plasma等离子体能量密度对反应物CH4和CO2转化率C2烃CO收率的影响

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• 作者：等离子清洗机-CRF plasma等离子设备-等离子表面处理机厂家-诚峰智造
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• 发布时间：2021-04-16
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【概要描述】        plasma能量密度对反应物CH4和CO2转化率、C2烃、CO收率的影响可见CH4和CO2转化率均随能量密度增大而呈上升趋势这意味着增加plasma等离子体功率和降低原料气流量，即增加能量密度，有利于提高CH和C02转化率。在能量密度为2200kJ/mol时，CH4和CO2转化率分别为43.6%和58.4%。         增加能量密度虽有利于提高CH4和CO2转化率，既有利甲烷C-H键的断裂（4.5eV）和二氧化碳的C-O键的断裂（5.45eV），但对两者的影响并不相同。当能量密度低于1500KJ/mol时，相同试验条件下CH4转化率高于CO2转化率，说明在较低能量密度下，体系中高能电子的平均能量较低，多数电子能量与甲烷 C-H键的平均键能相近而低于二氧化碳C-O键的裂解能，因此CH4转化率高于CO2转化率。当能量密度高于1500 kJ/mol时，体系内电子平均能量上升，多数电子能量渐渐接近二氧化碳C-O键的裂解能，CO2转化率迅速提高。同时， CH4转化率随能量密度增加呈对数上升趋势，CO2转化率随能量密度增加呈直线上升趋势。这可能与甲烷、二氧化碳在plasma等离子体下裂解特性有关，甲烷为逐次裂解，即转化一个甲烷分子往往要消耗多个高能电子，二氧化碳主要为一次裂解，转化一个二氧化碳分子所消耗高能电子数低于甲烷。对甲烷转化而言应选择较低的能量密度。         能量密度对C2烃、CO收率的影响，随能量密度增加两者均呈线性上升趋势，且CO收率的直线斜率明显高于C2烃收率的直线斜率。对于C2烃收率，当能量密度由350 kJ/mol 增至2200 k.J/mol时，C2烃收率由5.7%增至20.6%，增加近15个百分点。对于CO收率，当能量密度由350 kJ/mol增至2200 kJ/mol时，CO收率由11.6%增至76.4%，增加近65个百分点。这说明在实验所考察的能量范围内，提高能量密度，有利于提高C2烃和CO收率，但从能耗角度考虑，仅以产物收率衡量反应效率是不全面的，因此有必要引入能量效率这个物理量评价plasma等离子体作用下CO2氧化CH4转化反应。         由于在实验条件下，未能得到CO2转化为C2烃的直接证据，可认为C2烃来源于甲烷的偶联反应：         CH4 → 0.5C2H6+0.5H2    ∆H11 =32.55kJ/mol    (4-2）         CH4 → 0.5C2H4+1H2    ∆H12=101.15kJ/mol    （4-3）         CH4 → 0.5C2H2+1.5H2    ∆H13=188.25kJ/mol    （4-4）         将上述三个反应式耦合并考虑到C2烃产物分布，甲烷偶联形成C2烃总反应式可表示为          CH4 → 0.5n11C2H6+0.5n12C2H4+0.5n13C2H2+(2-1.5n11-n12-0.5n13)H2         ∆H1=(32.55n11+101.15n12+188.25n13)kJ/mol    (4-5)         式(4-5)中n11、n2、n3分别代表：n11为C2烃产物中C2H6的摩尔分数，mol/%； n12为C2烃产物中C2H4的摩尔分数，mol/%；n13为C2烃产物中C2H2的摩尔分数 mol/%。         CO应来源于反应式(4-6)：         CO2 → CO + 0.5O2        ∆H2=283kJ/mol    （4-6）         显然，反应式(4-5)和式(4-6)均为吸热反应，其能量效率分别为         ηc2=[(∆H1 x Yc2  x F)/P ] x 100    (4-7)           ηco=[(∆H1 x Yco  x F)/P ] x 100    (4-8)           式中，P为plasma等离子体功率(kJ/s)；F为原料气体摩尔流量(mol/s)；P/F为能量密度(kJ/mol).         根据式(4-7)和式(4-8)获得能量效率与能量密度关系可见，脉冲电晕plasma等离子体可强化CO2氧化CH4反应，提高反应物转化率，对C2烃收率而言，能量效率随能量密度增加逐渐降低，且整体数值较低(ηc2为2%~4%；ηco为8%~9%)。因此在脉冲电晕plasma等离子体作用下CO2氧化CH4反应中不能单纯依靠提高能量密度提高产物收率，而应在不增加能量密度前提下，通过其他途径提高产物收率。