用于以天然气制乙烯的槽波导微波化学反应设备及制备方法技术

用于以天然气制乙烯的槽波导微波化学反应设备及制备方法是一种用谐振腔式槽波导微波化学反应设备，从天然气制乙烯的方法，该反应设备由槽波导（１）、模式变换器及耦合孔板（２）、可调短路活塞（３）、化学反应器（４）所组成；其中，以槽波导（１）为主体，在槽波导（１）的左侧设有模式变换器及耦合孔板（２），在槽波导（１）的右侧设有可调短路活塞，化学反应器横向穿过槽波导。经过调整的谐振腔式槽波导微波化学反应设备的选用，微波功率的强、弱、气压的大、小、与甲烷气相混合的气体的种类（例如这里选用氢气）、甲烷（天然气）与辅助气体氢气的流量的比例等因素是确保从甲烷（天然气）制乙烯达到高单程产率的关键因素。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种用谐振腔式槽波导微波化学反应设备，从天然气制乙烯的方法，属于微波技术中谐振腔式槽波导微波化学反应设备用于天然气制乙烯的

技术介绍
乙烯是化学工业最重要的基础原料之一，也是世界上产量最大的化学产品之一。它是生产各种有机化工产品和合成材料的基础原料。目前世界上工业生产乙烯的方法基本上是以轻质油或石脑油等原料经高温裂解制取。每年消耗大量石油，地球上的石油资源日渐匮乏。全球已探明的天然气储量约为134*1012立方米，近来新发现的大型气田还在增加。如果用天然气替代石油来制造乙烯，将会大大缓解国家对石油需求的压力，也有利于天然气化学工业的发展。干天然气中90％以上成份是甲烷，为了便于说明，从此处开始，一直到本专利结束，有时以甲烷来说明。国内外在实验室研究中，用传统的加热方法，将甲烷转化成乙烯分为两类，一类是非直接法，另一类是直接法。非直接法包括，(1)甲烷经甲醇生成乙烯，这种方法的主要问题是，造气过程能耗高，(2)甲烷经合成气生成乙烯，该方法在如何抑制反应过程中甲烷的再生成问题有待解决。直接法中最重要的方法是甲烷氧化偶联。1982年美国UCC公司的G.E.Keller和M.M.Bhasin两人首次发表了采用甲烷催化氧化偶联制乙烯的结果，此后国内外科学工作者主要集中在二方面开展研究，一是寻找优质的催化剂，二是改进反应器。Y.Jiang等人认为要使甲烷直接转化成乙烯在经济上变成可行，乙烯的单程产率应该大于40％这个阈值。但是时至今日，乙烯单程产率仍小于30％。因此用传统的加热方法，从甲烷制乙烯在国际上还停留在实验研究阶段，尚未找到一个既有望实现工业化生产，又有优良经济效益的办法。从甲烷生成乙烯的另一种方法是微波化学方法，包括等离子体化学方法。微波化学有两个显著优点一是大大加快化学反应速度，二是使一些传统热力学上难以发生的反应变得较易发生。甲烷是结构最为稳定的有机分子，它在无氧气氛下脱氢偶联制乙烯需在1400℃的高温下才能进行，但是用微波化学方法很容易使它分解生成乙烯，虽然国内外文献报导，已有人达到乙烯单程产率30％。已高于用传统加热方法所达到的单程产率指标。但是还是低于国际上公认的经济上可行的40％这个阈值。现在的微波化学实验，主要还是在矩形波导或是在矩形波导构成的谐振腔内进行，没有跳出矩形波导这个老框框，用微波化学方法从甲烷(天然气)制乙烯仍旧存在以下几个难以克服的障碍1)微波化学反应用的谐振腔体积小；2)原料气甲烷(天然气)流量小；3)乙烯单程产率小于40％；因此，直到今天，技术背景就是不管是用常规加热方法从甲烷(天然气)制乙烯，还是用微波化学方法从甲烷(天然气)制乙烯，都没有突破腔体体积小，甲烷流量小和乙烯单程产率小，这“三小”的三大难关。这已经是国际公认的重大难题，是全世界多多少少科学家为之奋斗了几十年而没有解决的难题。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适合于化学工业生产用的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备及其制备方法，实现低成本、高效率的从天然气制乙烯。技术方案本专利技术的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备由槽波导、模式变换器及耦合孔板、可调短路活塞(或固定短路板)、化学反应器所组成；其中，以槽波导为主体，在槽波导的左侧设有模式变换器及耦合孔板，在槽波导的右侧设有可调短路活塞(或固定短路板)，化学反应器横向穿过槽波导。这里所说的槽波导是指圆形槽波导，椭圆形槽波导，矩形槽波导，梯形槽波导，“V”型槽波导和横截面为任意形状的槽波导。在槽波导的二翼的金属平行平板的端部装有与工作波长有关的楔形的高功率匹配负载(可以是干负载，也可以是水负载)。槽波导的微波工作频率是指0.3GHz到22GHz的范围内。槽波导既可以工作在连续波也可以工作在脉冲波。槽波导包括左金属平板、右金属平板、楔形匹配负载、绝缘条、截止波导；左金属平板与右金属平板形状对称，在左金属平板与右金属平板之间的两边分别设有绝缘条，在绝缘条的内侧设有楔形匹配负载，将其二者之间形成一个空间，在槽波导左、右金属平板端面的对称中心，沿着平板的长度方向设有一个通孔。为了便于说明，从此处开始，一直到本专利结束，对于各种槽波导均以圆形槽波导为例来详细说明。模式变换器是用来将微波源输入波导内的模式变换成槽波导内所需的模式。这可以制成一段变换器来完成，也可以制成多段变换器串接起来完成。耦合孔板是用来将微波源的能量耦合到谐振腔内。它可以放置在模式变换器的输入端或输出端，也可放在多段变换器之间。为完成上述二个功能，可以有多种方案组合。这里仅选其中一种作为例子说明如下。模式变换器及耦合孔板。它包括第一变换器，法兰，第二变换器和耦合孔板。第一变换器是矩形波导变换到圆波导。第二变换器中包括第二变换器上绝缘条，第二变换器下绝缘条，第二变换器上楔形匹配负载，第二变换器下楔形匹配负载，第二变换器左金属平板，第二变换器右金属平板；其中第二变换器上绝缘条，第二变换器下绝缘条，第二变换器上楔形匹配负载，第二变换器下楔形匹配负载，第二变换器左金属平板，第二变换器右金属平板所组成的外形结构与槽波导相一致，与槽波导相连接的中心通孔为圆台形，在该圆台形的中心通孔的外侧连接有第一变换器，在第一变换器的外端连接有法兰，在法兰上设有耦合孔板。短路活塞是谐振腔的重要部分。它有二种形式一种是可调短路活塞，另一种是固定的短路板，这里以可调谐短路活塞作为例子说明，可调短路活塞包括，第一短路活塞金属板、第二短路活塞金属板、第三短路活塞金属板、第一圆形绝缘垫圈，第二圆形绝缘垫圈，中空圆管，金属圆棒，套筒和金属平板；其中，第一短路活塞金属板、第二短路活塞金属板、第三短路活塞金属板、第一圆形绝缘垫圈、第二圆形绝缘垫圈相间隔设置，其中心固定在中空圆管的一端，中空圆管的另一端位于套筒中，套筒固定在金属平板的中央，中空圆管的中间为金属圆棒。化学反应器包括低损耗材料制成的反应器，上端盖，下端盖，进气管，出气管，激励器，朗缪尔探针组成；其中，上端盖，进气管，下端盖，出气管分别位于化学反应器的两端，激励器，位于化学反应器内的中间，朗缪尔探针位于化学反应器内并固定在上端盖上。用谐振腔式槽波导微波化学反应设备从天然气制备乙烯的方法1).采用一个大尺寸的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，它的工作频率在0.3GHz到22GHz范围内，微波源可以用连续波也可以用脉冲波，2).使谐振腔式槽波导微波化学反应设备处在谐振状态，使反应器处在真空状态，3).选择氢气作为辅助气体，4).将原料气天然气和辅助气体氢气的压力调整到1-20个大气压，使它们分别通过不同的流量计进入反应器，以测量各种气体的流量，5).选择原料气体天然气与辅助气体氢气流量的比例，即天然气氢为50∶1～1∶20，6).将原料气体天然气与辅助气体氢气在混合气柜内进行充分混合，通过原料进气管，上端盖流入谐振腔式槽波导微波化学反应设备的石英反应器内，7).使石英反应器内混合气的总气压在1*10-4大气压到20个大气压，使石英反应器内混合气的总气压略低于原料气体天然气与辅助气体氢气的气压，8).开启微波电源，根据辅助气体种类，流量比例，总的混合气体压力等因素，调节微波输出功率为几十瓦至几百千瓦，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，其特征在于该反应设备由槽波导（１）、模式变换器及耦合孔板（２）、可调短路活塞（３）、化学反应器（４）所组成；其中，以槽波导（１）为主体，在槽波导（１）的左侧设有模式变换器及耦合孔板（２），在槽波导（１）的右侧设有可调短路活塞（３），化学反应器（４）横向穿过槽波导（１）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鸿生，孙德坤，
申请(专利权)人：杨鸿生，孙德坤，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]