甲烷分解

甲烷或者含有甲烷的混合物的热解过程

甲烷分解指的是甲烷或者含有甲烷的混合物的热解过程。

简介

CH4在高温下的分解反应相当复杂，其原理属于游离基反应。随着反应温度的不同，CH4的分解产物为甲基－CH3、亚甲基－CH2－、次甲基－CH、氢原子H等，这些基团又可以相互结合形成诸多种类的物质，如2个亚甲基结合，就形成了乙烯、2个次甲基结合就形成的乙炔。一般规律是：温度越高，小分子量的产物就越多。当温度升高至上千度时，CH4就彻底分解为H2和炭黑。

研究背景

天然气水合物是由一种或几种烃类气体在一定的温度和压力下和水作用生成的一种非化学计量的笼型晶体化合物。形成天然气水合物的主要成分是甲烷，甲烷体积分数超过99. 9% 的天然气水合物通常称为甲烷水合物。1体积水合物可以储存150~ 180 体积标准状态的天然气，利用这一性质进行天然气水合物储存和运输更安全而且更有效率。水合物储运技术主要包括制备、处理、储存运输和分解等过程。由于气体水合物的分解涉及到气、液、固相，是一种较为复杂的物理化学过程，到目前为止，气体水合物分解动力学的研究还不够完善。

实验装置

实验装置主要包括反应釜、恒温水浴、温度与压力测量仪表、流量计和数据采集系统等。装置的核心是高压反应釜，容积为1 L，最大工作压力20 MPa，工作温度范围- 15~ 100 度。采用无级调速永磁旋转搅拌装置，转速调节范围0~ 1 500r/ min。反应釜的温度由恒温水浴控制，恒温水浴控制精度为 0. 01 度。反应釜内的温度由2 个Pt100 铂电阻测量，压力调节阀前后的压力由2 个0. 25 级精度的压力表测量，压力调节阀前的压力表测量范围为0~ 25 MPa，压力调节阀后的压力表测量范围为0~ 10 MPa。

实验装置中设置缓冲罐，容积为12 L，最高工作压力为15 MPa。水合物形成过程中的耗气量由流量计测定，其重复精度均为量程的 2% 。流量显示仪表可同时显示瞬间流量和累积流量，采用数据采集系统进行流量、温度、压力的采集。此外，分解气体体积由湿式气体记录仪记录。

分解过程

实验前用蒸馏水把反应釜清洗2 次，并用实验气体进行吹扫，然后抽真空。在反应釜中注入300 g 左右的蒸馏水。开启水浴，调节恒温水浴的温度至实验设定温度后，开启缓冲罐，给反应釜充气，使反应釜中压力达到实验设定压力。开始进行气体流量的计量，气体流量计显示为零时表明反应结束。迅速调节水浴至分解反应需要温度，待温度稳定后开启放气阀，直至系统压力为常压，关闭放气阀。开启通向湿式气体流量计的气体阀，记录不同时刻分解得到的气体的体积值，直至湿式流量计的示数5 min 不变为止。

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