等离子体重整甲烷-二氧化碳制合成气实验报告.doc

“等离子体重整甲烷二氧化碳制合成气”实验报告学生姓名： xxxxxxxxx 班 级： 2010级工艺x班 学 号： xxxxxxxxxxx 实验组号： 二班xx组 同组姓名： xxxxxxxxxxxxxxx 实验时间： xxxxxxxxxxxxxxxxxxx 指导老师： 印 永 祥 撰写实验报告时间：xxxxxxxxxxxxxxx日 等离子体重整甲烷二氧化碳制合成气 合成气，由组成的混合气体，是生产甲醇、合成氨、乙酸、甲酸甲酯、二甲醚等多种化学产品的重要中间体。以天然气为原料制备合成气的途径主要有甲烷水蒸气重整、CH4-CO2重整。如式（1）、（2）所示， (1) (2)前者称为湿法重整，生产1mol CO至少要消耗1mol CH4；后者称为干法重整，由于使用CO2为碳源制备化学品，生产1mol CO只需消耗1mol CH4。显然，干法重整减少温室气体排放，符合低碳经济大趋势，是今后合成气生产技术发展的方向。然而，CH4和CO2均为稳定的惰性分子气体，且CH4-CO2重整制合成气反应是一个强吸热反应，该反应往往需要采用非常规手段才能获得可观的反应速率。研究表明，催化技术路线和等离子体技术路线被认为是实现CH4-CO2重整最有效的手段。1 实验目的1、认识等离子体发生方法，理解等离子体诱导化学反应的一般原理；2、认识气体传输一般性常识，掌握高压气瓶、减压阀、管道输送、流量控制、容器密封等化工使用方法；3、学习使用气相色谱采集实验数据的原理与方法，并通过数据处理获得反应转化率、选择性和收率。认识开展化工实验研究的一般方法；2 实验内容1 搭建实验流程1、 原料供应控制系统，包括从钢瓶通过减压阀将气体输送到转子流量计，从流量计计量后分别送入等离子体发生器和反应器；2、 等离子体发生器与电源的连接，等离子体发生器及反应装置的循环冷却水连接，反应后气体产物的排出管道安装。2 气相色谱分析原理与方法1、 理解用气相色谱分析气体混合物的原理；2、 掌握用气相色谱分析混合气体的方法，包括取样、进样，面积归一法，外标法，校正因子等概念；3、 根据气相色谱给出的各种气体的信息，使用校正因子计算混合气体中各组分的百分含量；3 实验运行、操作及实验数据处理1、实验运行与记录，计算每次反应的转化率、选择性、收率。2、完成实验报告或论文。3 实验原理热等离子体是指温度约为103104K的部分电离气体，具有热焓值高、温度高等特点，能提供了一个能量集中、温度很高的反应环境，可为强吸热反应过程提供足够的能量并加速化学反应进程。尽管甲烷和二氧化碳在常温下均为十分稳定的分子，但热力学计算表明，当温度超过1300K时，两者将发生快速的化学反应，其转化率将达到90%以上，且其产物主要是合成气。如图1所示。图1 甲烷、二氧化碳体系的热力学平衡图C/H/O=1:1.6:1.2（CH4/CO2=4:6）4 实验装置及流程实验设备：系统，30KW等离子体发生器，等离子体反应器，气相色谱，气体输送系统，换热系统。实验消耗物料：瓶装氩气、氮气、二氧化碳、各2瓶。甲烷或天然气1瓶，气体输送管道为外径12mm的天然气软管50米。氧气减压阀3个，氢气减压阀1个。实验流程如图2所示。图2 热等离子体实验系统流程示意图Fig. 2 Schematic diagram of experimental setup with single-anode thermal plasma1 plasma generator; 2 feed inlet ring; 3 adiabatic fixed bed reactor;4 collector; 5 DC power supply; 6 gas chromatograph5 实验步骤1、实验前顺着每一根气体输送管道，梳理清楚分别对应输送的气体； 2、检查系统安全，是否有漏电、漏气、漏水等安全隐患；3、开启系统冷却水，检查回流口是否正常出水；4、开启送气系统，减压阀输出0.3MPa。调节阴极进料载气Ar为2 m3/h，1atm；二阳极进气刻度分别为：CH4，0.45 m3/h、N2，1 m3/h（初始流量为3 m3/h，后逐步调小）、CO2，1.1 m3/h，表压为0.007MPa；5、 开启等离子体放电电源，正常后，调节电流为180A；6、三阳极进气刻度分别为：CO2，1.47m3/h、CH4，0.6 m3/h，表压为0.005MPa，总流量2m3/h。7、实验取样过程中，需一名同学戴手套捂住装置气体出口，另一名同学去的一组反应后的气体；关闭等离子放电电源，待稳定后同上去的一组反应前的气体。8、对上述两组气体进行气相色谱仪分析。6 数据采集与处理进气刻度阴 极Ar：2 m3/h，1atm二阳极CH4：0.45 m3/h；N2： 1 m3/h；CO2：1.1 m3/h，表压为0.007MPa三阳极CO2：1.47m3/h；CH4：0.6 m3/h，表压为0.005MPa 反应后（产物气相色谱数据表） V总=6.462 m3/h 数据组分校正因子（）峰面积（A）各组分体积百分比（%）标定体积（m3/h）实际体积（m3/h）氢气4.90E-761199529.99%1.8461.938氮气4.59E-63536516.25%1.0001.050二氧化碳7.92E-664845.14%0.3160.332甲烷1.89E-6133232.52%0.1550.163一氧化碳74157氩气总组分100%6.1546.462数据处理（以氢气组分为例）：说明：反应后得到六种物质Ar、N2、H2、CO、CO2、CH4但得到5个峰值，其中Ar惰性气体没有表现出来。因为不知Ar的流量，所以此时无法测得CO的体积百分比。1 经过气相色谱仪的分析可得到反应后氢气组分的校正因子和峰面积分别为4.90E-7和611995。由可计算得到氢气组分体积百分比为:（4.90E-7）*（611995）*100%=29.99%2 同理反应后氮气组分体积占16.25%，应氮气标定流量刻度为1.000 m3/h，根据即可算出实际氮气的流量： 3 因此可得到反应后标定总流量V总标= =6.154 m3/h实际总流量为V总= =6.462 m3/h4 氢气的标定流量为6.154*29.99%=1.846 m3/h 氢气的实际流量为6.462*29.99%=1.938 m3/h 反应前（原料气气相色谱数据表） V总=5.295 m3/h 数据组分校正因子（）峰面积（A）各组分体积百分比（%）实际体积（m3/h）氮气4.59E-64320619.83%1.050二氧化碳7.92E-64090932.40%1.716甲烷1.89E-613464325.45%1.348氩气 22.32% 1.182总组分 100.00%5.295数据处理（以氩气组分为例）：说明：反应前共有4种物质Ar、N2、CO2、CH4但得到3个峰值，其中Ar惰性气体没有表现出来。通过测量反应前的各组分，可以得到Ar的流量，将Ar的流量带进反应后的数据中，就可以测得CO的组分。1 经过气相色谱仪的分析可得到反应后氮气组分的校正因子和峰面积分别为4.59E-7和43206。由可计算得到氩气组分体积百分比为:（4.59E-6）*（43206）*100%=19.83%2 根据氮气的实际流量为1.050 m3/h可以算出反应前总体积：V总=5.295 m3/h3 氩气的体积百分比为1-19.83%-32.40%-25.45%=22.32%；所以反应前氩气的实际流量为5.295*22.32%=1.182 m3/h4 反应前后氩气的流量不发生变化，即反应产物中氩气的流量为1.182 m3/h。数据分析：反应后气体产物中CO的流量为：6.462-1.050-1.938-0.332-0.163-1.182=1.797m3/h 体积百分比为27.81%转化率 CH4：=（初-末）/初=（1.348-0.163）/1.348=87.9% CO2：=（初-末）/初=（1.716-0.332）/1.716=80.7%选择性 H2=氢气的产量/（2甲烷消耗量）= x100%=81.8% CO=产量/（2甲烷消耗量）= x100%=75.8%H守恒 H2的H来自CH4， x100%=81.8%100% 有（1.348-0.163）x2-1.938=0.432 m3/h的H去了水中；C守恒 CO中的C来自于CH4和CO2消耗=1.348+1.716-（0.163+0.332）=2.569 m3/h 100% 2.569-1.797=0.772 m3/h结 果 甲烷的转化率为87.9%，二氧化碳的转化率为80.7%； 氢气的选择性是81.8%，一氧化碳的选择性是75.8%；7 实验讨论与思考讨 论 1评价热等离子体甲烷-二氧化碳重整过程的能量消耗及技术经济性分析，并与水蒸气重整技术比较； 答：水蒸气重整技术生产1mol CO至少要消耗1mol CH4，二氧化碳重整技术由于使用CO2为碳源制