热等离子体裂解丙烷制乙炔数学模拟

为了对反应器的停留时间进行合理优化,将旋转弧等离子体反应器视为一维平推流反应器网络模型,结合裂解反应动力学模型与反应器流动模型,采用CHEMKIN-PRO对丙烷的裂解过程进行数值模拟,用于分析热等离子体反应器内丙烷的裂解过程中产物的浓度分布及温度分布情况。反应动力学模型分别采用均相反应动力学模型和非均相反应动力学模型。模拟结果表明,包含结焦模型的非均相反应动力学模型与实验结果表现出更好的一致性,随着反应器长度的增加,乙炔浓度存在最佳点。通过降低反应器的停留时间至1.0 ms以下,能有效提升C_2H_2收率。     

热等离子体裂解甲烷制乙炔过程的数值模拟

针对热等离子体甲烷裂解过程,建立了直流电弧反应器的数值模型,使用磁流体力学理论对反应器内的电弧和流场进行数值模拟,考察了电弧运动变化的规律和射流场特点,并分别耦合热力学平衡模型和宏观动力学模型探索了裂解反应的特点及其与电弧的相互影响关系。结果表明反应器内电弧做规律运动和形态变化,惰性无反应气氛下电弧形态变化不显著,运动平稳。放电区发生反应时,一方面气体的组成及热力学性质发生迅速变化,气体放电特性受到影响,等离子体的稳定性下降,化学反应是等离子体不稳定性的重要来源。另一方面,反应和扩散的特征时间小于电弧运动变化的特征时间,各物质在空间的分布较为均匀,受温度场非均匀性的影响较小,模拟的甲烷转化率和乙炔收率与实验结果相近。本工作尤其是等离子体物理模型与甲烷裂解化学反应模型的耦合,为理解热等离子体裂解相关过程提供了直接的帮助和指导。     

基于详细反应机理的甲烷部分氧化制乙炔过程模拟

基于Curran详细反应机理,采用CHEMKIN软件对贫氧条件下的甲烷非催化部分氧化过程进行了模拟. 在预热温度为873 K、氧气/甲烷摩尔比为0.55的工业反应器操作条件下,模拟得到的最大乙炔浓度为7.6%(mol),与工业数据相符. 分析了操作参数对自燃诱导时间和产物浓度的影响. 结果表明,当预热温度为823 K时,最大乙炔浓度为7.8%(mol);1023 K时为8.4%(mol). 乙炔浓度在达到最大值后快速下降,因此必须在最大值时通过淬冷等措施及时终止反应以获得最大乙炔收率.     

流向变换催化燃烧反应器的热波特性

在小型中试装置上利用国产催化剂进行了含混合芳烃模拟工业废气的脱毒实验研究,在污染物浓度490～3920mg•m^-3、换向周期15～60min、空速（2.4～9.6）×10³h^-1和气体流速0.340～1.359m•s^-1的宽广范围内系统地考察了流向变换催化燃烧反应器的操作特性,特别是热波特性与操作参数如进料浓度、气速和换向周期之间的相互关系.结果表明,凡是影响一个周期内反应器热平衡的操作参数都有可能显著地影响反应段的温度水平.为这一类反应器的科学设计、优化操作和模型化研究奠定了中试基础.     

浆态光催化反应器有机模拟废水光催化氧化特性与动力学

采用循环式浆态光催化反应器对苯甲酰胺模拟废水光催化氧化特性和动力学进行了研究,系统地考察了操作条件对模拟污染物光催化降解的影响,并与搅拌式和鼓泡床式浆态光催化反应器中苯甲酰胺的降解效果进行对比.结果表明,循环式浆态光催化反应器中光催化剂的用量、污染物的初始浓度和初始pH值对模拟污染物光催化降解性能的影响存在适宜值;体系中H₂PO^-₄、Cl^-、Cu²⁺、Al³⁺对其光催化降解过程有明显的抑制作用.与传统的搅拌式和鼓泡床式浆态光催化反应器相比,循环式浆态光催化反应器中催化剂和废水的混合效果较好,光利用率高,较大程度上减少催化剂的用量和提高废水处理能力.同时,对不同催化剂的用量和污染物初始浓度下的光催化氧化反应动力学研究表明,此过程符合拟一级动力学,催化剂表面反应速率常数k₀和催化剂吸附平衡常数K_TiO2分别为0.0279 min^-1和17.99 L•g^-1.     

厌氧氨氧化固定床反应器脱氮性能和过程动力学特性

进行了厌氧氨氧化固定床反应器的运行性能试验,分析了其过程动力学特性。接种反硝化污泥,用模拟废水可成功启动该反应器。当进水总氮浓度为608 mg·L^-1,水力停留时间为2 h,总氮负荷为7.34 kg·m^-3·d^-1时,反应器获得最大基质去除速率6.11 kg·m^-3·d^-1。二级动力学模型和改进的Stover Kincannon模型均适用于非基质抑制状态下的厌氧氨氧化反应器过程模拟。Stover Kincannon模型动力学分析表明,这种反应器的最大基质去除速率可达12.4 kg·m^-3·d^-1,具有较大的脱氮潜能。     

提高等离子体裂解煤制乙炔收率的方案研究

将反应体系的温度升高到升华点以上 ,是提高等离子体裂解煤制乙炔收率的必由之路 .采用最小自由能方法研究了煤的 C- H- O热力学平衡体系 ,在此基础上提出了一种以煤层气甲烷为冷却剂的等离子体裂解煤制乙炔方案 ,初始反应体系的温度在 40 0 0 K以上 .理论的计算和分析结果表明 ,这种方案可获得较高的乙炔收率 ,而单位质量乙炔的比能耗很低 ,具有很好的经济效益和环境效益 .     

微通道反应器内氢气催化燃烧

在微尺度化学反应器内对氢气/空气催化燃烧反应进行了研究,考察了操作条件对反应行为的影响,并建立相应的数学模型,同时也对该类反应器应用于强放热反应过程的动力学研究进行初步的探讨.实验过程中H2入口浓度为3% (mol)～15%（mol）,结果表明微通道反应器可使处于爆炸极限内的氢氧催化燃烧反应在高空速、低压降、等温及动力学控制区内安全地进行.在H₂入口浓度8%（mol）、反应温度150 ℃、空速1.0×10⁶ h^-1条件下,转化率高达90%.     

基于Aspen Plus的焦炉气制甲烷工艺模拟与分析

利用Aspen Plus模拟软件对焦炉煤气制甲烷工艺进行了流程模拟。分析了甲烷化反应压力、过热蒸汽与反应进料气质量比对反应器出口温度和甲烷产量的影响。结果显示,当反应压力在10×103kPa³0×103kPa时,可调控两个反应器出口温度范围均为0℃30×103kPa时,可调控两个反应器出口温度范围均为0℃⁵0℃,甲烷产量变化很大;当过热蒸汽与反应进料气质量比在0.0550℃,甲烷产量变化很大;当过热蒸汽与反应进料气质量比在0.05⁰.40时,可调控第一、二级反应器出口温度范围分别为0℃0.40时,可调控第一、二级反应器出口温度范围分别为0℃⁵0℃和0℃50℃和0℃²5℃,甲烷产量变化不大。     

煤粉高温快速裂解过程的颗粒内部传递行为

热等离子体裂解煤制乙炔为超高温毫秒级反应过程,煤粉升温及脱挥发分过程直接决定了反应器的乙炔产率和经济性。建立了描述单颗粒煤粉高温快速裂解过程的机理模型,综合考虑了颗粒自身导热阻力及挥发分逸出煤粉所伴生的热阻效应。模型预测表明颗粒内部传热阻力显著影响煤粉的热裂解过程,与忽略颗粒内部传热阻力相比,脱挥发分时间减慢30%～40%,且颗粒粒径增大该影响越加明显;提高供热流体温度可加速、加强煤裂解反应深度。针对毫秒级煤裂解过程,大于100μm的煤粉或者低于2000K的热流体温度均难于实现满意的脱挥发分行为,所得结果为反应器的设计和操作提供了重要的指导。     

甲烷非催化部分氧化制乙炔和合成气过程的实验研究

通过探头取样和四极杆质谱在线测量甲烷、氧气和乙炔等组分的浓度分布,考察了氧气/甲烷(甲烷+乙烷/丙烷)摩尔比、气体预热温度及原料气中添加乙烷和丙烷对甲烷非催化部分氧化制乙炔和合成气的影响. 结果表明,随轴向距离增加,乙炔浓度先增大后减小,存在最大值;随氧气/甲烷(甲烷+乙烷/丙烷)摩尔比增加,乙炔选择性下降;升高混合气体预热温度产物中乙炔浓度增大,620℃时最大乙炔浓度为4.52%;添加乙烷和丙烷时产物中乙炔浓度基本不变,但甲烷消耗量下降. 在实验条件下,生成最大乙炔浓度的激冷位置距烧嘴出口的距离约为80 mm.     

Experimental and numerical investigation on the pyrolysis of single coarse lignite particles

This paper reports on the mathematical modeling of the pyrolysis of single coarse lignite particles using a kinetics model coupled with a heat transfer model. The parallel reaction kinetics model of the lignite pyrolysis makes no assumptions about the activation energy distribution and the conversion of sub-reactions. The pyrolysis kinetics parameters were obtained on the basis of experimental data from thermogravimetric analysis (TGA) tests. The heat transfer model includes diffusive, convective and radiative heat transfer modes. The experimental investigations were carried out for single lignite particles in an electrically heated reactor. Measurements of the temperature and mass loss were performed during the pyrolysis in a nitrogen atmosphere. The model predictions for the temperature and mass loss histories agree well with the experimental data, verifying that the mathematical model accurately evaluates the pyrolysis of lignite particles. The effects of temperature and particle size on the pyrolysis time and final residual mass fraction were evaluated using the numerical model.     

电场增强等离子体作用下甲烷转化动力学研究

Methane conversion was studied with electric field enhanced plasma (EFEP) technique at the atmosphere pressure and low temperature ranging from 323 K to 373 K. The conversion of methane is up to 60%-80%. The kinetics of methane conversion was studied using naicroreactor. The reaction model of power function type was obtained as: r = 90.99exp (-26980/RT)C0226A(mol·m-3·s-1). The global kinetics parameters were calculated by the variable simple-pure shape method. The calculating results are in good agreement with experimental data.     

热等离子体煤制乙炔裂解气烃类循环过程分析

针对等离子体煤裂解制乙炔过程, 提出了将过程裂解气中副产的烃类分离, 循环输入等离子体反应器的新型工艺流程。基于新疆天业2 MW示范平台装置的典型运行参数, 采用热力学分析手段, 理论上分析了该工艺流程对于体系乙炔产量、单位质量乙炔煤耗和裂解电耗等的影响。结果表明, 裂解气烃类循环可以有效提高裂解气中乙炔浓度和产率, 同时减少煤粉输送气等流程气体的使用。典型操作条件下, 采用裂解气烃类循环工艺可以增加35.6%的乙炔收率和13.4%的氢气收率, 降低30%的单位乙炔煤耗和裂解电耗, 是高效可行的优化方案。     

煤等离子热解制乙炔工艺工程应用研究

煤等离子热解制乙炔工艺工程应用研究是该工艺产业化的重要方面。确定乙炔生产过程的评价指标,并应用德尔菲法建立煤等离子热解制乙炔工艺实施环境综合评价模型。选取在某燃煤电厂实施煤在等离子反应器中热解制乙炔方案、独立的煤在等离子反应器中热解制乙炔方案、利用煤→电石→乙炔方案这3个方案进行技术经济比较,综合评价向量为{0.447,0.403,0.150}。因此,燃煤电厂是实现煤在等离子反应器中热解制乙炔工艺的理想场所。     

热等离子体热解煤焦油制乙炔

利用热等离子高温、高焓等特性热解煤焦油制乙炔是一条清洁高效的乙炔生产技术。在实验室对热等离子体热解煤焦油反应中的原料进样温度、反应气氛、输入比焓等关键因素展开了研究。结果表明,热等离子体可将煤焦油直接转化为乙炔及其他小分子气态产品,预热煤焦油可改善其流动性从而提高煤焦油和等离子体射流的初始混合效率;氢等离子体的加入可显著提高煤焦油转化率和乙炔收率并减少结焦;随着输入比焓的增加,煤焦油转化率、乙炔收率和气态产品总收率均得到提高。在实验中得到的煤焦油转化率最高为86.3%,乙炔收率最高为24.6%,气态产品总收率最高为51.7%。煤焦油在热等离子体的热解过程中副产乙烯,乙烯收率达到7.9%。乙炔收率和乙烯收率的比值可用于预测气相体系温度。     

Methane steam reforming in a Pd-Ru membrane reactor

Methane steam reforming has been carried out in a Pd-Ru membrane reactor at 500–600 ‡C. The membrane reactor consisted of a Pd-6%Ru tube of 100 mm wall thickness and commercial catalysts packed outside of the membrane. The methane conversion was significantly enhanced in the membrane reactor in which reaction equilibrium was shifted by selective permeation of hydrogen through the membrane. The methane conversion at 500 ‡C was improved as high as 80% in the membrane reactor, while equilibrium conversion in a fixed-bed reactor was 57%. The effect of gas flow rate and temperature on the performance of the membrane reactor was investigated and the results were compared with the simulated result from the model. The model prediction is in good agreement with the experimental result. In order to apply the membrane in practice, however, the thickness of the membrane has to be reduced. Therefore, the effect of membrane thickness on performance of the membrane reactor was estimated using the model.     

玄武岩催化甲烷裂解制 C2 烃

以天然玄武岩为甲烷裂解催化剂,通过XRF、XRD、SEM及XPS对催化剂组成、结构、表面活性物种进行了研究。利用固定床反应装置考察了不同反应温度、空速条件下玄武岩催化甲烷裂解制C_2烃的效果。结果表明,在气体空速为4 L·h-1条件下,当反应温度为1 225 K时,甲烷的转化率为7.66%,C_2烃的选择性为33.64%;当反应温度升至1 325 K时,甲烷的转化率可达17.13%,同时C_2烃的选择性为27.21%。相同温度下,气体空速越大,乙烷的选择性越高,乙炔的选择性越低。催化剂活性因表面积炭的产生而降低,积炭类型为芳烃积炭。     

Thermodynamic analysis of coal pyrolysis to acetylene in hydrogen plasma reactor

A systematic re-examination of the thermodynamic study on the process of coal pyrolysis to acetylene in a hydrogen plasma reactor was performed with referenced pilot-plant data at the scale of 2-MW plasma. At the ultra-high temperature conditions, the gas phase composition may reach thermodynamic equilibrium immediately no matter whether the solid carbon exists or not. The mass ratio of C/H in the gaseous phase plays a significant role in the acetylene concentration at the thermodynamic equilibrium states. It is demonstrated either in thermodynamics calculation or in hot tests that a mass ratio of C/H near or above 2 is essential to gain an acceptable concentration of acetylene in the mixed gases, which indicates that the mixing efficiency between gas and coal particles near the coal injection point becomes pivotal to the yield of acetylene for its direct influence on the devolatilization of coal, i.e., the gaseous C/H ratio. Being consistent with the hot test experience, the extra amount of water added into the system may inhibit the production of acetylene. However, the addition of methane might impose a positive effect on the yield of acetylene and therefore on the overall reactor performance.     

Conversion of natural gas to liquids via acetylene as an intermediate

This paper describes an experimental investigation of the conversion of natural gas to liquid transportation fuels through acetylene as an intermediate. The first step is the direct thermal conversion of methane to acetylene utilizing a thermal plasma heat source to dissociate the methane. The dissociation products react to form a mixture of acetylene and hydrogen. Significant improvements over the prior art were observed; these improvements may be attributed to an improved methane injection configuration and minimization of radial temperature gradients. Conversion efficiencies (percent methane converted) approached 100% and acetylene yields in the 90-95% range with 2-4% solid carbon production were obtained. A variety of methods were examined for the second step, the conversion of acetylene to liquid products. The most promising technology was the reaction of acetylene with hydrogen over a shape-selective zeolite to form C₃-C₅+ aliphatics.