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纯乙烷在plasma等离子体在低温常压下作用下可发生脱氢反应

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发布时间：

2021-04-13

纯乙烷在plasma等离子体在低温常压下作用下可发生脱氢反应：
表3-1为部分C-C和C-H化学键的解离能。在大气压脉冲电晕等离子体条件下，C2H6转化率和C2H2收率随能量密度增加而不断增加，C2H4收率略有增加，而 CH4收率随等离子体能量密度的增加变化不大。当等离子体能量密度为860kJ/mol 时，C2H6转化率为23.2%，C2H4和C2H2收率之和为11.6%。一般认为在流动式等离子体反应器中，当反应气体流速一定时，体系中高能电子密度及其平均能量主要决定于等离子体能量密度。等离子体功率增加，体系内高能电子密度及其平均能量增大，高能电子与C2H6分子的弹性和非弹性碰撞概率及所传递能量增加， C2H6的C-H键及C-C键断裂可能性增大，其断裂所形成的自由基浓度亦随之增大，自由基复合形成产物的概率随之增大。因此C2H6转化率及C2H2收率随着等离子体功率增加呈上升趋势。C2H4收率和CH4收率随等离子体注入功率的增加上升趋势不明显可能与C2H4和CH4是反应的初级反应产物，并且C2H2稳定性较高有关。

诚峰智造低温plasma等离子体
表3-1部分C-C和C-H化学键的解离能

化学键	解离能/（kJ/mol)	解离能/（eV/mol)
CH3—CH3	367.8	3.8
C2H5—H	409.6	4.2
CH2=CH2	681.3	7.1
C2H3—H	434.7	4.5
CH≡CH	964.9	10.0
C2H—H	501.7	5.2

纯C2H6在等离子体条件下转化反应的主要气相产物是：C2H4、C2H2、H2和 CH4，固体产物是积碳。为了探讨等离子体作用下纯乙烷转化反应的可能机理，在相同等离子体条件下考察了纯乙烯的转化反应，其反应的主要产物是：C2H2和CH4及少量积碳。根据上述实验事实，结合等离子体作用下甲烷转化反应机理及等离子体特性，推测C2H6在等离子体条件下转化反应的历程如下。
（1）等离子体场产生高能电子。自由电子在电场E作用下加速，生成高能电子e*：
   e + E → e*       （3-26）
（2）引发自由基反应。高能电子与乙烷分子发生弹性、非弹性碰撞。依据高（3-26）能电子能量不同，碰撞导致乙烷分子动能或内能增加，后者使乙烷的C-H、C-O 键断裂，生成各种自由基：
C2H6 + e* → C2H5 + H + e （3-27）
C2H6 + e* → 2CH3 + e （3-28）
根据表3-1中化学键解离能数据，反应式（3-28）（C-C键断裂）比反应
式（3-27）（C-H键断裂）更易进行。
（3）链传递反应：
H + C2H6 → C2H5 + H2       (3-29)
CH3 + C2H6 → C2H5 + CH4   (3-30)
CH3 + e* → CH2 + H           (3-31)
CH2 + e* → CH + H           (3-32)
CH + e* → C + H               (3-33)
（4）链终止反应：
CH3 + H → CH4               (3-34)
CH2 + CH2 → C2H4           (3-35)
CH3 + CH → C2H4               (3-36)
CH + CH → C2H2               (3-37)
低温常压下，纯乙烷在等离子体作用下可发生脱氢反应，生成乙炔、乙烯、少量甲烷和积碳，但存在转化率较低，反应器壁有积碳形成等问题。依据化学催化条件下乙烷脱氢反应机理，对等离子体条件下乙烷脱氢反应而言，乙烷C-H键的优先断裂，形成C2H5自由基，C2H5自由基进一步脱氢生成乙烯是乙烷脱氢反应在实际应用中的关键途径。因此添加气体和等离子体共同作用对乙烷脱氢反应的影响就显得尤为重要。