微波技术在甲烷转化过程中的应用

【摘要】： 甲烷储量丰富，对其转化的研究具有重要的理论和实际意义，本论文将微波技术应用于甲烷转化过程中，主要在微波加热甲烷氧化偶联反应和常压微波放电甲烷转化反应两个方面作了一些探索性工作。 研究工作中首次发现一种在微波场下显示出独特的甲烷氧化偶联反应活性的催化剂—LiCl／SiO_2，其在微波加热下甲烷氧化偶联反应的产物中含大量的乙炔，乙炔选择性可高于乙烯，而电炉加热反应的C2烃产物主要为乙烯，而且在相同反应气体组成和空速下，该催化剂在微波加热下反应所能取得的总C2烃产率(15.1％)高于常规电炉加热下的最高反应结果(10.9％)。我们以此催化剂作为研究重点，通过在线质谱、XRD、物理吸附、红外测温等手段和技术证明了固体催化剂在微波加热下存在微波热点效应，指出微波热点效应是催化剂在微波加热下反应活性不同于常规电炉加热的主要原因。 通常连续微波放电下甲烷转化反应在负压下进行，我们自行设计了一种常压微波放电反应器，实现了甲烷在常压连续微波放电下的转化。本论文考察了这种常压微波放电下的甲烷转化过程。实验结果显示纯甲烷气体、甲烷和氢气混合气作为反应原料气时甲烷转化的主要产物为乙炔。氢气能够抑制甲烷转化过程中积碳的生成，促进甲烷的转化，C2烃的单程产率可达54.2％，而在SiO_2催化剂存在下能够获得70.6％的C2烃产率。甲烷和二氧化碳混合气及甲烷和氧气混合气在常压微波放电下反应的主要产物是CO和H_2，催化剂的存在能够促进甲烷和CO_2的转化。实验借助在线质谱检测手段对纯甲烷，甲烷和氢气、二氧化碳、氧气混合气在常压微波放电下各自的反应过程和机理进行了考察和探讨。另外本论文还对一种从甲烷合成纳米碳管的新方法一常压微波放电增强化学沉积法进行了初步考察。 【关键词】：甲烷 乙炔 乙烯 微波 放电
【学位授予单位】：中国科学院大连化学物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2001
【分类号】：TQ203
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-6
• 目录6-11
• 第一章 绪论11-35
• 1．1 微波等离子体技术在甲烷转化过程中的应用12-21
• 1．1．1 非氧化气氛下甲烷微波等离子体反应13-17
• 1．1．2 含氧气氛下的甲烷微波等离子体转化17-19
• 1．1．3 其他关于甲烷微波等离子体的转化反应19-20
• 1．1．4 甲烷在微波等离子体中转化的机理研究20-21
• 1．2 微波加热技术在甲烷转化过程中的应用21-27
• 1．2．1 微波加热催化甲烷氧化偶联反应22-23
• 1．2．2 微波加热催化甲烷转化制合成气23-25
• 1．2．3 微波加热催化甲烷无氧转化反应25-26
• 1．2．4 微波加热催化甲烷转化反应的机理研究26-27
• 1．3 本论文的研究工作和目的27-29
• 参考文献29-35
• 第二章 微波加热下的甲烷氧化偶联反应35-73
• 2．1 实验部分36-41
• 2．1．1 催化剂的制备36-37
• 2．1．2 催化剂的活性评价37-41
• 2．2 吸波材料和催化剂的吸波性质对微波辐照甲烷氧化偶联反应的影响41-44
• 2．3 LiCl改性的系列甲烷氧化偶联催化剂的催化性能一微波加热与常规电炉加热反应结果的比较44-57
• 2．4 Li／SiO_2催化剂微波辐照下的甲烷氧化偶联反应57-69
• 2．4．1 SiO_2负载不同Li盐催化剂的微波加热甲烷氧化偶联反应性能57-59
• 2．4．2 不同Li含量的LiCl／SiO_2催化剂微波场下甲烷氧化偶联的反应性能59-61
• 2．4．3 甲烷氧气摩尔比对LiCl／SiO_2微波加热下甲烷氧化偶联反应活性的影响61-63
• 2．4．4 空速对LiCl／SiO_2催化剂的微波加热及电炉加热甲烷氧化偶联反应的影响63-66
• 2．4．5 助剂添加对微波辐照下Li／SiO_2催化剂甲烷氧化偶联反应性能的影响66-69
• 2．5 小结69-72
• 参考文献72-73
• 第三章 微波加热催化甲烷氧化偶联反应的在线质谱研究及机理探讨73-114
• 3．1 实验部分74-79
• 3．1．1 药品仪器74
• 3．1．2 催化剂的制备74
• 3．1．3 在线质谱反应研究74-78
• 3．1．3．1 实验装置及实验过程74-75
• 3．1．3．2 质谱数据处理75-78
• 3．1．4 XRD、BET及DTA实验78-79
• 3．2 LiCl／Nd_2O_3催化剂在电炉加热和微波加热下的在线质谱检测结果79-87
• 3．2．1 LiCl／Nd_2O_3催化剂在电炉加热下的在线质谱检测结果79-83
• 3．2．2 LiCl／Nd_2O_3催化剂在微波加热下的在线质谱检测结果83-87
• 3．3 LiCl／SiO_2催化剂在电炉加热和微波加热下的在线质谱检测结果87-96
• 3．3．1 LiCl／SiO_2催化剂在电炉加热下的甲烷氧化偶联反应在线质谱检测结果89-92
• 3．3．2 LiCl／SiO_2催化剂在微波加热下的甲烷氧化偶联反应在线质谱检测结果92-96
• 3．4 微波加热下的微波热点效应96-111
• 3．4．1 微波热点的产生96-107
• 3．4．2 微波热点效应与催化活性107-111
• 3．5 小结111-113
• 参考文献113-114
• 第四章 甲烷在常压微波放电下的转化114-146
• 4．1 实验部分114-121
• 4．1．1 实验所使用的试剂和仪器114-115
• 4．1．2 实验装置115-117
• 4．1．3 实验过程117
• 4．1．4 数据处理117-121
• 4．2 常压微波放电下甲烷的转化121-142
• 4．2．1 常压微波放电下纯甲烷的转化121-123
• 4．2．2 氢气对微波放电下甲烷转化的影响123-129
• 4．2．2．1 反应气体中氢气量对甲烷转化的影响123-125
• 4．2．2．2 反应气体流速对甲烷和氢气混合气常压微波放电反应的影响125-127
• 4．2．2．3 催化剂对甲烷和氢气混合气在常压微波放电下反应的影响127-129
• 4．2．3 二氧化碳对微波放电下甲烷转化的影响129-135
• 4．2．3．1 反应气体中二氧化碳含量对微波放电下甲烷转化的影响129-131
• 4．2．3．2 反应气体流速对常压微波放电下甲烷和二氧化碳转化的影响131-133
• 4．2．3．3 催化剂对常压微波放电下甲烷和二氧化碳转化的影响133-135
• 4．2．4 氧气对常压微波放电下甲烷转化的影响135-139
• 4．2．4．1 反应气体中氧气含量对常压微波放电下甲烷转化的影响135-137
• 4．2．4．2 反应气体流速对常压微波放电下甲烷和氧气混合气反应的影响137-139
• 4．2．5 常压微波放电甲烷转化的能量效率139-142
• 4．3 小结142-144
• 参考文献144-146
• 第五章 常压微波放电下甲烷反应的机理探讨146-167
• 5．1 常压微波放电下甲烷的转化147-152
• 5．2 氢气和甲烷混合气在常压微波放电中的反应过程152-155
• 5．3 二氧化碳和甲烷混合气在常爪微波放电中的反应过程155-160
• 5．4 氧气和甲烷混合气在常压微波放电中的反应过程160-164
• 5．5 小结164-165
• 参考文献165-167
• 第六章 常压微波放电增强的化学气相沉积法从甲烷合成纳米碳管167-174
• 6．1 实验部分167-169
• 6．1．1 实验所使用的试剂和仪器167-168
• 6．1．2 催化剂的制备168
• 6．1．3 常压微波放电增强气相化学沉积制备纳米碳管反应器168-169
• 6．1．4 常压微波放电增强气相化学沉积制备纳米碳管反应及实验过程169
• 6．2 反应结果与讨论169-173
• 6．2．1 常压微波放电增强气相化学沉积法制备的纳米碳管和碳纤维形态169-170
• 6．2．2 常压微波放电增强气相化学沉积法生长的碳纤维形态170-172
• 6．2．3 常压微波放电增强气相化学沉积法的特点和纳米碳管及碳纤维形态特点172-173
• 6．3 小结173
• 参考文献173-174
• 第七章 结论174-177
• 作者简介和发表文章状况177-179
• 致谢179

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