温度对等离子体热解烃类生成炭黑形貌的影响
发布时间：2021-02-09 22:15
使用磁旋转电弧等离子体发生器产生均匀的高温热源,通过热解碳氢化合物制备了炭黑颗粒。利用透射电子显微镜（TEM）图像,表征了炭黑聚集体的形貌,计算了聚集体的分形维数、粒度分布和平均粒径,研究了反应温度和原料对炭黑聚集体形貌和微观物理特性的影响。研究结果显示,在1 500 K较低温度下所有热解产物均为球形碳颗粒;随着温度的升高,初级粒子粒径减小,分形维数变大,聚集体形态变复杂;甚至在约2 500 K高温下在甲烷和乙烯的热解产物中出现石墨烯片层。分析认为,温度和原料影响了初级粒子的成核速率、表面生长和碰撞团聚等过程,从而决定了聚集体的最终形貌。
【文章来源】：工业加热. 2020,49(02)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
热等离子体裂解CH4/C2H4/C2H2的实验装置示意图
每次实验之前使用氩气等离子体对反应器预热40min，以使反应器达到稳态。反应物在反应器内停留时间约为40～60 ms。在反应器预热后使用R型铂铑热电偶测量反应器内的温度分布(忽略径向的温度梯度)如图3所示。反应器入口(z=0)处对应等离子体功率为1.0、1.8和2.8 k W的热力学平衡温度分别为1 500、2 100和2 500 K，距离反应器z=15 mm处的热电偶测量温度(星号(☆))分别为1 250、1 537和1 901 K，低于反应器入口温度计算值分别为250、563和599 K，其原因可能来自等离子体热损耗、热电偶热辐射损耗、热电偶传热损耗等。从测量的结果可以看出，不同等离子体功率下反应器内温度分布有明显差异，在反应器入口处温度衰减较快。1.3 聚集体形态分析方法
传统炭黑大多数是使用碳氢化合物原料通过不完全燃烧(如炉法、槽法)方法、或热裂法(如乙炔自热裂解、天然气外热裂解)制造。近年来等离子体热解碳氢化合物制备碳材料受到广泛关注，其研究报道日渐增多。与传统工艺相比，等离子体法生产炭黑具有碳收率高、能量效率高、排放大量减少等优势[5];同时由于等离子体的高温、高化学活性，及可选择惰性、氧化或还原气氛，除了可生产和传统工艺相同的聚集体形态的炭黑，还能制备出更多不同结构形态的新型碳材料，如富勒烯、石墨烯、碳管、碳葱、碳纳米角等[6-8]。这些新型材料具有更优异、特殊的性能，较传统炭黑具有更大应用价值。热等离子体具有比火焰更高的温度和焓值:一方面使传热和化学反应速率显著提高;另一方面等离子体能量高度集中，反应区参数梯度大，流动、传热、传质过程更为迅速和复杂。因此对于等离子体方法制备材料存在巨大挑战。夏维东等[9]设计了直流电弧等离子体热解乙烯焦油装置，并获得微观结构与乙炔炭黑相似的导电炭黑。Zielinski等[10]采用三相交流滑动电弧，以多种烃类为原料制备炭黑，并证明其炭黑产品可作为工程塑料的良好添加剂。Chen等[11]通过理论计算不同温度下，不同碳氢体系裂解产物的组分分布，得到热解甲烷制备炭黑的合适温度(1 200～2 000 K)。Tian等[12]利用微波等离子体裂解甲烷制备碳纳米材料，获得了炭黑以及少量石墨烯。Yuan等[13]通过非热交流电弧放电裂解丙烷得到导电炭黑。虽然等离子体制备炭黑的研究已多年，等离子体法炭黑的颗粒聚集体形态及其影响因素仍未有过系统的研究。因此，研究热等离子体热解碳氢化合物工艺条件下炭黑聚集体结构形态及其与等离子体参数的关系，理解热等离子体工艺条件下炭黑成核生长过程，有助于生产中对炭黑聚集体结构形态控制，促进等离子体法生产炭黑工业化生产;同时也增加对无氧条件下炭黑形成过程的理解，丰富炭黑研究的科学内容。
【参考文献】：
期刊论文
[1]等离子体法炭黑工艺与炉法炭黑工艺的?对比分析[J]. 崔海超,陈仙辉,王城,夏维东. 化工学报. 2018(07)
[2]热等离子体法裂解碳氢化合物制备炭黑的热力学研究[J]. 陈莉莉,洪若瑜,李洪钟. 计算机与应用化学. 2007(06)
[3]等离子体热解焦油制备导电炭黑[J]. 夏维东,万树德,王大志,汪海,丁丽俐,李辉,马强. 中国科学技术大学学报. 2003(05)
本文编号：3026319
【文章来源】：工业加热. 2020,49(02)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
热等离子体裂解CH4/C2H4/C2H2的实验装置示意图
每次实验之前使用氩气等离子体对反应器预热40min，以使反应器达到稳态。反应物在反应器内停留时间约为40～60 ms。在反应器预热后使用R型铂铑热电偶测量反应器内的温度分布(忽略径向的温度梯度)如图3所示。反应器入口(z=0)处对应等离子体功率为1.0、1.8和2.8 k W的热力学平衡温度分别为1 500、2 100和2 500 K，距离反应器z=15 mm处的热电偶测量温度(星号(☆))分别为1 250、1 537和1 901 K，低于反应器入口温度计算值分别为250、563和599 K，其原因可能来自等离子体热损耗、热电偶热辐射损耗、热电偶传热损耗等。从测量的结果可以看出，不同等离子体功率下反应器内温度分布有明显差异，在反应器入口处温度衰减较快。1.3 聚集体形态分析方法
传统炭黑大多数是使用碳氢化合物原料通过不完全燃烧(如炉法、槽法)方法、或热裂法(如乙炔自热裂解、天然气外热裂解)制造。近年来等离子体热解碳氢化合物制备碳材料受到广泛关注，其研究报道日渐增多。与传统工艺相比，等离子体法生产炭黑具有碳收率高、能量效率高、排放大量减少等优势[5];同时由于等离子体的高温、高化学活性，及可选择惰性、氧化或还原气氛，除了可生产和传统工艺相同的聚集体形态的炭黑，还能制备出更多不同结构形态的新型碳材料，如富勒烯、石墨烯、碳管、碳葱、碳纳米角等[6-8]。这些新型材料具有更优异、特殊的性能，较传统炭黑具有更大应用价值。热等离子体具有比火焰更高的温度和焓值:一方面使传热和化学反应速率显著提高;另一方面等离子体能量高度集中，反应区参数梯度大，流动、传热、传质过程更为迅速和复杂。因此对于等离子体方法制备材料存在巨大挑战。夏维东等[9]设计了直流电弧等离子体热解乙烯焦油装置，并获得微观结构与乙炔炭黑相似的导电炭黑。Zielinski等[10]采用三相交流滑动电弧，以多种烃类为原料制备炭黑，并证明其炭黑产品可作为工程塑料的良好添加剂。Chen等[11]通过理论计算不同温度下，不同碳氢体系裂解产物的组分分布，得到热解甲烷制备炭黑的合适温度(1 200～2 000 K)。Tian等[12]利用微波等离子体裂解甲烷制备碳纳米材料，获得了炭黑以及少量石墨烯。Yuan等[13]通过非热交流电弧放电裂解丙烷得到导电炭黑。虽然等离子体制备炭黑的研究已多年，等离子体法炭黑的颗粒聚集体形态及其影响因素仍未有过系统的研究。因此，研究热等离子体热解碳氢化合物工艺条件下炭黑聚集体结构形态及其与等离子体参数的关系，理解热等离子体工艺条件下炭黑成核生长过程，有助于生产中对炭黑聚集体结构形态控制，促进等离子体法生产炭黑工业化生产;同时也增加对无氧条件下炭黑形成过程的理解，丰富炭黑研究的科学内容。
【参考文献】：
期刊论文
[1]等离子体法炭黑工艺与炉法炭黑工艺的?对比分析[J]. 崔海超,陈仙辉,王城,夏维东. 化工学报. 2018(07)
[2]热等离子体法裂解碳氢化合物制备炭黑的热力学研究[J]. 陈莉莉,洪若瑜,李洪钟. 计算机与应用化学. 2007(06)
[3]等离子体热解焦油制备导电炭黑[J]. 夏维东,万树德,王大志,汪海,丁丽俐,李辉,马强. 中国科学技术大学学报. 2003(05)
本文编号：3026319
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