滑动弧等离子体反应器和等离子体定向转化甲烷生成烯烃的方法与流程

本发明涉及能源化工领域，具体涉及一种滑动弧等离子体反应器和一种等离子体定向转化甲烷生成烯烃的方法。

背景技术：

1、等离子体甲烷转化技术在国内从上世纪80年代开始研究，从2000年开始逐渐形成专利技术。

2、cn100999432a公开了离子液体催化等离子体甲烷转化制c2烃的方法，该专利在2015年终止专利权。

3、cn101734620a公开了一种富甲烷气等离子体制氢气的方法，该专利于2014年终止专利权。

4、西南化工研究设计院公布了一系列等离子体裂解甲烷的专利技术(cn210367505u、cn109294284a、cn106478332a、cn101921163a)，主要针对等离子体转化甲烷制备炭黑或乙炔与氢气工艺进行开发，更加侧重的是工艺的设计与优化。

5、清华大学、太原理工大学以及新疆天业集团联合开发了等离子体裂解煤制乙炔工艺(cn203582763u、cn102068953a、cn101734620a、cn101550057a、cn101734995a、cn1613839a)，主要使用煤做原料，天然气辅助制备乙炔与氢气，其工作气为氢气。

6、浙江大学主要针对等离子体在线清焦的方法进行了开发(cn104056828a、cn104056829a)，可通入co2或h2，去除电极表面积碳。还开发了一种旋转弧等离子体裂解甲烷制备乙炔(cn103333044a、cn101844744a)，工作气体旋转进入放电间隙，同时外部采用磁场驱动，发生毫秒级裂解。

7、目前，国外的相关研究表明，等离子体转化甲烷形成的烃类产物主要分为两类，一类以乙烷等烷烃为主，一类以乙炔为主。

8、研究者发现，通过改变进气流量或掺入惰性气体能够调节产物分布。该技术在国外已经实现工业化，其中包括四种工艺：huels法、avco法、du pont法和罗马尼亚法。

9、通过文献对比发现，利用电弧产生高温裂解天然气生成乙炔，其电能利用率低，每生产1吨乙炔约耗电能13900kwh，占成本50％以上，因此改变反应器结构达到节能降耗的目的，是国外专利文献中进行创新的重点之一。

10、在上述技术的基础上，后续逐渐开发了一系列“温”等离子体技术以及冷等离子体技术，通过改变能量发生形式，降低能耗，并加入催化剂进行耦合作用，定向转化甲烷为目标产物。目前该工艺仍在探索中。

11、thanyachotpaiboon等(conversion of methane to higher hydrocarbons inac nonequilibrium plasmas[j].aiche journal,1998,44(10):2252-7.)在室温下使用dbd放电进行了甲烷转化的研究，并考察了添加he和c2h6对甲烷放电转化的影响。单纯ch4作为反应物时，随放电电压增加(6→11kv)，ch4转化率增加，产物选择性变化不大：产物主要为c2h6、c3h8；在ch4流速20ml/min、放电电压11kv时获得的ch4转化率约23％，产物c2h6、c3h8、c4h10、c2h4的选择性分别为40％、15％、5％、2％。

12、rueangjitt n等(non-oxidative reforming of methane in a mini-glidingarc discharge reactor:effects of feed methane concentration,feed flow rate,electrode gap distance,residence time,and catalyst distance[j].plasma chemplasma process,2011,31(4):517-534.)采用刀片式滑动弧转化甲烷，主要产物为乙炔，在功率为110-190w条件下，甲烷转化率为40％-50％，c2h2选择性为20％。

13、然而等离子体直接转化甲烷制烯烃目前还未见现有技术报道。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的定向转化甲烷生成烯烃的转化效率低的缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种滑动弧等离子体反应器，该反应器包括反应器入口、弧面电极滑动弧发生器、下部反应区和产物出口，所述弧面电极滑动弧发生器包括气体喷嘴、弧面电极和底座；

3、其中，所述弧面电极滑动弧发生器的所述底座上设置有对称分布的至少2个所述弧面电极，使得所述弧面电极之间能够形成放电区域；所述底座上设置有所述气体喷嘴，使得反应气体能够由所述反应器入口经过所述气体喷嘴进入所述滑动弧等离子体反应器中；以及

4、所述弧面电极的弧面结构对应的圆心角为α，其中，360°≥α＞0°；且对称分布的每2个所述弧面电极的所述弧面结构彼此对应以能够发生放电。

5、本发明第二方面提供一种等离子体定向转化甲烷生成烯烃的方法，该方法在上述第一方面所述的滑动弧等离子体反应器中实施，该方法包括：

6、在等离子放电条件下，将含有甲烷的反应气体通过所述反应器入口和所述气体喷嘴引入至所述滑动弧等离子体反应器中，使得所述反应气体依次通过所述弧面电极形成的放电区域和所述下部反应区以进行甲烷转化反应，反应后获得的产物由所述产物出口引出所述滑动弧等离子体反应器。

7、与现有技术相比，本发明提供的方案至少具有如下优势：

8、(1)本发明提供的前述滑动弧等离子体反应器采用弧面电极形成放电区域，其放电成弧点在曲面上，从而形成的电弧通道更多，具有更强的反应物转化能力；

9、(2)本发明提供的前述滑动弧等离子体反应器能够使原料气更加集中地经过弧面电极形成的放电区域，从而有效增加通过该放电区域的气体流量，提高反应物的转化效率；

10、(3)本发明提供的前述滑动弧等离子体反应器能够在较高的反应物转化效率下实现甲烷一步转化高效生成烯烃，并可维持反应的持续和稳定进行，并且相比传统甲烷制烯烃工艺，无co2产生，没有燃爆风险，更加安全环保。

11、本发明的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种滑动弧等离子体反应器，其特征在于，该反应器包括反应器入口(1)、弧面电极滑动弧发生器、下部反应区(4)和产物出口(5)，所述弧面电极滑动弧发生器包括气体喷嘴(2)、弧面电极(3)和底座(6)；

2.根据权利要求1所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述弧面电极滑动弧发生器的所述底座(6)上设置有对称分布的2个所述弧面电极(3)或6个所述弧面电极(3)。

3.根据权利要求1或2所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述弧面电极滑动弧发生器的所述底座(6)的中心设置有所述气体喷嘴(2)，所述气体喷嘴(2)与所述反应器入口(1)的进气管道相通。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述弧面电极(3)的所述弧面结构为半封闭弧面，该弧面对应的圆心角为α，且360°＞α＞0°；

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述弧面电极(3)的所述弧面结构为全封闭弧面；

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，形成所述气体喷嘴(2)的材料选自导电材料、绝缘材料中的至少一种，优选为绝缘材料。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，形成所述气体喷嘴(2)的材料为导电材料，且所述气体喷嘴(2)的出口位置在垂直方向上与所述弧面电极(3)无重叠。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，形成所述弧面电极(3)的材料为导电材料；

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述弧面电极(3)通过活动连接机构(7)与所述底座(6)相连接，使得所述弧面电极(3)能够在所述底座(6)的下方区域自由调节位置；

10.根据权利要求9所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述活动连接机构(7)垂直地与所述底座(6)连接。

11.根据权利要求9或10所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述弧面电极(3)与所述活动连接机构(7)之间为可转动连接，使得所述弧面电极(3)能够自由转动以调节角度；

12.根据权利要求1-11中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，对称位置的每2个所述弧面电极(3)的对称轴延长线内夹角θ为5°-160°，优选为10°-90°，更优选为30°-60°。

13.根据权利要求1-12中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，形成所述滑动弧等离子体反应器的外筒的材料选自绝缘材料、导电材料、设置有绝缘内衬的导电材料中的至少一种；

14.根据权利要求1-13中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，形成所述下部反应区(4)的材料为金属材料；

15.根据权利要求1-14中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述下部反应区(4)为能够设置有催化剂床层的反应区，所述催化剂床层的厚度使得通过原料气时的空速为1000-10000h-1，优选为5000-8000h-1。

16.一种等离子体定向转化甲烷生成烯烃的方法，其特征在于，该方法在权利要求1-15中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器中实施，该方法包括：

技术总结
本发明涉及能源化工领域，公开了滑动弧等离子体反应器和等离子体定向转化甲烷生成烯烃的方法，该反应器包括反应器入口(1)、弧面电极滑动弧发生器、下部反应区(4)和产物出口(5)，所述弧面电极滑动弧发生器包括气体喷嘴(2)、弧面电极(3)和底座(6)；所述底座(6)上设置有对称分布的至少2个所述弧面电极(3)。本发明提供的滑动弧等离子体反应器能够在进行转化甲烷生成烯烃时显著地提高甲烷的转化率，提高产物中乙烯的选择性，显著降低积碳，并且相比传统甲烷制烯烃工艺，无CO<subgt;2</subgt;产生，没有燃爆风险，更加安全环保。

技术研发人员：张婧,周明川,张铁,任君朋,徐伟,孙冰,李亚辉,孙峰,石宁,武传朋
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13