热等离子体裂解甲烷的热力学与动力学分析

摘要

应用Gibbs自由能最小法和平衡常数法分别计算了热等离子体裂解甲烷在均相体系和非均相体系中的平衡组成。采用简化的动力学模型,用特雷纳法数值模拟了不同的压力和温度下,甲烷、乙烯、乙炔、氢气和炭5种稳定物质的浓度随反应时间的演变。热力学计算结果表明:甲烷在1200K时几乎完全裂解,2500K以下时,炭黑由芳香烃中间体生成;2500～4200K时,C2H、乙炔和氢气是主要产物,炭黑由C2H2、C2H中间体生成;4200K以上时,体系中仅有炭、氢自由基,炭黑由炭自由基生成。动力学计算结果表明:2000K、100kPa,反应时间1.0ms时,甲烷已几乎全部裂解,0.1～1.0ms时,乙炔是主要产物,10.0ms以后炭黑产率接近100%。压力增加,乙炔收率下降,炭黑的收率增加,温度越高,乙炔和炭黑的生成速率越大。热力学和动力学计算表明在3500～4500K的温度范围内,5.0～10.0μs的时间范围内可同时获得较高收率的乙炔和炭黑。