[发明专利]天然气电场增强等离子催化合成碳二烃

说明书

本发明属天然气化工。

天然气是储量十分丰富的资源，它的主要成份是甲烷，世界探明储量为350万亿立方米，我国约为51万亿立方米。天然气和石油、煤并列为当今世界三大能源，发展天然气化工是面向二十一世纪具有战略意义的方针。由于甲烷分子十分稳定一般要在高温转化，否则难于直接作为有机化工原料使用。例如将它转化为液体燃料高碳烃或有机含氧化物已成为目前C₁化工研究的注目课题。特别是甲烷氧化偶联合成乙烯、乙烷等有机化工原料是未来以天然气为原料取代石油路线的重要途径。与本发明有关的将天然气直接转化为碳二烃的方法有以下几种：

1.甲烷氧化偶联法(OCM法)

1982年Keller和Bhasim首次报导了甲烷和氧在催化剂作用下获得乙烯和乙烷，虽所得乙烯量很少，但引起世界各国研究者们的注目，到目前为止已有不少研究报导，该方法的反应温度一般在700℃以上，甲烷转化率20～30％，碳二烃选择性70～80％。由于OCM法在高温易发生副反应，研究者提出了膜催化反应利用多孔陶瓷膜负载金属氧化物，将原料气甲烷和氧分开进料，在双管双通膜反应器内，反应温度800℃，甲烷转化率30％，碳二烃选择性可提高到96～97％。

2.固体电解质电化学反应(SSER)

利用固体电解质进行电化学反应，氧在阴极获得电子成为氧离子，甲烷在阳极与氧离子作用生成乙烷和乙烯，同时放出电子，反应温度800℃，转化率在5％以下。

3.甲烷微波热裂解

利用微波诱导催化裂解甲烷制乙烯，将催化剂置于脉冲微波辐射下，控制脉冲时间可得乙烯产品，反应温度为760～870℃，压力101.3KPa，脉冲时间为5秒，得到产物组成中含甲烷21.8％，乙烯51.3％，氧气26.7％，由于反应结焦严重，需不断终止反应通入氧气来清除焦炭。

4.激光催化甲烷氧化偶联反应

利用激光照射促进甲烷催化氧化偶联反应，在LiClO₄/Pb₃(PO₄)₂催化剂上进行，反应温度200℃，甲烷转化率32％以上，乙烯选择性93％，因该方法成本较高，目前尚无更多的研究报导。

5.甲烷等离子反应。

美国杜邦公司利用电弧法由甲烷制乙炔，反应在4000°K高温，因高温等离子反应耗电量大，目前倾向于低温等离子反应。

美国Connecticut大学Steven L.Suib等研究报导了甲烷通过微波等离子体直接催化转化为C₂烃的过程，反应在低压下(1.33KPa)，利用火花发生器激发Ar气产生等离子体，甲烷转化率52％，产物选择性为乙烯25％，乙烷50％，乙炔25％，当无催化剂时甲烷转化率为38％。

法国A.Oumghar等研究了甲烷和N₂微波等离子反应，甲烷加入到N₂微波等离子区，反应压力1.0～4.0KPa，进料比CH₄/(CH₄+N₂)＝17～62％(摩尔比)，甲烷转化率40～80％，产物组成：C₂H₂＜4％，C₂H₆＜4％，C₂H₄＜2％，CO 80～20％，H₂ 60～20％，反应在减压下操作不甚方便。

本发明的目的是提出一种以单一甲烷组分为原料，催化偶联脱氢合成碳二烃的方法，其特征是在常压、相对低温条件下，不添加引发气体且偶联过程不加入氧气，采用金属或金属氧化物负载型催化剂，应用交流或直流电场增强等离子催化合成碳二烃。

本发明采用单一甲烷直接偶联合成碳二烃，反应式如下：