CN116496137A - 一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，涉及化工领域。本申请提供的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，将热辐射产生的光催化加入传统热催化，提高其催化性能，加快反应速度，提高转化率，提高催化反应选择性，从而可以降低反应时间，降低能源消耗。在针对含有热辐射光谱吸收能力的气体、液体和固体催化剂所参与的催化过程中，本发明方法可以在原有催化性能的基础上进一步提高其催化性能/选择性/稳定性等特性。本申请主要针对提高天然气产烯烃的催化性能，该方法具有操作简便、运转平稳的特点，且对现有工业设备不需要进行过多改造。

Description

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法

技术领域

本申请涉及化工领域，尤其涉及一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法。

背景技术

随着石油资源的日趋紧张，进一步开发利用天然气资源越来越引起人们的关注。天然气除直接用作燃料外，还可做为高效、优质、清洁的能源和化工原料。天然气的主要组成是甲烷，甲烷的综合利用大体上分为直接转化法和间接转化法两大类。直接转化法是将甲烷直接转化为乙烯、甲醇、甲醛、氯代甲烷等化工原料，间接转化法是先将甲烷转化为合成气，再由合成气制甲醇、汽油等液体燃料和合成氨等。

甲烷间接转化法需要花费较长的时间才能完成转化，且需要投入的资金比较多，能源消耗量大。而甲烷直接转化法具有着较高的能效过程，其难点是甲烷的选择活化和定向转化。

发明内容

本申请的目的在于提供一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，旨在解决现有甲烷间接转化法需要花费较长的时间才能完成转化，且需要投入的资金比较多，能源消耗量大的问题，以及甲烷直接转化法甲烷的选择活化和定向转化难的问题。

为实现以上目的，本申请提供一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，在反应装置中通入反应气体，所述反应气体中甲烷的体积比大于等于20％小于100％，乙烷的体积比大于0小于等于80％，所述反应气体在加热和热辐射条件下催化制备得到烯烃；所述热辐射包括所述加热的热源产生的第一热辐射。

优选地，所述反应气体加热的温度为300～1000℃；

优选地，所述反应气体加热的温度为450～650℃。

优选地，所述反应装置内还设置有辐射源，所述热辐射还包括所述辐射源产生的第二热辐射；

优选地，所述辐射源的温度为300～1500℃；

优选地，所述辐射源的温度为500～1000℃。

优选地，所述在反应装置中通入反应气体还包括：在反应装置中加入催化剂，所述催化剂可吸收所述热辐射的光谱，以使所述催化剂表面温度升高，提高反应体系的内能；所述催化剂包括气体催化剂、固体催化剂和液体催化剂中的任一种或多种。

优选地，所述催化剂包括气体催化剂，所述气体催化剂为对热辐射的光谱吸收强的气体分子；

优选地，所述气体催化剂包括二氧化碳和水蒸汽中的任一种或两种；

优选地，所述反应气体和所述气体催化剂的体积比为(1000：1)～(1：1000)。

优选地，所述反应气体加热的温度为550～650℃，所述在反应装置中通入反应气体还包括：在反应装置中加入催化剂，所述催化剂可吸收所述热辐射的光谱，以使所述催化剂表面温度升高，提高反应体系的内能；所述催化剂包括气体催化剂、固体催化剂和液体催化剂中的任一种或多种；

优选地，所述催化剂包括气体催化剂，所述气体催化剂为对热辐射的光谱吸收强的气体分子；

优选地，所述气体催化剂包括二氧化碳和水蒸汽中的任一种或两种；

优选地，所述反应气体和所述气体催化剂的体积比为(1000：1)～(1：1000)。

优选地，所述反应装置为管式反应器，所述反应气体通入所述反应装置的反应管中，所述反应管由透明耐高温材料或高辐射率材料制备而成。

优选地，所述反应装置为管式反应器，所述反应气体通入所述反应装置的反应管中，所述反应管由透明耐高温材料或高辐射率材料制备而成，所述辐射源和所述热源与所述反应管的距离分别为0-100cm。

优选地，所述辐射源为缠绕的加热丝或加热棒，所述热源为缠绕的加热丝或加热棒；所述辐射源的材质为金属；所述热源的外表面包裹刚玉和/或陶瓷。

优选地，所述反应气体的流速为1-1000ml/min。

与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

本申请提供的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，将热辐射产生的光催化加入传统热催化，提高其催化性能，加快反应速度，提高转化率，提高催化反应选择性，从而可以降低反应时间，降低能源消耗。

在针对含有热辐射光谱吸收能力的气体、液体和固体催化剂所参与的催化过程中，本发明方法可以在原有催化性能的基础上进一步提高其催化性能/选择性/稳定性等特性。

本申请主要针对提高天然气产烯烃的催化性能，该方法具有操作简便、运转平稳的特点，且对现有工业设备不需要进行过多改造。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。

图1为本申请的反应装置一实施例的结构示意图；

图2为本申请的反应装置另一实施例的结构示意图。

附图标号为：

10-反应管；11-进气口；12-出气口；20-热源；30-空腔；40-壳体。

具体实施方式

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。

“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK(K为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

本申请提供一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，在反应装置中通入反应气体，所述反应气体中甲烷的体积比大于等于20％小于100％，乙烷的体积比大于0小于等于80％，所述反应气体在加热和热辐射条件下催化制备得到烯烃；所述热辐射包括所述加热的热源产生的第一热辐射。

其中，反应气体中主要是甲烷和乙烷，甲烷的体积比例如可以为20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、或90％，乙烷的体积比例如可以为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％。优选地，本申请方案的反应气体中满足甲烷的体积比大于等于80％小于100％，乙烷的体积比大于0小于等于20％。

其中，反应装置是用于进行热辐射催化天然气产烯烃的设备，反应装置的形状、结构等不做具体限定，例如可以为正方体、长方体、圆柱体或其它不规则形状等。反应装置例如可以为腔式反应器也可以为管式反应器等。反应装置为腔式反应器，则反应气体通入反应腔进行催化反应，反应装置为管式反应器，则反应气体通入反应管中进行催化反应。

优选地，请参阅图1和图2，所述反应装置为管式反应器，包括一个壳体40，所述反应气体通过进气口11通入所述反应装置的反应管10中，并通过出气口12与检测设备连通，所述反应管10由透明耐高温材料或高辐射率材料制备而成。制备反应管的透明耐高温材料例如可以为透明石英，从而制备得到透明石英管；制备反应管的高辐射率材料例如可以为刚玉、喷砂不锈钢管或喷有黑体辐射漆的钢管等。

所述热源20与所述反应管10的距离可以为0-100cm，例如可以为0cm、5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm或100cm，或0-100cm之间的任一值。安装距离决定反应管10的温度和热辐射光谱，因此可以根据实际应用所需的温度和热辐射光谱进行调整安装距离。其中，热源20与反应管10越近越有利于热辐射透过，便于催化剂或反应分子吸收热辐射光谱。

热辐射催化天然气产烯烃主要有两个方面的指标评定，包括转化率和选择性，转化率就是生成物的量与投入原料量比值，转化率越高，说明得到的烯烃越多；选择性是指进行某一反应时，相对于副产物而言，选择生成目的产物的概率。本发明方案的热辐射催化天然气产烯烃的转化率和选择性可以通过在反应炉外接气相色谱仪测量得到。

现有的通过天然气制备烯烃主要利用加热和固体金属催化剂进行催化反应，现有的反应装置的反应腔或反应管通常都是采用的不透明的普通耐高温材料制备得到。而本申请人发现，用于加热的热源在提供温度的同时，还会进行热辐射，其热辐射可以产生热辐射光谱，同样具有催化作用。热辐射催化主要分为两个部分，一是热辐射传递热能，二是热辐射光谱可以用于驱动光催化，达成光热协同催化的效果，使反应气体分子键震动加强，提高反应体系内能，使得天然气可以在没有催化剂的条件下制备得到烯烃。

其中，热辐射是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，是热量传递的三种方式之一，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要包括波长较长的可见光和红外线传播。因此，本申请用于加热的热源也可以产生热辐射，即第一热辐射，做为催化天然气产烯烃的方法的条件之一。可以理解的是，本申请方案为了提高热辐射的能量，还可以在热源的基础上外加一个辐射源，从而提高反应效率。

本申请提供的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，将热辐射产生的光催化加入传统热催化，提高其催化性能，加快反应速度，提高转化率，提高催化反应选择性，从而可以降低反应时间，降低能源消耗。

其中，加热是指对反应气体进行加热，反应气体加热的温度为300～1000℃，例如可以为300～700℃，或500～1000℃，或400～800℃，或450～650℃。优选地，反应气体加热的温度为450～650℃，例如可以为(450、500、550、600或650)℃，或450～650℃之间的任一值，反应气体加热的温度也可以称为其反应温度。反应温度例如可以通过将感温探头设置在反应管或反应腔内，通过反应装置内的热源加热使得反应管或反应腔内的反应气体温度保持在设定的反应温度。

可以理解的是，反应管10可以通过外部热源进行加热，也可以反应管10自身通电进行加热，以对反应管10内的反应气体进行加热。反应管10为透明耐高温材料，从而可以被更多的外部热源的热辐射穿透，以对反应管10内的反应气体进行热辐射光照。反应管10也可以为高辐射率材料制备而成，从而反应管10在被加热之后，自身做为热源可以进行热辐射，以对反应管10内部的反应气体进行光照。

在其他实施例中，反应装置为腔式反应器时，反应气体直接通入反应腔进行反应，所述热源直接对所述反应气体进行加热和热辐射。与管式反应器类似，反应腔也可以自身通电进行加热做为热源，或者在反应腔内安装加热棒或加热丝等包括高辐射率材料的热源结构，从而通过加热棒或加热丝产生热辐射光照作用在反应气体。

在一优选地实施例中，反应装置内还设置有辐射源，所述热辐射还包括所述辐射源产生的第二热辐射，通过在热源的基础上外加一个辐射源，可以提高催化反应效率。

其中，所述辐射源的温度为300～1500℃，例如可以为300～800℃，或700～1300℃，或600～1000℃，或500～1000℃，或500～1500℃。优选地，所述辐射源的温度为500～1000℃，例如可以为500℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃。

可选地，请继续参阅图1和图2，管式反应器中还可以设置空腔30结构，反应管10安装在空腔30结构内，热源20和辐射源也安装在空腔30结构内，便于释放热辐射。

其中，所述辐射源与所述反应管10的距离为0-100cm，例如可以为0cm、5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm或100cm，或0-100cm之间的任一值，安装距离决定第二热辐射的大小，可以根据实际应用所需进行调整。

其中，辐射源可以为缠绕的加热丝或加热棒，热源也可以为缠绕的加热丝(如图1所示)或加热棒(如图2所示)；辐射源的材质为金属，并且其发射率在0.5～0.99之间，使其具有高热辐射。优选地，所述辐射源的材质为镍铬合金。其中，发射率通常叫比辐射率，是指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比称为该物体的发射率，一般在[0,1]范围，发射率越高，物体的热辐射越高。

热源可以只提供热量，也可以提供热辐射，热源提供热辐射可以通过在热源的外表面包裹刚玉和/或陶瓷，刚玉和陶瓷为高辐射率材质，可以提高热源的辐射率，或者热源也采用高发射率的金属材质。

本申请主要针对提高天然气产烯烃的催化性能，该方法具有操作简便、运转平稳的特点，且对现有工业设备不需要进行过多改造。

在一优选实施方案中，所述在反应装置中通入反应气体还包括：在反应装置中加入催化剂，所述催化剂可吸收所述热辐射的光谱，以使所述催化剂表面温度升高，提高反应体系的内能；所述催化剂包括气体催化剂、固体催化剂和液体催化剂中的任一种或多种。

具体的，在上述热辐射催化反应过程中加入催化剂可以提高催化速率，该催化剂的特性是可以吸收热辐射产生的光谱，也即可以吸收热辐射，从而使得自身表面温度升高、振动加强，固体催化剂与液体催化剂还可以激发光生载流子或激发表面等离子体的产生，促进反应气体分子的活化，从而加快反应速率。

在针对含有热辐射光谱吸收能力的气体、液体和固体催化剂所参与的催化过程中，本发明方法可以在原有催化性能的基础上进一步提高其催化性能/选择性/稳定性等特性。

催化剂的具体形态不做限定，可以为对热辐射光谱有吸收能力的气体(气化温度低于催化温度的物质)，或者为对热辐射光谱有吸收能力的液体(融化温度低于催化温度的物质)，以及固体催化剂。

在一实施例中，所述催化剂包括气体催化剂，所述气体催化剂为对热辐射的光谱吸收强的气体分子；气体催化剂分子自身内能增加，有利于分子碰撞过程中，动能的传递。气体催化剂包括二氧化碳和水蒸汽中的任一种或两种，以及其他任意可以吸收热辐射光谱的气体分子。

更优选地，所述气体催化剂为水蒸汽，水蒸汽的光谱吸收特性更好，因此催化性能更好。

优选地，所述反应气体和所述气体催化剂的体积比为(1000：1)～(1：1000)，例如可以为2:1、3:2、5:3、10:3、50:3、50:23、100:33、200:55、300:57、400:1或500:1。

在另一优选实施例中，所述反应气体加热的温度为550～650℃，例如可以为550℃、600℃或650℃，没有外加辐射源，在反应装置中通入反应气体还包括：在反应装置中加入催化剂，催化剂与上述实施例中的催化剂的特性相同，在此不再一一赘述。实验证明，在没有足够热辐射提供充足能量去活化催化剂水蒸汽时，水蒸汽会在低温时毒化反应，使得反应减慢。

优选地，所述反应气体的流速为1-1000ml/min，例如可以为(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900或1000)ml/min，或1～1000ml/min之间的任一值。

下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

为了便于描述，本发明实施例的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法使用的反应装置以图2类似的管式反应器为例进行说明，反应装置包括壳体40，并设置有空腔结构30，在空腔结构30内设置反应管10和热源20，反应管10包括进气口11和出气口12，用于通入反应气体，采用透明石英管作为反应管10，热源20为高热辐射率的氧化铝基电加热棒，热源20一共为6个，加热棒与反应管10之间的距离为5cm左右，与图2不同的是热源20与反应管10平行均匀安装在反应管10的四周。辐射源为螺旋缠绕的金属丝，长度为14.5cm，材质为镍铬合金，金属丝与反应管10之间平行安装，距离为5cm左右。

本领域技术人员可以理解的是，此处所述的反应装置结构仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围，反应装置的具体结构及参数等信息，可以依据实际应用中进行修改或者替换，这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

实施例1

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定450℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为0.86％，乙烯选择性为100％。

实施例2

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定500℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为1.25％，乙烯选择性为100％。

实施例3

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定550℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为1.17％，乙烯选择性为81.06％。

实施例4

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定600℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为1.15％，乙烯选择性为79.31％。

实施例5

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定650℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为1.65％，乙烯选择性为80.89％。

实施例6

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定450℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为1.71％，乙烯选择性为100％。

实施例7

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定500℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为2.18％，乙烯选择性为100％。

实施例8

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定550℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为2.66％，乙烯选择性为89.54％。

实施例9

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定600℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为3.01％，乙烯选择性为85.25％。

实施例10

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 50％的体积比混合后，反应温度设定650℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为3.72％，乙烯选择性为88.45％。

实施例11

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定450℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为2.30％，乙烯选择性为100％。

实施例12

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定500℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为2.54％，乙烯选择性为100％。

实施例13

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定550℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为4.19％，乙烯选择性为100％。

实施例14

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定600℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为5.17％，乙烯选择性为100％。

实施例15

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定650℃，热辐射温度设定700℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为5.71％，乙烯选择性为100％。

实施例16

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定450℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为0％，乙烯选择性为0％。

实施例17

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定500℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为0％，乙烯选择性为0％。

实施例18

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定550℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为1.32％，乙烯选择性为100％。

实施例19

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定600℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为2.34％，乙烯选择性为100％。

实施例20

一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，具体步骤如下：

将反应气按照甲烷42.5％，乙烷7.5％，Ar 47.4％，水蒸汽2.6％的体积比混合后，反应温度设定650℃，设定总反应气流速为4mL/min，通入如图1所示的反应装置中。反应1小时后，通过外接气相色谱结果可知，反应初始转化率约为3.26％，乙烯选择性为100％。

表1为实施例1至实施例20的通过热辐射催化天然气产烯烃的实验结果，根据表1可知，实施例1至实施例5在没有添加水蒸气做为催化剂，也没有外加辐射源提供热辐射的情况下，仅通过加热的热源提供热辐射也可以催化天然气制备烯烃，转化率可以达到0.86％～1.65％；实施例6至实施例10在实施例1～5的基础上外加了一个辐射源提供热辐射，在对应反应温度下相应的转化率得到提高，可以达到1.71％～3.72％；实施例11至实施15在实施例6～10的基础上加入了水蒸汽做为催化剂，在对应反应温度下相应的转化率得到提高，可以达到2.30％～5.71％。

另外，实施例16至实施例20在实施例1～5的基础上加入了水蒸汽做为催化剂，但是没有外加辐射源，结果在反应温度为450℃和500℃的情况下没有发生转化，但是在550～650℃的情况下，相对于实施例3～5的转化率得到提高，分别为1.32％、2.34％、3.26％；说明水蒸汽做为催化剂可以提高反应转化率，但是在没有足够热辐射提供充足能量活化水蒸汽时，水蒸汽会在低温时毒化反应，使得反应减慢。

表1实施例1至实施例20天然气制备乙烯的实验结果

表1数据表明：随着反应温度的升高，甲烷转化率逐步提升，并在外加水蒸汽做为催化剂以及外加辐射源的情况下最终达到5.71％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，在反应装置中通入反应气体，所述反应气体中甲烷的体积比大于等于20％小于100％，乙烷的体积比大于0小于等于80％，所述反应气体在加热和热辐射条件下催化制备得到烯烃；所述热辐射包括所述加热的热源产生的第一热辐射。

2.根据权利要求1所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述反应气体加热的温度为300～1000℃；

优选地，所述反应气体加热的温度为450～650℃。

3.根据权利要求1或2所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述反应装置内还设置有辐射源，所述热辐射还包括所述辐射源产生的第二热辐射；

优选地，所述辐射源的温度为300～1500℃；

优选地，所述辐射源的温度为500～1000℃。

4.根据权利要求3所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述在反应装置中通入反应气体还包括：在反应装置中加入催化剂，所述催化剂可吸收所述热辐射的光谱，以使所述催化剂表面温度升高，提高反应体系的内能；所述催化剂包括气体催化剂、固体催化剂和液体催化剂中的任一种或多种。

5.根据权利要求4所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述催化剂包括气体催化剂，所述气体催化剂为对热辐射的光谱吸收强的气体分子；

优选地，所述气体催化剂包括二氧化碳和水蒸汽中的任一种或两种；

优选地，所述反应气体和所述气体催化剂的体积比为(1000：1)～(1：1000)。

6.根据权利要求2所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述反应气体加热的温度为550～650℃，所述在反应装置中通入反应气体还包括：在反应装置中加入催化剂，所述催化剂可吸收所述热辐射的光谱，以使所述催化剂表面温度升高，提高反应体系的内能；所述催化剂包括气体催化剂、固体催化剂和液体催化剂中的任一种或多种；

优选地，所述催化剂包括气体催化剂，所述气体催化剂为对热辐射的光谱吸收强的气体分子；

优选地，所述气体催化剂包括二氧化碳和水蒸汽中的任一种或两种；

优选地，所述反应气体和所述气体催化剂的体积比为(1000：1)～(1：1000)。

7.根据权利要求1所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述反应装置为管式反应器，所述反应气体通入所述反应装置的反应管中，所述反应管由透明耐高温材料或高辐射率材料制备而成。

8.根据权利要求3所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述反应装置为管式反应器，所述反应气体通入所述反应装置的反应管中，所述反应管由透明耐高温材料或高辐射率材料制备而成，所述辐射源和所述热源与所述反应管的距离分别为0-100cm。

9.根据权利要求8所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述辐射源为缠绕的加热丝或加热棒，所述热源为缠绕的加热丝或加热棒；所述辐射源的材质为金属，所述金属的发射率在0.5～0.99之间；

优选地，所述热源的外表面包裹刚玉和/或陶瓷；

优选地，所述辐射源的材质为镍铬合金。

10.根据权利要求1所述的通过热辐射催化天然气产烯烃的方法，其特征在于，所述反应气体的流速为1-1000ml/min。