Rev. Phys. Appl. (Paris) 12, 1013-1021 (1977)
DOI: 10.1051/rphysap:019770012070101300

Étude thermodynamique et expérimentale du système CH4N 2 dans un réacteur à plasma

J. Amouroux et D. Rapakoulias

Laboratoire de Génie Chimique E. N. S. C. P., 11, rue Pierre et Marie Curie 75231 Paris, France

Abstract
The setting up of industrial plasma chemical reactors with a view to large scale production requires the use of relatively high gas pressures. Under these conditions it is necessary to define the thermodynamic constraints of the reacting system. In this paper we have studied the influence of some important working parameters namely : initial composition, pressure and temperature on high-temperature chemical equilibrium of the C-H-N system. The most important parameters are essentially the N/C ratio and the temperature of the system which have a decisive influence upon the mixture composition in chemical equilibrium. This study shows the presence of two regions for chemical synthesis corresponding first to acetylen synthesis beginning near 1 000 K and decreasing near 2 100 K, and second to HCN synthesis beginning near 1 700 K and decreasing near 2 700 K. We have studied the methane nitrogen mixture in a plasma chemical reactor using a 40 megahertz radiofrequency generator with 3.5 kW of power. The data are in good agreement with the thermodynamic calculations. This experimental study indicates the nitrogen effect in the CH4-C2H 2 reaction which can be explained by the transfer between nitrogen and methane as considered by Winckler, Polak and Ricard.

Résumé
La mise en oeuvre de réacteur industriel au plasma exige de travailler à des pressions suffisamment élevées pour obtenir une production appréciable. Dans ces conditions il est indispensable de définir les contraintes imposées au système par la thermodynamique dans le cas du système C-H-N. L'étude de l'équilibre thermodynamique à haute température permet de justifier le rôle des paramètres de marche des réacteurs de production : composition initiale, température et pression. La température et la composition ont en particulier un rôle déterminant sur la composition du système à l'équilibre. Cette étude précise deux domaines de synthèse chimique l'un correspondant à l'acétylène (vers 1 500 K) et l'autre à l'acide cyanhydrique (vers 2 300 K). Nous avons étudié expérimentalement ces mêmes paramètres dans un réacteur à plasma alimenté par une source haute fréquence de 40 mégahertz, les résultats obtenus montrent le bon accord avec les prévisions thermodynamiques. Ils soulignent le rôle important joué par l'azote dans le mélange méthane-azote et l'interprétation proposée à partir d'étude bibliographique confirme les mécanismes énoncés.

PACS
5275 - Plasma devices and applications.
8260H - Chemical equilibria and equilibrium constants.

Key words
chemical equilibrium -- chemical technology -- hydrogen -- organic compounds -- plasma devices -- thermodynamic study -- initial composition -- pressure -- temperature -- C H N system -- N C ratio -- mixture composition -- chemical synthesis -- acetyle synthesis -- HCN synthesis -- methane nitrogen mixture -- plasma chemical reactor -- 40 megahertz radiofrequency generator -- 3.5 kW -- high temperature chemical equilibrium -- methane N sub 2 system