气为原料采用低温等离子体技术合成碳二烃(乙炔、乙烯、乙烷)，乙炔、乙烯等都是重要的化工原料，在国民经济发展中占有主导地位，本发明的实施对我国未来能源、资源利用和减少温室气体污染(国际环保组织把CH4、列为危害地球环境的主要温室气体)，进一步优化治理环境具有可持续发展的经济和战略性意义。
附图说明
图1为等离子体反应器的结构示意图；
图2为等离子体反应器过A-A面剖视图；
图3为一种天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置，天然气贮罐15经管道通过第一质量流量计16与等离子体反应器9的进口1连接，所述等离子体反应器包括绝缘筒形壳体21，所述绝缘筒形壳体的上、下端设置分别设置有上密封盖10和下密封盖3，所述绝缘筒形壳体内设置有筒形固定电极8和旋转电极2，所述筒形固定电极上设置有筒形固定电极连接端7，所述旋转电极是在一根金属轴11上固定连接有同心圆的金属圆柱17，所述金属圆柱的边缘上设置有2-12个刀刃18，优选的为4-6个，所述金属轴的上端伸出所述绝缘筒形壳体外与驱动机构相连，所述金属轴的下端与设置在所述绝缘筒形壳体内下部的金属底座5上的转动槽连接，所述金属底座下设置有外伸金属杆4，所述旋转电极和所述筒形固定电极与交流高压发生器19相联，所述等离子体反应器设置有间接换热装置12，间接换热装置上设置有换热剂入口13和换热剂出口14，所述等离子体反应器的出口6经管道通过六通阀与气相色谱分析仪20相连。
所述间接换热装置可以是夹套式换热装置或是蛇管式换热装置。
一种天然气低温等离子体转化碳二烃的方法，包括如下步骤：
(1)准备一套天然气低温等离子体转化碳二烃的装置，这种装置是天然气贮罐15经管道通过第一质量流量计16(D07型质量流量计)与等离子体反应器9的进口1连接，经第一质量流量计控制一定的天然气(甲烷)流量进入等离子体反应器内，还可以另外准备一个氢气贮罐22，将氢气贮罐经管道通过第二质量流量计23与等离子体反应器9的进口1连接，当等离子体反应器被发现有结碳时用氢气来消积炭，等离子体反应器包括绝缘筒形壳体21，所述绝缘筒形壳体的上、下端设置分别设置有上密封盖10和下密封盖3，所述绝缘筒形壳体内设置有筒形固定电极8和旋转电极2，所述筒形固定电极上设置有筒形固定电极连接端7，所述旋转电极是在一根金属轴11上固定连接有同心圆的金属圆柱17，所述金属圆柱的边缘上设置有2-12个刀刃18，所述金属轴的上端伸出所述绝缘筒形壳体外与驱动机构马达(D-7401型10级转速马达)相连，所述金属轴的下端与设置在所述绝缘筒形壳体内下部的金属底座5上的转动槽连接，所述金属底座下设置有外伸金属杆4，所述旋转电极和所述筒形固定电极与交流高压发生器19相联，所述等离子体反应器9设置有间接换热装置12，间接换热装置上设置有换热剂入口13和换热剂出口14，所述等离子体反应器的出口6经管道通过六通阀与气相色谱分析仪20相连；
(2)将天然气用第一质量流量计控制20ml/min～100ml/min进入所述等离子体反应器内，在压力为101.3Kpa-105Kpa，温度20℃～100℃，电源输入功率20W～80W反应，通过所述气相色谱分析仪在线检测，即得到碳二烃。根据反应前、后甲烷的摩尔数，和各种碳二烃产物的摩尔数，然后再按公式计算出反应参数指标也就是甲烷转化率、C2烃产物的选择性和C2烃产物总收率。
当交流高压发生器19的交流高压辉光放电达到气体击穿电压时，垂直流过电场方向的反应气体在两极之间形成环形辉光等离子体反应区，采用Tectronix公司生产的高压探头24(P6015A，分压比1000∶1)接于高压电极端，并引入Tectronix公司生产的数字示波器25(TDS-210)显示电压值，电流探测采用外伸金属杆4(接地电极端)串联一个电阻，测其两端电压值并求取电流值，反应系统的原料气和反应产物气体组成均采用HP 4890D气相色谱分析仪分析，其中反应气体产物经六通阀取样在线分析其组成，测量后气体经计量与产物收集装置连接，操作流程见图3。
本发明是以天然气为原料利用低温等离子体技术合成碳二烃(乙炔、乙烯、乙烷)。采用的等离子体电源是交流高压发生器19，反应是在压力为101.3Kpa-105Kpa，将天然气连续地进入等离子体反应器内，进行CH4偶联脱氢制C2烃，整个反应系统是在常压、常温无污染的连续流动的装置中进行，反应产物经气相色谱在线分析得到反应的实验结果如下：CH4单程转化率为50-60％，C2烃选择性为80％，C2烃收率为40-50％，反应的能量效率9.2％-20.5％。目前尚未见文献报导。
实验考察的主要反应参数指标分别按下式计算：
甲烷转化率XCH4(％)： XCH4＝(1-nCH4/n0 CH4)×100 (1)
C2烃产物的选择性Si(％)： Si＝[2ni/(n0 CH4-nCH4)]×100 (2)
C2烃产物总收率Yi(％)： Yi＝XCH4×Si×100 (3)
其中n0 CH4为反应前CH4摩尔数，nCH4为反应后CH4摩尔数，ni为各C2烃产物摩尔数，Si为各C2烃产物的选择性，Yi为各C2烃产物单程收率。
反应的能量效率Ee按下式计算：
能量效率Ee(％)： Ee＝(ΔH·YC2·F1/P)×100 (4)
-其中，P是反应的输入功率(w)，F1是反应物的摩尔流率(mol/s)，
ΔH是反应的热焓(KJ/mol)，YC2是C2烃收率(％)。
实验结果
应用本发明的一种天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置，采用交流电源(220V，50HZ)经交流高压发生器19将电压转变最大为50KV，频率为20KHZ，实验电压为无级调变(0-50KV)，高压电源最大输出功率300W(0-300W连续可调)；反应在等离子体反应器中进行，反应器为夹套管式反应器外径为φ50mm，内径为φ32mm，长60mm，反应器内装配有一对等离子体发生电极，一个是旋转电极2，旋转电极是在一根金属轴11上固定连接有同心圆的金属圆柱17，所述金属圆柱的边缘上设置有2-12个刀刃18，旋转电极其外径为φ14mm，另一个是筒形固定电极8，φ29mm，将旋转电极以同心圆位置装在固定电极内，将它们与交流高压发生器19相联，等离子体反应器的材质为透明的石英玻璃管，可清晰的观测等离子体辉光放电区的反应情况。
室验条件：常压(101.3Kpa-105Kpa)，反应温度20-100℃(用控温仪来维持反应器换热夹套恒温)，电源输入功率10W-80W，反应原料气流率20-100ml/min。
实验发现当电源功率和气体流率固定，改变反应温度从20℃到100℃的温度范围内变化，反应结果甲烷转化率XCH4和C2烃收率及选择性的变化幅度不大，温度的影响远远小于电源功率和气体流率变化的作用。这正说明了低温等离子体化学反应是超常化学反应的特点，也就是温度对等离子体化学反应不敏感。它与常规化学反应明显不同，众所周知一般化学反应温度是影响反应结果至关重要的因素。
实验取反应温度在20℃-100℃范围内的任意温度点，变化电源功率和甲烷原料气流率
得到实验结果如下表1.和表2.
表1 电源输入功率对反应结果的影响
(反应温度20℃，反应原料气流率100ml/min)
表中：XCH4为甲烷转化率，YC2为C2烃总收率，SC2为C2烃产物选择性，
YC2 0为乙烷的收率，YC2＝为乙烯的收率，YC2≡为乙炔的收率，
Ee为反应的能量效率
表2 原料气流率对反应结果的影响
(反应温度20℃，电源输入功率50W)
| Ee(％) | 7.3 | 11.1 | 14.3 | 17.2 | 20.3 |
表中：XCH4为甲烷转化率，YC2为C2烃总收率，SC2为C2烃产物选择性，
YC2 0为乙烷的收率，YC2＝为乙烯的收率，YC2≡为乙炔的收率，
Ee为反应的能量效率
研究结果表明电源功率和原料气流率大小对反应结果有明显影响，经综合优化比较反应的适宜条件为：常压(101.3Kpa-105Kpa)，反应温度20℃-100℃，电源输入功率20W-80W.甲烷原料气流率20ml/min-100ml/min
所得CH4单程转化率为50-60％，C2烃选择性为80％，C2烃收率为40-50％，反应的能量效率9.2％-20.5％。
Claims (4)
1.一种天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置，其特征是天然气贮罐经管道通过第一质量流量计与等离子体反应器的进口连接，所述等离子体反应器包括绝缘筒形壳体，所述绝缘筒形壳体内设置有筒形固定电极和旋转电极，所述旋转电极是在一根金属轴上固定连接有同心圆的金属圆柱，所述金属圆柱的边缘上设置有2-12个刀刃，所述金属轴的上端伸出所述绝缘筒形壳体外与驱动机构相连，所述金属轴的下端与设置在所述绝缘筒形壳体内下部的金属底座上的转动槽连接，所述金属底座下设置有外伸金属杆，所述旋转电极和所述筒形固定电极与交流高压发生器相联，所述等离子体反应器设置有间接换热装置，所述等离子体反应器的出口经管道通过六通阀与气相色谱分析仪相连。
2.根据权利要求1所述的一种天然气低温等离子体转化碳二烃的装置，其特征是所述刀刃为4-6个。
3.根据权利要求1所述的一种天然气低温等离子体转化碳二烃的装置，其特征是所述间接换热装置为夹套式换热装置或蛇管式换热装置。
4.一种天然气低温等离子体转化碳二烃的方法，其特征是包括如下步骤：
(1)准备一套如权利要求1所述的天然气低温等离子体转化碳二烃的装置；
(2)将天然气用第一质量流量计控制20ml/min～100ml/min进入所述等离子体反应器内，在压力为101.3Kpa-105Kpa，温度20℃～100℃，电源输入功率20～80W反应，通过所述气相色谱分析仪在线检测，即得到碳二烃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2006100134463A CN100434406C (zh) | 2006-04-10 | 2006-04-10 | 天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2006100134463A CN100434406C (zh) | 2006-04-10 | 2006-04-10 | 天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1844066A true CN1844066A (zh) | 2006-10-11 |
| CN100434406C CN100434406C (zh) | 2008-11-19 |
Family
ID=37063037
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2006100134463A Expired - Fee Related CN100434406C (zh) | 2006-04-10 | 2006-04-10 | 天然气低温等离子体转化制碳二烃的装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN100434406C (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103025039A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-04-03 | 大连理工大学 | 一种大气压非热等离子体发生器 |
| CN106961779A (zh) * | 2017-05-11 | 2017-07-18 | 无锡荣坚五金工具有限公司 | 一种带有定转电极组的等离子体引发聚合装置 |
| CN114599143A (zh) * | 2020-12-04 | 2022-06-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种滑动弧放电等离子体发生系统 |
| US11548784B1 (en) | 2021-10-26 | 2023-01-10 | Saudi Arabian Oil Company | Treating sulfur dioxide containing stream by acid aqueous absorption |
| US11926799B2 (en) | 2021-12-14 | 2024-03-12 | Saudi Arabian Oil Company | 2-iso-alkyl-2-(4-hydroxyphenyl)propane derivatives used as emulsion breakers for crude oil |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1054114C (zh) * | 1997-03-12 | 2000-07-05 | 天津大学 | 天然气电场增强等离子催化合成碳二烃 |
| CN1172884C (zh) * | 2002-02-07 | 2004-10-27 | 天津大学 | 多尖端的多个圆盘旋转电极的等离子体放电反应器 |
-
2006
- 2006-04-10 CN CNB2006100134463A patent/CN100434406C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103025039A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-04-03 | 大连理工大学 | 一种大气压非热等离子体发生器 |
| CN106961779A (zh) * | 2017-05-11 | 2017-07-18 | 无锡荣坚五金工具有限公司 | 一种带有定转电极组的等离子体引发聚合装置 |
| CN106961779B (zh) * | 2017-05-11 | 2024-02-02 | 江苏菲沃泰纳米科技股份有限公司 | 一种带有定转电极组的等离子体引发聚合装置 |
| CN114599143A (zh) * | 2020-12-04 | 2022-06-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种滑动弧放电等离子体发生系统 |
| US11548784B1 (en) | 2021-10-26 | 2023-01-10 | Saudi Arabian Oil Company | Treating sulfur dioxide containing stream by acid aqueous absorption |
| US11926799B2 (en) | 2021-12-14 | 2024-03-12 | Saudi Arabian Oil Company | 2-iso-alkyl-2-(4-hydroxyphenyl)propane derivatives used as emulsion breakers for crude oil |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN100434406C (zh) | 2008-11-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1844066A (zh) | 天然气低温等离子体转化碳二烃的装置及方法 | |
| CN1268550A (zh) | 合成燃料的方法 | |
| CN104071747A (zh) | 一种等离子体甲烷重整制备合成气的方法 | |
| CN1235846C (zh) | 热等离子体裂解含甲烷气体制乙炔方法 | |
| CN101935265B (zh) | 液化气催化裂解工艺 | |
| CN102304010A (zh) | 采用精馏和吸收分离低碳烯烃混合气体的方法 | |
| CN105254462A (zh) | 一种甲醇制烯烃并联产汽油和芳烃的工艺 | |
| CN101550055B (zh) | 一种含有气固快分结构的等离子体煤裂解过程后处理工艺 | |
| CN101508623A (zh) | 一种涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置 | |
| CN1280195C (zh) | 一种用甲烷与氮气合成氨和燃料油的方法 | |
| CN1306151A (zh) | 电和烃同时产生的方法 | |
| JP4255201B2 (ja) | 鎖式炭化水素のスチームリフォーミング方法及びそのための装置 | |
| CN1180058C (zh) | 采用等离子体转化甲烷和二氧化碳制备汽油的方法 | |
| CN1900042A (zh) | 丙烯和分子氧直接氧化制备丙醛的装置 | |
| CA2313668A1 (en) | Hydrocarbon synthesis | |
| CN1282634C (zh) | 一种烃类气相氧化裂解制低碳烯烃并联产一氧化碳的方法 | |
| CN1613838A (zh) | 一种低温等离子体裂解天然气制乙炔装置与工艺 | |
| Jinhua et al. | Novel plasma reactor with rotary multi-tip electrode used in CH4 coupling | |
| CN109847673B (zh) | 一种电弧等离子体反应器及重油轻质化方法 | |
| Ulejczyk et al. | Steam reforming of ethanol in spark discharge generated between electrodes made from a Ni 3 Al alloy | |
| RU2466977C1 (ru) | Способ получения углеводородов c2+ из метана | |
| CN104707591A (zh) | 一种乙醇转化制异丁烯的氧化物催化剂及其制备方法 | |
| CN1415530A (zh) | 一种co2－ch4共汽化制取合成气的方法 | |
| CN110292896B (zh) | 一种等离子体反应装置及不饱和烃的制备方法 | |
| CN116272757A (zh) | 等离子体转化甲烷制备乙炔的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081119 Termination date: 20130410 |