CN203346306U - 等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统 - Google Patents

等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统 Download PDF

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Abstract

等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，涉及甲醇制造领域。本实用新型是为了解决在单纯等离子体作用下转化瓦斯合成甲醇时，瓦斯的转化率和甲醇的产率低的问题。本实用新型所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统利用Fe2O3-CuO/Al2O3作为催化剂，并利用高压交流电源对反应器通电，使反应器中的等离子体和催化剂在150°的条件下对浓度为50%的瓦斯协同转化。本实用新型将反应分子的活化和催化剂对反应物定向转化这两个优势相结合，使瓦斯的转化率提高到41.5%，同时使甲醇的产率提高到1.45%。本实用新型所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统适用于甲醇制造领域。

Description

等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统
技术领域
本发明涉及一种瓦斯制甲醇的实验系统，尤其涉及等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统。属于甲醇制造领域。
背景技术
我国95%以上的煤矿为瓦斯矿井，其中近49.2%为高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，瓦斯危害严重。强化瓦斯抽采利用是煤矿安全生产的治本之策。开展以瓦斯为原料合成甲醇的研究可以拓宽瓦斯利用的范围和途径。目前，瓦斯直接氧化制甲醇主要有气固催化氧化、液相催化氧化、低温等离子体转化等方法。气固催化氧化有反应温度较高、瓦斯转化率较低、对设备要求较高的缺点。液相催化氧化反应条件较气固催化氧化有所缓和，但仍需较高的压力，因而对设备要求较高，采用的氧化剂如浓硫酸、双氧水对环境有一定影响，而且液相反应速率慢，催化剂易中毒，这些因素导致液相催化氧化技术在实际应用方面受到一定限制。利用低温等离子体技术能很容易获得O(3P)、O(1D)、亚稳态O2(a1△g)等甲醇合成的关键活性氧物种，以利于甲醇合成反应的进行。利用单纯等离子体作用虽然可以在温和条件下转化瓦斯合成甲醇，但瓦斯的转化率和甲醇的产率并不高。
实用新型内容
本实用新型是为了解决在单纯等离子体作用下转化瓦斯合成甲醇时，瓦斯的转化率和甲醇的产率低的问题。现提供一种等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统。
等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，它包括：瓦斯气瓶、质量流量控制器、稳压平衡罐、单向阀、高压交流电源、瓦斯进气管、反应后气体排放管、反应器和甲醇吸收瓶；
瓦斯气瓶的出气端连通质量流量控制器的进气端，质量流量控制器的出气端连通稳压平衡罐的进气端，稳压平衡罐的出气端连通单向阀的进气端，单向阀的出气端连通瓦斯进气管的一端，瓦斯进气管的另一端连通反应器的进气端，反应器的出气端连通反应后气体排放管的一端，反应后气体排放管的另一端连通甲醇吸收瓶的进气端；
反应器包括：刚玉管、高压电极、接地电极和电炉，高压电极同轴固定在刚玉管内，接地电极缠绕在刚玉管的外表面，刚玉管内的等离子体放电区域中填充有催化剂，电炉用于给填充有催化剂部分的反应器加热；
刚玉管的两端均为密封结构，其中一端开有进气口，另一端开有出气口；
高压交流电源的正极连接高压电极，高压交流电源的负极连接接地电极。
上述等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，它还包括：反应后气体干燥器、气相色谱仪和尾气收集罐；
甲醇吸收瓶的出气端连通反应后气体干燥器的进气端，反应后气体干燥器的出气端同时连通气相色谱仪的进气端和尾气收集罐的进气端。
上述高压电极为不锈钢螺纹棒。
上述接地电极为不锈钢丝。
等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，它包括：瓦斯气瓶、质量流量控制器、稳压平衡罐、单向阀、高压交流电源、瓦斯进气管、反应后气体排放管、反应器和甲醇吸收瓶；
瓦斯气瓶的出气端连通质量流量控制器的进气端，质量流量控制器的出气端连通稳压平衡罐的进气端，稳压平衡罐的出气端连通单向阀的进气端，单向阀的出气端连通瓦斯进气管的一端，瓦斯进气管的另一端连通反应器的进气端，反应器的出气端连通反应后气体排放管的一端，反应后气体排放管的另一端连通甲醇吸收瓶的进气端；
反应器包括：刚玉管、高压电极、接地电极和电炉，高压电极同轴固定在刚玉管内，接地电极缠绕在刚玉管的外表面，刚玉管尾部内的等离子体放电区域外填充有催化剂，电炉用于给填充有催化剂部分的反应器加热；
刚玉管的两端均为密封结构，其中一端开有进气口，另一端开有出气口；
高压交流电源的正极连接高压电极，高压交流电源的负极连接接地电极。
上述等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，它还包括：反应后气体干燥器、气相色谱仪和尾气收集罐；
甲醇吸收瓶的出气端连通反应后气体干燥器的进气端，反应后气体干燥器的出气端同时连通气相色谱仪的进气端和尾气收集罐的进气端。
上述高压电极为不锈钢螺纹棒。
上述接地电极为不锈钢丝。
本实用新型所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统利用Fe2O3-CuO/Al2O3作为催化剂，同时利用高压交流电源对反应器通电，使反应器中的等离子体和催化剂在150°的条件下对浓度为50%的瓦斯气体实现协同转化。本实用新型将反应分子的活化和催化剂对反应物定向转化这两个优势相结合，使瓦斯的转化率提高到了41.5%，较单纯使用等离子体转化时提高了25.8%，同时使甲醇的产率提高到了1.45%，较单纯使用等离子体转化时提高了38.1%。
附图说明
图1是催化剂填加在等离子体放电区域以内时，等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统的结构示意图。
图2是催化剂填加在等离子体放电区域以外时，等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，它包括：瓦斯气瓶1、质量流量控制器2、稳压平衡罐3、单向阀4、高压交流电源5、瓦斯进气管6、反应后气体排放管7、反应器8和甲醇吸收瓶9；
瓦斯气瓶1的出气端连通质量流量控制器2的进气端，质量流量控制器2的出气端连通稳压平衡罐3的进气端，稳压平衡罐3的出气端连通单向阀4的进气端，单向阀4的出气端连通瓦斯进气管6的一端，瓦斯进气管6的另一端连通反应器8的进气端，反应器8的出气端连通反应后气体排放管7的一端，反应后气体排放管7的另一端连通甲醇吸收瓶9的进气端；
反应器8包括：刚玉管13、高压电极14、接地电极15和电炉17，高压电极14同轴固定在刚玉管13内，接地电极15缠绕在刚玉管13的外表面，刚玉管13内的等离子体放电区域中填充有催化剂16，电炉17用于给反应器8中填充有催化剂的部分加热；
刚玉管13的两端均为密封结构，一端开有进气口，另一端开有出气口；
高压交流电源5的正极连接高压电极14，高压交流电源5的负极连接接地电极15。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括：反应后气体干燥器10、气相色谱仪11和尾气收集罐12；
甲醇吸收瓶9的出气端连通反应后气体干燥器10的进气端，反应后气体干燥器10的出气端同时连通气相色谱仪11的进气端和尾气收集罐12的进气端。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统作进一步说明，本实施方式中，高压电极14为不锈钢螺纹棒。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统作进一步说明，本实施方式中，接地电极15为不锈钢丝。
具体实施方式五：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，它包括：瓦斯气瓶1、质量流量控制器2、稳压平衡罐3、单向阀4、高压交流电源5、瓦斯进气管6、反应后气体排放管7、反应器8和甲醇吸收瓶9；
瓦斯气瓶1的出气端连通质量流量控制器2的进气端，质量流量控制器2的出气端连通稳压平衡罐3的进气端，稳压平衡罐3的出气端连通单向阀4的进气端，单向阀4的出气端连通瓦斯进气管6的一端，瓦斯进气管6的另一端连通反应器8的进气端，反应器8的出气端连通反应后气体排放管7的一端，反应后气体排放管7的另一端连通甲醇吸收瓶9的进气端；
反应器8包括：刚玉管13、高压电极14、接地电极15和电炉17，高压电极14同轴固定在刚玉管13内，接地电极15缠绕在刚玉管13的外表面，刚玉管13尾部内的等离子体放电区域外填充有催化剂16，电炉17用于给反应器8中填充有催化剂的部分加热；
刚玉管13的两端均为密封结构，一端开有进气口，另一端开有出气口；高压交流电源5的正极连接高压电极14，高压交流电源5的负极连接接地电极15。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括：反应后气体干燥器10、气相色谱仪11和尾气收集罐12；
甲醇吸收瓶9的出气端连通反应后气体干燥器10的进气端，反应后气体干燥器10的出气端同时连通气相色谱仪11的进气端和尾气收集罐12的进气端。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统作进一步说明，本实施方式中，高压电极14为不锈钢螺纹棒。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式五所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统作进一步说明，本实施方式中，接地电极15为不锈钢丝。
本实用新型所述的低温等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统的工作原理：瓦斯气从瓦斯气瓶1中放出，该瓦斯气经质量流量控制器2控制流量后流入稳压平衡罐3内，稳压平衡罐3对瓦斯气进行稳压平衡，使瓦斯气通过单向阀4和瓦斯进气管6均衡、平稳地进入反应器8，瓦斯气在高压交流电源5的放电作用下，在反应器8中被低温等离子体与催化剂协同转化生成甲醇，该甲醇通过反应后气体排放管7进入甲醇吸收瓶9，甲醇吸收瓶9内的蒸馏水将甲醇吸收，而剩余气体则进入反应后气体干燥器10进行干燥，经干燥器10干燥后的少部分气体流入气相色谱仪11，气相色谱仪11对流入其内部的气体进行组分及含量的检测，经干燥器10干燥后的大部分气体则进入尾气收集罐12。
反应器8为同轴式介质阻挡放电反应器，刚玉管13作为绝缘介质。
催化剂16为Fe2O3-CuO/Al2O3，其作用是利于增强电场强度和导致反应过程中自由基在催化剂表面富集，从而提高甲醇的选择性。
催化剂16置于等离子体放电区域以外，具有更好的抗积碳性能，从而提高反应的稳定性。

Claims (8)

1.等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，其特征在于，它包括：瓦斯气瓶（1）、质量流量控制器（2）、稳压平衡罐（3）、单向阀（4）、高压交流电源（5）、瓦斯进气管（6）、反应后气体排放管（7）、反应器（8）和甲醇吸收瓶（9）；
瓦斯气瓶（1）的出气端连通质量流量控制器（2）的进气端，质量流量控制器（2）的出气端连通稳压平衡罐（3）的进气端，稳压平衡罐（3）的出气端连通单向阀（4）的进气端，单向阀（4）的出气端连通瓦斯进气管（6）的一端，瓦斯进气管（6）的另一端连通反应器（8）的进气端，反应器（8）的出气端连通反应后气体排放管（7）的一端，反应后气体排放管（7）的另一端连通甲醇吸收瓶（9）的进气端；
反应器（8）包括：刚玉管（13）、高压电极（14）、接地电极（15）和电炉（17），高压电极（14）同轴固定在刚玉管（13）内，接地电极（15）缠绕在刚玉管（13）的外表面，刚玉管（13）内的等离子体放电区域中填充有催化剂（16），电炉（17）用于给反应器（8）中填充有催化剂的部分加热；刚玉管（13）的两端均为密封结构，其中一端开有进气口，另一端开有出气口；
高压交流电源（5）的正极连接高压电极（14），高压交流电源（5）的负极连接接地电极（15）。
2.根据权利要求1所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，其特征在于，它还包括：反应后气体干燥器（10）、气相色谱仪（11）和尾气收集罐（12）；
甲醇吸收瓶（9）的出气端连通反应后气体干燥器（10）的进气端，反应后气体干燥器（10）的出气端同时连通气相色谱仪（11）的进气端和尾气收集罐（12）的进气端。
3.根据权利要求1所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，其特征在于，高压电极（14）为不锈钢螺纹棒。
4.根据权利要求1所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，其特征在于，接地电极（15）为不锈钢丝。
5.等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，其特征在于，它包括：瓦斯气瓶（1）、质量流量控制器（2）、稳压平衡罐（3）、单向阀（4）、高压交流电源（5）、瓦斯进气管（6）、反应后气体排放管（7）、反应器（8）和甲醇吸收瓶（9）；
瓦斯气瓶（1）的出气端连通质量流量控制器（2）的进气端，质量流量控制器（2）的出气端连通稳压平衡罐（3）的进气端，稳压平衡罐（3）的出气端连通单向阀（4）的进气端，单向阀（4）的出气端连通瓦斯进气管（6）的一端，瓦斯进气管（6）的另一端连通反应器（8）的进气端，反应器（8）的出气端连通反应后气体排放管（7）的一端，反应后气体排放管（7）的另一端连通甲醇吸收瓶（9）的进气端；
反应器（8）包括：刚玉管（13）、高压电极（14）、接地电极（15）和电炉（17），高压电极（14）同轴固定在刚玉管（13）内，接地电极（15）缠绕在刚玉管（13）的外表面，刚玉管（13）尾部内的等离子体放电区域外填充有催化剂（16），电炉（17）用于给反应器（8）中填充有催化剂的部分加热；
刚玉管（13）的两端均为密封结构，其中一端开有进气口，另一端开有出气口；
高压交流电源（5）的正极连接高压电极（14），高压交流电源（5）的负极连接接地电极（15）。
6.根据权利要求5所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，其特征在于，它还包括：反应后气体干燥器（10）、气相色谱仪（11）和尾气收集罐（12）；
甲醇吸收瓶（9）的出气端连通反应后气体干燥器（10）的进气端，反应后气体干燥器（10）的出气端同时连通气相色谱仪（11）的进气端和尾气收集罐（12）的进气端。
7.根据权利要求5所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，其特征在于，高压电极（14）为不锈钢螺纹棒。
8.根据权利要求5所述的等离子体与催化剂协同转化煤矿瓦斯制甲醇的实验系统，其特征在于，接地电极（15）为不锈钢丝。
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