探析非平衡等离子体甲烷常压偶联研究

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1、天津大学博士学位论文非平衡等离子体甲烷常压偶联研究姓名：崔锦华申请学位级别：博士专业：化学工艺指导教师：许根慧20020701摘要石油资源的日趋短缺使人们对世界大储量能源天然气的开发利用越来越重视。甲烷(CH。)是天然气的主要成份。如果能找到一条实现CH。制备不饱和c：烃的工业化道路，则合成高聚物的单体就可以来自天然气，而不必唯一地依赖于石油。所以cH4偶联制备不饱和C，烃(c：H，&C：H。)的研究工作对于m石油生产化工基本原料走向由天然气生产化工基本原料的石油化工战略转移具有非常重要的学术和经济意义。本研究对尖一板固定电极甲烷放电等

2、离子体常压偶联工艺进行了验证性实验，证明该体系具有较高的CH。转化率和c，烃收率，但由于积炭严重而无法长时间连续操作，为此本文提出空时能量密度定义及其计算公式，计算证明体系积炭是空时能量密度太大所致。本文研制了具有平均电场效应的多尖端旋转电极在一定条件下可实现常压CH。或H，放电辉光等离子体，使常压下甲烷偶联在长时间反应积炭很少的可连续操作的状态_F达到CH。转化率及C，烃单程收率最高超过70％，不饱和C，烃的选择性平均超过95％，从而在理论上和应用上均有突破性进展。本文发现了在CH。+H：放电体系中停止CH。进料、用纯氢气放电可以消积

3、炭的方法后，作了消积炭定性和定量实验，提出了消积炭机理假设，并作了消积炭宏观动力学研究，求出了表观速率常数。在尖一板吲定电极和多尖端旋转电极等离子体甲烷偶联工艺研究中利用高压探头和示波器探明了CH。+H，体系在AC场和DC场放电电压波形的差别，对气体放电的阴极发射机理作了直观的表述。在此基础上对旋转电场常压CH—H，放电等离子体系CH。偶联进行了工艺条件实验并初步探明了优化方向。在相关理论研究方面，对常压CH。+H，放电等离子体作了发射光谱渗断并根据诊断结果作了体系电子温度与电子密度的计算。另一方面，用原子力显微镜对金属电极表面粗糙度进

4、行了表征并初步建立了电极表面粗糙度与气体放电击穿电压之间的经验关系。在以上各章研究基础上提出了工作气体一定时常压气体放电可能存在某种函数关系，待其中各指数确定后可以作为常压下气体放电帕邢定律经验表达式，在本文工作的基础上提出了研究方向建议。自编了全部Fortran计算程序。关键词：等离子体、甲烷偶联、多尖端旋转电极、消积炭、发射光谱AbstractWithlessandlesspetroleumresourcesgradually，ITIoreandiIlorcattentionandevaluationhavebeenfocusedo

5、nnaturalgasthatisnOWmuchmoreintheworldthanpetroleumIfatEasibleway，bywhichmajorconstituentmethane(CH^)innaturalgascanindustriallybeusedtoproduceC2hydrocarbonswithoutpollution．canbefoundout，unsaturatedC2hydrocarbons(C2H2＆C2H4)asmonomersforsynthesisofmanypolymerswillbeprodu

6、cedoutofnaturalgasratherthannecessarilydependentONpetroleum．TheresearchonboththeoryandapplicationisvaluableforpetrochemicallystrategictransferinproducingbasicchemicalsfromwithpetroleumtowithnaturalgasCH4couplingviadischargeswithstaticwire-plateelectrodesinCH4+Rsystematat

7、mosphericpressurewasconfirmedinhavinghighCH4conversionandC2yieldbutinfailingtooperatecontinuouslyoveralongtimebecauseofavastamountofcoke．Aconceptofspace—timeenergydensity(Ejt)wassuggestedtoexplaincokeformationinCH4dischargesunderplasmasAformulaforcalculatingEjrwasalsosug

8、gestedandthecalculationresultsshowedthatEjrWaStoobigforCH4couplingintheelectricfieldusingthewire—platee