資料內容僅供您學習參考，如有不當或者侵權，請聯系改正或者刪除。合成氨低溫等離子體(甲烷轉化)實驗一、實驗目的(1)初步了解現代反應技術在化工中的應用前景;(2)了解等離子體的基本性質和射頻放電反應原理;(3)探索提高甲烷轉化率的途徑。二、實驗原理等離子體化學反應得以進行源于其中基本粒子間的碰撞過程、碰撞中的能量轉移以及隨之產生的激發、電離和離解等基元反應。而激發、電離和離解的過程正是由不同物質的等離子體狀態所決定。以下介紹等離子體基本粒子間的碰撞過程,激發、電離和離解等基元反應和帕邢定律。1、等離子體中粒子間的碰撞等離子體中粒子之間經過碰撞交換動能、位能和電荷,使氣體分子發生激發、電離、離解和復合等物理過程。粒子間相互作用的過程相當復雜,但能夠用相應的碰撞特征參量來表征。按照氣體放電物理和等離子體物理的慣例,這里不考慮外電場的影響和粒子間的相互作用。(1)碰撞中的能量轉移[1,2]粒子間的碰撞可分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種。在彈性碰撞中,參與碰撞的粒子位能不發生變化,只有運動速度和方向的變化。在非彈性碰撞中,參與碰撞的粒子發生了位能的變化。為了使問題簡化,設一速度為、質量為的粒子與另一靜止的、質量為的粒子發生碰撞。碰撞后,兩粒子的速度分別為和,它們與原來的速度方向的夾角分別為和。由能量和動量守衡定律得:(1)(2)(3)式中,為碰撞后粒子總位能的增加。由上三式消去和,可得:(4)在彈性碰撞是=0,由式(4)可得:(5)粒子1交給粒子2的動能為:(6)式中為粒子1與粒子2碰撞時的動能損失百分比(7)從統計的角度,重要的是需要知道平均能量損失率。設為粒子2在碰撞后進入到范圍的幾率,可得:(8)于是,平均能量損失率為(9)由上式可見,當彈性碰撞發生在電子和重粒子之間時,,即電子只給出很少的一部分能量。電子動能幾乎不損失(一般小于0.1%),這樣一來電子便得以在許多彈性碰撞的間隔部分被電場不斷加速,達到使原子、分子電離所需要的能量水平[3]。對于低溫等離子體化學來說,重要的是非彈性碰撞,這是因為內能的變化能夠引起粒子內態的許多種變化。此時,,由式(4)可得:(10)為使上式有意義,必須有(11)于是,內能的最大值(12)當非彈性碰撞發生在電子和重粒子之間時,,由上式可知,即電子能夠交出所有的動能變為重粒子的位能,即電子在激發或電離重粒子時具有很高的效率。由此可見低溫等離子體中電子密度的大小對于化學反應是非常重要的。(2)碰撞截面和碰撞頻率對于兩個剛體球之間的碰撞,當它們兩者之間的距離小于、等于它們的半徑之和時將發生。考慮到各個方向的運動,一般見截面積來表示它們發生碰撞的可能性,簡稱碰撞截面。對于帶電粒子,其互相作用范圍遠大于兩個粒子的半徑線度,有效碰撞截面可經過(13)(—氣體粒子數;—電子流;—=0處電子流)來測量。實驗發現,與電子速度和氣體種類有關,對于各種碰撞過程,能夠用不同的有效碰撞截面去描寫,如彈性碰撞截面、激發碰撞截面和電離碰撞截面。粒子在單位時間內與其它粒子碰撞的次數稱為碰撞頻率,用表示。(14)(—粒子的平均速度;—粒子密度)粒子在連續兩次碰撞之間所經過的路程稱為自由程,用表示。(15)混合氣體中氣體分子的平均自由程為[4](16)其中,,1,2,3……,1,2,3……—粒子的直徑;—粒子的質量2、等離子體化學的主要元反應原子的能態由組成該原子的電子組態決定,當原子中各個電子處于一定的運動狀態整個原子便具有確定的能量。分子的內能也是有分子內部運動狀態決定的,但對于多原子的分子來說,分子結構比原子結構復雜的多。分子內部運動除電子躍遷外,還有分子中各原子在其平衡位置附近的微小振動和分子作為一個整體繞質心的轉動等,每一種運動都具有一定的能量,一般可將分子的內能視為這三種運動的能量之和。處于正常狀態的原子或分子,當它們獲得一定能量時,其電子一般是最外層價電子就可能躍遷到較高能級上去,這個過程稱為激發,激發所需要的能量稱為激發能。其中為快速電子(17)(18)(19)當原子或分子獲得足夠的能量時,其中一個或幾個電子,一般為價電子掙脫原子核的束縛而變成自由電子,這個過程稱為電離,電離過程需要的能量稱為電離能。作為入射粒子的自由電子經碰撞傳遞能量后速度降低,電子碰撞電離是等離子體產生帶電粒子的主要源泉。由電子的碰撞而使原子或分子直接電離稱為直接電離。(20)先被激勵成激發態的原子或分子經電子碰撞而電離稱為電子碰撞累積電離。(21)多原子的分子還可能發生離解電離。(22)重粒子之間的碰撞也可使原子或分子電離。(23)(24)實驗發現,在適當的兩種氣體組成的混合氣體中,它的著火電壓會低于單種氣體的著火電壓,在氬—汞和氖—氬混合氣體中都發現了這種效應,稱之為潘寧效應。(25)這是一種激發態原子與中性原子碰撞,轉移激發能并使原子電離的過程。從能量守衡的要求,原子的激發能應該大于或至少等于原子的電離能。實驗發現的激發能越接近的電離能,這種激發轉移的幾率就越大。多原子的分子經電子碰撞而生成單原子稱為離解。(26)復合是電離的逆過程,即由電離產生的正負電荷粒子重新結合成中性原子或分子的過程。復合過程能夠發生在空間,也能夠發生在器壁或電極表面,前者稱為空間復合,后者叫做表面復合。(合成氨)(27)輻射復合(28)電荷交換復合(29)三體復合(30)原子或分子捕獲電子生成負離子的過程稱為附著,附著的逆過程稱為離脫。離解附著(31)3、帕邢定律氣體擊穿電壓是放電開始所必須的最低電壓,帕邢(F.Paschen)在湯生提出雪崩擊穿理論之前便發現,在一定的放電氣壓范圍內,是氣壓和極間距離乘積的函數,即。這種函數關系被稱為帕邢定律。其表示式為:(32)這便是直流放電是的帕邢定律表示式。它給出了氣體擊穿電壓與放電時氣壓和極間距離乘積間的函數關系。式中為湯生第二電離系數,均為由氣體種類決定的常數。對于帕邢定律可作如下解釋。電極間的氣體分子數是與成正比的。設將置于某確定值,在低氣壓下氣體分子數少,這使得大部分電子并為跟氣體分子發生碰撞就飛抵陽極了。在這種情況下,為能產生足夠多的電離以使氣體擊穿,就得增大電壓,而且氣壓越低所需擊穿電壓就越高。另一方面,若是在高氣壓下則氣體分子數多,電子可與氣體分子頻繁碰撞。其結果雖能夠導致大量氣體分子激發卻難以獲得足夠能量引起電離。在這種情況下,就得增強電場,即提高電壓,而且氣壓越高所需的擊穿電壓也就越高。以上的討論清楚的說明,在等離子體中,主要由電子引起的碰撞電離控制,為使放電過程持續,在陽極和陰極的電荷供給是必須的。三、實驗內容根據實驗室提供的不同反應器,設計出實驗方案完成以下實驗內容:(1)氣體的配比對反應的影響;(2)氣體總流量對反應的影響;四、實驗裝置及流程實驗裝置如圖1所示。原料氣按一定體積比從鋼瓶流出后進入氣體混合管使氣體混合均勻,氣體流量經過LZB-2和LZB-3型轉子流量計控制,然后混合氣體進入自制的等離子體發生器即反應器進行等離子體化學反應,反應后氣體用去離子水吸收,用酚酞指示劑定性觀測,用pH計監測酸度變化。體系用真空泵維持適當負壓,壓力由真空表指示;反應區器壁溫度用溫度計測量;經過測定吸收液前后pH值的變化來定量計算反應生成的氨氣量。圖1等離子體氣相合成反應實驗裝置簡圖1—高頻電源及匹配網絡;2—氣體出口;3—反應器;4—高壓電表;5—第一原料氣高壓罐;6—第一原料氣減壓閥;7—第一原料氣流量計;8—第二原料氣高壓罐;9—第二原料氣減壓閥;10—第二原料氣流量計.五、實驗操作步驟1、等離子體反應操作(1)選擇合適的反應器(實驗者自己選擇),連接好實驗裝置;(2)打開圖1的6和9,通入反應氣;(3)打開真空泵,并檢查氣密性;(4)待氣流穩定后,記錄原料氣的流量和真空度(一般要求真空度大于0.09MPa);(5)依次打開穩壓電源開關、等離子體電源圖1的1總開關和低壓開關,綠燈亮,待5分鐘后黃燈亮,此時可打開高壓開關,紅燈亮。(6)緩慢調整輸出功率,同時注意觀察末極屏壓表和末極屏流表應逐步上升,使屏壓表上升到1000V時,屏流表指到0.2A左右,功率表應指到150W左右,應停止調整功率觀察反應器,一般能出現紫色輝光,如不能起輝應調節匹配網絡I和II,尋找起輝點(注意不可使輝光過強,不然要燒毀反應器!)。(7)匹配調節:反應器起輝后應重復調節匹配網絡I和II使輸出表指針向上升而同時分射表指針下降到最小點(有一同時點)為最佳匹配點,這時輸出功率表上的指數為實際輸出到反應器的功率值,此時記錄電壓、電流和功率值。如果其它參數沒有