甲烷部分氧化制合成气旋风滑弧非热等离子体反应器设计技术研究

摘要

利用甲烷的部分氧化工艺，所制备的合成气（摩尔配比为CO+2H2的混合气）是一种用以制备甲醇（按费托反应）的重要化工原料。经济而高效地获得合成气一直是化工领域的研究热点。采用非热等离子体技术制备合成气的方法是一种有意义的重要尝试。然而，针对滑弧非热等离子体反应器的模型实验与放大设计的方法研究，应该是该领域中的重要一环。
　　对于化学工业过程来说，将实验室的研究成果有效转化为工业规模的生产过程，就是要掌握放大规律和利用好化工放大的技术与方法。化工放大的技术和方法的发展先后有过三个路径:
　　(1)逐级经验放大法。其实验工作量大，既缺少科学性且成本高;
　　(2)数学模拟放大法。适合于对过程认识相当透彻，对参数测定相当可靠的场合;
　　(3)以“实验方法论”为基础的放大法。它是结合了前两种方法的优点，充分利用量纲分析理论，并根据科学的方法论组织模型实验研究，放大技术研究的科学方法。
　　本文研究过程中，所采用的理论分析研究、模型实验研究和数值模拟实验研究紧密结合、互为支撑与补充的技术路线。本文的主要工作内容和成果如下:
　　针对旋风滑弧非热等离子体反应器设计而言，其化工工艺参数（含放电特性参数）的设计、选定与是否合理匹配，均可对合成气的制备效率产生重要影响。为此，本文以甲烷部分氧化制备合成气的工艺路线为依托，通过旋风滑弧非热等离子体反应器的系列小试模型实验研究，对各类参数的测定、比较分析、研究和修改设计入手，并最终将此类反应器的化工过程的物理模型可以描述为:它是一个均相变容且进行着单一化学反应过程的、高速旋转电弧的、圆筒形反应器。
　　本文拟采用连续介质假设，将非热等离子体中众多粒子运动的热力学统计平均值作为参与化学反应的介质微元（宏观无限小）的物性特征（如温度、压强、黏度与密度等）。同时研究重要的单值条件（氧/碳比、电极间距、与反应器进出口直径相关的气体流速和反应停留时间、放电功率、气体与滑动电弧的运动及接触模式等）之间的相互匹配关系;对反应器的性能指标（转化率、能量效率、氢气和一氧化碳产率等）的影响。
　　本文采用了方程分析和量纲分析相结合的方法，导出了相似准则及其定量关系式。同时，依据相似模化理论，结合模型实验研究和数值实验研究，对旋风滑弧非热等离子体反应器的模型实验研究结果做出互为验证、并为中试放大设计结果做出了较为可靠的预测。
　　采用实验研究和理论分析相结合的研究方法，确定旋风滑弧非热等离子体反应器的放大设计所需的数学模型。以此为中心，构建完成模型实验研究工作平台，实验研究旋风滑弧非热等离子体反应器的主要单值条件对反应器性能指标的影响。采用相似模化法研究影响旋风滑弧非热等离子体反应器性能的单值条件与反应器性能之间的关系，获得三个无量纲数群:达姆科勒(I)数、达姆科勒数和滑弧体积与反应器体积比。结合实验研究结果，获得性能参数与无量纲数之间的数学关系式，建立可适用于工程放大设计的数学模型。
　　结合“热丝”模型假设，对甲烷在旋风滑弧非热等离子体反应器中的部分氧化反应过程进行数值实验研究。比较数值实验结果与模型实验结果，误差小于15％。初步说明数值实验方法，既能为相似模化数学模型的正确性提供有力的佐证，对旋风滑弧非热等离子体反应器的放大设计的性能指标及其流体动力学机制，给出恰当的预测。
　　论文所提供的有关旋风滑弧非热等离子体反应器的主要设计技术及其设计流程，尽管还有待进一步完善，但仍可以较好地规范、并给出此类反应器设计，所涉及到的主要相关化工工艺参数，以满足工程放大设计的基本要求。

目录

声明

摘要

图表目录

符号与缩略语

引言

1 绪论

1．1 等离子体简介

1．2 滑弧放电过程及其物理特性

1．2．1 简单滑弧放电过程

1．2．2 滑弧等离子体反应器主要形式

1．2．3 滑弧放电物理特性指标

1．2．4 滑弧放电物理模型——“热丝”模型

1．2．5 结语

1．3 滑弧放电制备合成气技术及其性能评价参数

1．3．1 滑弧放电制备合成气技术

1．3．2 滑弧等离子体反应器性能评价参数

1．4 旋风滑弧非热等离子体反应器系统及其特性分析

1．4．1 可变弧长旋风滑弧等离子体反应器

1．4．2 固定弧长旋风滑弧等离子体反应器

1．4．3 滑弧等离子体反应器性能评述

1．5 一般化工反应器设计方法

1．5．1 相似模化法特点及应用

1．5．2 数值实验法及其应用

1．5．3 结语

1．6 旋风滑弧非热等离子体反应器制备合成气工艺总结与评述

1．7 论文主要内容和技术路线

1．7．1 主要研究内容

1．7．2 技术路线

2 旋风滑弧非热等离子体反应器研制和实验研究

2．1 模型实验平台构建与工作流程

2．2 计算误差分析

2．3 旋风滑弧非热等离子体反应器研制与实验研究

2．3．1 旋风滑弧非热等离子体反应器研制

2．3．2 旋风滑弧非热等离子体反应器实验研究

2．3．3 旋风滑弧非热等离子体反应器的基本假设

2．3．4 旋风滑弧非热等离子体反应器的几何模型

2．3．5 旋风滑弧非热等离子反应器物理模型

2．3．6 旋风滑弧非热等离子体反应器数学模型

2．4 旋风滑弧非热等离子体反应器结构研制

2．4．1 旋风滑弧非热等离子体反应器

2．4．2自动引弧型滑弧等离子体反应器的工作过程

2．5 滑弧放电电学特性研究

2．5．1 滑弧放电电流及放电电压实验研究

2．5．2 滑弧动态电压—电流特性曲线

2．5．3 滑弧气体温度估算

2．5．4 放电电压与放电电流之间关系式

2．5．5 滑弧放电几何尺寸

2．6 旋风滑弧非热等离子体反应器实验研究

2．6．1 O2／C比对旋风滑弧非热等离子体反应器性能的影响

2．6．2 比能量输入对旋风滑弧非热等离子体反应器性能的影响

2．6．3 电极间距对旋风滑弧非热等离子体反应器性能的影响

2．6．4 出口直径对旋风滑弧非热等离子体反应器性能的影响

2．7 旋风滑弧非热等离子体反应器实验研究方法

2．8 小结

3 旋风滑弧非热等离子体反应器系列实验研究和数值实验研究

3．1 旋风滑弧非热等离子体反应器系列实验研究

3．2 旋风滑弧非热等离子体反应器数值实验研究

3．2．1 旋风滑弧非热等离子体反应器中冷态流场特性

3．2．2 旋风滑弧非热等离子体反应器甲烷部分氧化数值实验方法

3．2．3 数值实验有效性验证

3．2．4 滑弧体非热等离子体反应器数值实验研究

3．3 小语

4 旋风滑弧非热等离子体反应器设计方法研究

4．1 旋风滑弧非热等离子体反应器设计基础

4．2 旋风滑弧非热等离子体反应器的相似准则

4．3 甲烷转化量纲分析

4．3．1 DaI数对旋风滑弧非热等离子体反应器特性的影响

4．3．2 Varc/Vreactor比对旋风滑弧非热等离子体反应器性能影响

4．3．3 Da数对旋风滑弧非热等离子体反应器性能的影响

4．3．4 分析与讨论

4．4 氢气产率量纲分析

4．5 小结

5 旋风滑弧非热等离子体反应器放大设计研究

5．1 旋风滑弧非热等离子体反应器数学模型

5．1．1 旋风滑弧非热等离子体反应器设计流程

5．1．2 旋风滑弧非热等离子体反应器模型放大与预估

5．1．3 旋风滑弧非热等离子体反应器放大过程存在问题及改进方案

5．2 旋风滑弧非热等离子体反应中器试实验设计

5．2．1 旋风滑弧非热等离子体反应器中试实验流程图

5．2．2 中试旋风滑弧非热等离子体反应器设计

5．3 小结

6 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 存在的问题与展望

参考文献

附录A

附录B

附录C

附录D

附录E

附录F

附录G

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介