本發(fā)明涉及一種多級(jí)串聯(lián)或并聯(lián)、蜂窩型紫外線輻射、甲烷催化活化反應(yīng)制備高碳烴C₄⁺的方法，屬于化工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

將天然氣(含甲烷90％以上)或生物甲烷(含甲烷50～80％，含二氧化碳和氮?dú)?0～45％)轉(zhuǎn)變成高碳烴可以為化工過(guò)程提供原料，獲得更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸；由于甲烷較為穩(wěn)定，目前甲烷制高碳烴專(zhuān)利報(bào)道有：CN200780010896.x、CN201010005422.x和CN200980128134.9公開(kāi)了一種天然氣轉(zhuǎn)化為液體烴的連續(xù)方法，經(jīng)過(guò)烷烴鹵化、碳-碳偶聯(lián)、鹵素再生循環(huán)獲得高碳烴；而大規(guī)模技術(shù)如費(fèi)-托技術(shù)或部分氧化工藝能耗大、投資大；采用高能紫外光(真空紫外，VUV)光解是轉(zhuǎn)化甲烷的備選方法，且是經(jīng)濟(jì)可行的，但是需要模型設(shè)計(jì)和小規(guī)模運(yùn)行，如大量甲烷存在于遠(yuǎn)程氣井和海上風(fēng)場(chǎng)，目前這些資源沒(méi)有被利用，由于天然氣就地液化并運(yùn)輸?shù)某杀臼遣唤?jīng)濟(jì)的，無(wú)法進(jìn)入管道；但是一部分提取的甲烷或由甲烷生成的氫氣，可以作為光解的副產(chǎn)物用于燃料電池發(fā)電來(lái)驅(qū)動(dòng)光源。

甲烷光化學(xué)已經(jīng)被廣泛研究，人們對(duì)反應(yīng)途徑已有基本的了解，但是甲烷光解總轉(zhuǎn)化率低，沒(méi)有定量轉(zhuǎn)化；較低的轉(zhuǎn)化率是由于較低的光強(qiáng)度、較短的曝光時(shí)間、反應(yīng)產(chǎn)物、初始過(guò)程的流體力學(xué)等因素的制約。甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以獲得高碳烴，如甲烷電子瞬態(tài)激發(fā)的光能高于8.9eV，波長(zhǎng)接近140nm，所用的光源包括回旋加速器輻射、倍頻激光器、真空放電燈、氘燈和氙準(zhǔn)分子燈等。一般窗口石英玻璃材料強(qiáng)烈吸收紫外輻射，因此透過(guò)反應(yīng)器壁、它的強(qiáng)度較低，僅有少數(shù)玻璃能夠提供波長(zhǎng)在180nm以下的紫外光，有報(bào)道使用同步輻射，低壓反應(yīng)混合物直接曝光在紫外光下，通過(guò)差動(dòng)泵，泵至紫外吸收室；或選擇薄鋁窗口材料，對(duì)于真空紫外頻率可部分透明；或使用激光源多光子吸收、高強(qiáng)度分解甲烷。通常甲烷在第一步光解時(shí)，生成氫和甲烷碎片，并連續(xù)發(fā)生(a)→(d)脫氫自由基反應(yīng)，如出現(xiàn)四步反應(yīng)(1)：CH₄+hv→CH₃+H—(a)；由(a)脫氫生成CH₂+H₂—(b)；由(b)氫氣裂解生成CH₂+H+H—(c)；由(c)脫氫生成CH+H₂+H—(d)(1)；

由上可見(jiàn)H₂分子消除是甲烷脫氫反應(yīng)的控制步驟，原子氫分裂是第一步，當(dāng)光能大于CH₄離子勢(shì)時(shí)(如λ<94.6nm時(shí)，E為12.99eV)、可檢測(cè)到CH₂⁺離子的存在；由光解得到的CH₂具有離子化勢(shì)能為10.0～10.3eV，此時(shí)CH₂⁺即使低于甲烷的離子化勢(shì)能，由于初始光解碎片的離子化，可發(fā)生CH碎片插入到C-H鍵中生成高碳烴的反應(yīng)，如出現(xiàn)反應(yīng)式(2)：CH₂+CH₄→C₂H₆(2)；產(chǎn)物的進(jìn)一步光化學(xué)的總反應(yīng)式(3)為：nCH₄→C_nH_2n+2+(n-1)H₂(3)；反應(yīng)式(3)的焓隨著鏈的增長(zhǎng)而增加，如乙烷65kJ/mol、丙烷121kJ/mol、丁烷161kJ/mol，隨著較高碳鏈烷烴的生成，其也會(huì)分解成CH₄和C₂分子，這種逆過(guò)程在C₄和C₅烷烴的紫外輻射時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。通常大部分甲烷光解的測(cè)定是在低壓下進(jìn)行的，壓力0～10kPa；通過(guò)使用較長(zhǎng)的曝光時(shí)間和較高的光強(qiáng)度，壓力為0～100kPa，甲烷轉(zhuǎn)化率可顯著提高，產(chǎn)物分布表明是一種鏈增長(zhǎng)機(jī)理。

本發(fā)明在前期公開(kāi)的一種生物甲烷光催化活化制備高碳烴的方法，專(zhuān)利號(hào)CN201610100005.0的基礎(chǔ)上，工藝包括CO₂分離、氣泵、預(yù)熱器、多級(jí)并聯(lián)光催化活化反應(yīng)器、甲烷尾氣循環(huán)、鈀透氣膜回收氫氣、冷凝冷卻分離高碳烴；針對(duì)多級(jí)并聯(lián)光催化活化反應(yīng)器使用紫外燈或高壓汞燈，其波長(zhǎng)范圍為200～400nm主峰值為365nm，相當(dāng)于能量為327.3kJ/mol，而甲烷碳-氫鍵能較高，為435kJ/mol，該波段光輻射可以獲得甲烷C-H鍵的部分?jǐn)嗔眩请y以完全斷裂，而且該波長(zhǎng)紫外線大部分無(wú)法透射石英玻璃，光能損耗較大；眾所周知光輻射波長(zhǎng)越短，如波長(zhǎng)110～200nm的光子的能量越強(qiáng)，使用真空紫外填充氣體Xe、Kr、Ar；窗口材質(zhì)為L(zhǎng)iF，MgF₂；驅(qū)動(dòng)方式為DC直流和RF射頻，光離子化強(qiáng)度為9.6、10.0、10.6和11.8eV；該強(qiáng)度的紫外光可將甲烷高收率的轉(zhuǎn)變成高碳烴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

將來(lái)自天然氣(含甲烷90％以上)或生物甲烷(含甲烷50～80％，含二氧化碳和氮?dú)?0～45％)儲(chǔ)槽4首先除去雜質(zhì)氣體，如CO₂、H₂S、H₂O和N₂進(jìn)行精制分離，因?yàn)檫@些雜質(zhì)氣體影響紫外線光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；精制分離方法：由于CO₂和H₂S在乙醇胺溶液中具有較大的溶解度，而甲烷和氮?dú)獠蝗?，可先行?jīng)過(guò)減壓閥17a和氣泵1a和吸收塔2a，分離出CO₂和H₂S；采用填裝分子篩吸附劑的吸附塔2b，脫除甲烷中的水分，當(dāng)分子篩吸附水分達(dá)到飽和后切換，通過(guò)預(yù)熱器13b預(yù)熱氬氣將分子篩中的水分解析出來(lái)；利用甲烷在四氯化碳中加壓時(shí)具有較大的溶解度，而氮?dú)獠蝗芙猓瑢⒌獨(dú)夥蛛x出去，而溶解飽和的甲烷-四氯化碳溶液，在解析塔中減壓釋放甲烷，由此獲得高純度甲烷。

精制甲烷與氬氣以1～4:1v/v分別通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)19a和b在氣體混合器4中預(yù)混合，然后依次緩慢流過(guò)真空紫外輻射反應(yīng)器5a、5b和5c；紫外線輻射反應(yīng)器為石英玻璃材質(zhì)，反應(yīng)器內(nèi)壁粘貼一層反光鋁箔，反應(yīng)器外安裝紫外線放電燈，Kr峰值波長(zhǎng)為116.5nm和123.6nm、Ar峰值波長(zhǎng)為106.0nm，反應(yīng)器從外至內(nèi)，聚光透射窗口為L(zhǎng)iF或MgF₂玻璃，在反應(yīng)器中安裝涂覆有催化劑的石英玻璃隔板，催化劑涂層為氧化鎵、氧化鈰和氧化鑭或者其組合，以增加氣體停留和曝光時(shí)間，增加甲烷轉(zhuǎn)化率，圖1為一種蜂窩型真空紫外輻射反應(yīng)器示意圖。

采用氣體質(zhì)量流量計(jì)分別控制氬氣和甲烷流量，系統(tǒng)壓力采用壓力傳感器測(cè)定，由甲烷真空紫外輻射反應(yīng)制備高碳烴的工藝流程示意圖，如圖2所示。在線檢測(cè)的氣相色譜型號(hào)為GC2060，配備有GDX-502填充柱，一個(gè)自動(dòng)化多孔樣品閥，一個(gè)熱導(dǎo)檢測(cè)器TCD分析氣相反應(yīng)產(chǎn)物，一個(gè)氫焰離子化檢測(cè)器FID用于分析C4-C7液體反應(yīng)產(chǎn)物，氫氣或氮?dú)庾鳛闊釋?dǎo)載氣促進(jìn)對(duì)TCD的敏感性，氬氣含量為99.9％。

反應(yīng)為連續(xù)進(jìn)料模式，反應(yīng)器系統(tǒng)先抽真空至400Pa，將空氣中氧和氮?dú)獬槌?，控制甲烷或甲?Ar混合物反應(yīng)系統(tǒng)壓力為0～0.1MPa，啟動(dòng)真空紫外線光源，使甲烷緩慢流過(guò)反應(yīng)器系統(tǒng)，三段紫外線反應(yīng)器5(a、b和c)出口、分離器6和10氣液出口分別連接至在線GC分析，通過(guò)樣品閥進(jìn)入色譜柱、N2000色譜工作站和計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和在線記錄；產(chǎn)物混合物各組分所測(cè)含量之和為總轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)一段時(shí)間后，光源LiF或MgF₂窗口玻璃用鋁粉拋光，除去紫外照射時(shí)窗口玻璃表面產(chǎn)生的高碳烴液膜，該液膜易使得紫外光衰減。99％的紫外光被甲烷吸收，壓力為0～0.1MPa。因此大部分輻射光子被甲烷吸收，只有小部分被反應(yīng)器壁吸收；從每個(gè)乙烯分子中生成二個(gè)氫分子，其反應(yīng)式為：

2CH₄→CH₂＝CH₂+2H₂

甲烷反應(yīng)的初始產(chǎn)物與光解碎片、與過(guò)量甲烷可以進(jìn)一步反應(yīng)，在鏈增長(zhǎng)過(guò)程中增加鏈長(zhǎng)度；從甲烷生成乙烷需要的焓變?yōu)?5kJ/mol、丙烷為120kJ/mol、庚烷為300kJ/mol，波長(zhǎng)為13.6nm光子(10eV、968kJ/mol)可以提供足夠過(guò)量的能量用于該過(guò)程，鏈增長(zhǎng)遵循自由基機(jī)理。

隨著曝光時(shí)間的增加，甲烷的可用性下降，光子效率下降；增大光吸收，反應(yīng)產(chǎn)物分解成更小的碎片，而不是生成長(zhǎng)鏈，來(lái)自于聚合化合物對(duì)窗口的污染物，將導(dǎo)致光子效率降低；在較高的壓力下，光子效率較高，這是由于在較高的分子密度及對(duì)反應(yīng)器壁較低的損失時(shí)，將產(chǎn)生更高效的光吸收；鏈增長(zhǎng)的效率將提高。如真空紫外氪/氬放電燈，波長(zhǎng)λ為120nm，甲烷或甲烷混合氣氣體壓力為0～100kPa，室溫下甲烷轉(zhuǎn)化率為0～30％，反應(yīng)產(chǎn)物主要有H₂、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷和高級(jí)烷烴。

工藝過(guò)程為：首先將來(lái)自儲(chǔ)槽的天然氣(含甲烷90％以上)或生物甲烷(含甲烷50～80％，含二氧化碳和氮?dú)?0～45％)經(jīng)過(guò)減壓閥17a，用氣泵1a逆流從塔下部泵入H₂S和CO₂吸收塔2a，從塔上部流出，乙醇胺從吸收塔2a塔頂噴出，經(jīng)過(guò)填料層與甲烷逆流接觸后，從塔底流出，利用乙醇胺對(duì)H₂S和CO₂具有較大的溶解度，而甲烷不溶于乙醇胺，將溶有H₂S和CO₂雜質(zhì)氣體的乙醇胺帶出；從2a上部溢出的甲烷氣體從下部進(jìn)入分子篩吸水塔2b(開(kāi)一備一)，水分從甲烷氣體中轉(zhuǎn)移至分子篩吸附劑，不含水分的甲烷從塔上部溢出，分子篩吸水飽和后切換，停止甲烷氣進(jìn)入，通過(guò)預(yù)熱器13b預(yù)熱的氬氣從2b塔頂進(jìn)入，將分子篩中的水分解析出來(lái)；不含水分的甲烷氣體經(jīng)過(guò)氣泵1b增壓后，從塔下部進(jìn)入脫氮?dú)馑?c，利用甲烷加壓溶于四氯化碳、而氮?dú)獠蝗艿奶攸c(diǎn)，將不溶的氮?dú)鈴乃喜恳?；將溶解甲烷的四氯化碳溶液，通過(guò)加壓流體泵11b從塔底泵入脫甲烷塔2d，減壓釋放甲烷，該釋放甲烷為不含氮?dú)獾母呒兌燃淄?；再用氣?c將甲烷通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)19a，計(jì)量后泵入混合器4，與通過(guò)減壓閥17b、氣泵1d和、氣體質(zhì)量流量計(jì)19b來(lái)自氬氣儲(chǔ)槽3的氬氣按(甲烷：氬氣＝1～4:1vol/vol)比例在混合器4中混合。

甲烷和氬氣混合氣進(jìn)氣壓力為0～0.1MPa，分別緩慢流入多段串聯(lián)紫外反應(yīng)器5a、5b和5c，反應(yīng)器內(nèi)固定多塊涂覆有催化劑的石英玻璃隔板，增加氣體在反應(yīng)器內(nèi)的停留和紫外線輻射時(shí)間，涂覆的催化劑為氧化鎵、氧化鈰和氧化鑭，紫外輻射光源安裝在反應(yīng)器外，透過(guò)窗口MgF₂或LiF玻璃的紫外線，聚光至反應(yīng)器內(nèi)的甲烷氣體，單個(gè)光源功率為10～500W，波長(zhǎng)為105～200nm，反應(yīng)溫度為25～200℃，反應(yīng)器內(nèi)壁粘貼一層反光鋁箔，以減少紫外光銷(xiāo)毀和熱損失，窗口材料MgF₂或LiF玻璃定期清除表面生成的高碳烴液膜，防止其阻礙紫外光透射。

經(jīng)過(guò)多段串聯(lián)紫外反應(yīng)，控制每段反應(yīng)器甲烷轉(zhuǎn)化率為～30％，三段反應(yīng)器甲烷轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)90％以上，得到的產(chǎn)物混合氣中含乙烷0～60％，乙烯0～2％、丙烷0～20％，丁烷0～10％，戊烷0～5％，己烷0～2％，庚烷0～1％，氫氣0～20％；真空紫外反應(yīng)器5a、5b和5c出口混合氣，可以分別通過(guò)管路L1、L2、L3和氣泵1p經(jīng)過(guò)1)閥門(mén)15f、循環(huán)管路110、氣泵1e、1f和1g返回；

或經(jīng)過(guò)2)水冷卻器22、氣液分離器6，內(nèi)有-30～-40冷凍鹽水盤(pán)管冷卻，分出液體后，其中正丁烷沸點(diǎn)-0.5℃、異丁烷-11.8℃、正戊烷36.1℃、異戊烷27.8℃、新戊烷9.5℃，未冷凝的小分子烷烴C1-C3通過(guò)分離器6頂部通過(guò)閥門(mén)15e、循環(huán)管路110、氣泵1e、1f、1g分別泵回至反應(yīng)器5a、5b和5c循環(huán)套用；分離器6底部流出的高碳烴通過(guò)管路L5和閥門(mén)16，用離心泵11a泵至高碳烴儲(chǔ)槽；經(jīng)過(guò)多段真空紫外輻射反應(yīng)，甲烷總轉(zhuǎn)化率可達(dá)到90％以上，產(chǎn)物混合氣中含乙烷0～60％，乙烯0～2％、丙烷0～20％，氫氣0～20％，丁烷C₄⁺高碳烴為0～20％。

將氣液分離器6下部出口含有C1-C4的混合氣或者1)分別經(jīng)過(guò)閥門(mén)15c、氣泵1o和1k分別進(jìn)入冷凝冷卻9-8間接傳熱、使用氣泵1j將混合氣泵入預(yù)熱器13a，預(yù)熱至～300℃；或者2)分別經(jīng)過(guò)管路L4、閥門(mén)15d、氣泵1i直接進(jìn)入預(yù)熱器13a，預(yù)熱至～300℃；進(jìn)入透氫鈀膜分離器7，在～300℃通過(guò)氫氣真空泵12脫除氫氣后，將氫氣泵入儲(chǔ)槽20，用氣泵1q將氫氣泵入氫氧燃料電池堆21發(fā)電，為光源提供電力。

剩余混合氣體含甲烷、乙烷、丙烷和丁烷及少量氫氣，通過(guò)氣泵1l、1m和1n，依次進(jìn)入冷凝冷卻器8-9、冷卻器18，其中冷卻器18內(nèi)設(shè)置循環(huán)水冷卻盤(pán)管，控制溫度20～30℃，冷卻后的氣體進(jìn)入氣液分離器10，內(nèi)有-30～-40冷凍鹽水盤(pán)管冷卻，分出液體后，頂部出口未冷凝的小分子烷烴C1-C3及少量C4烷烴，通過(guò)氣液分離器10頂部閥門(mén)15b、管路111、氣泵1h、1e、1f和1g循環(huán)套用；從氣液分離器10底部出口流出的冷凝液體為C₄⁺高碳烴產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)管路L6、截止閥16、用離心泵11a泵至高碳烴儲(chǔ)槽。

冷凝冷卻器為四級(jí)換熱器，采用多段串聯(lián)紫外反應(yīng)器(5a、5b和5c)出口產(chǎn)物混合氣含氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丁烷和戊烷為冷媒，該冷媒在換熱過(guò)程中被加熱，冷卻器18采用循環(huán)水為冷卻介質(zhì)，冷卻溫度為20～30℃；本發(fā)明除了具備CN201610100005.0的優(yōu)點(diǎn)之外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，還具備下列長(zhǎng)處：

1)在甲烷原料氣中的雜質(zhì)如CO₂、H₂S、H₂O和N₂由于影響紫外光輻射反應(yīng)，光化學(xué)反應(yīng)前進(jìn)行了精制分離；

2)采用真空紫外、高強(qiáng)度準(zhǔn)分子光源，光電效率可達(dá)40％以上；

3)窗口材料用于VUV光源為MgF₂或LiF玻璃，由于光透射和傳輸光子的性能優(yōu)良，光能損失大為減少；

4)紫外波長(zhǎng)為105～200nm，其光強(qiáng)度和能量較高，可使得甲烷活化和C-H鍵充分?jǐn)嗔?，甲烷總轉(zhuǎn)化率增大，最高達(dá)90％以上；

5)反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置涂覆催化劑的石英玻璃擋板，延長(zhǎng)了甲烷在反應(yīng)器內(nèi)的停留和輻射時(shí)間；

6)增加了初級(jí)冷凝分離高碳烴，防止其在管道、換熱器和透氫鈀膜分離器中冷凝沉積，影響換熱器的傳熱效率和透氫鈀膜氫氣分離效率；

7)高碳烴通過(guò)二次冷凝冷卻分離回收，未反應(yīng)的甲烷及其小分子烷烴循環(huán)套用，可增加高碳烴收率；

8)透氫鈀膜分離器回收的氫氣用于燃料電池發(fā)電并驅(qū)動(dòng)光源，可降低高碳烴的生產(chǎn)成本；

圖1一種蜂窩型真空紫外輻射反應(yīng)器5a、5b和5c示意圖

主要部件：

a1、a2、a3、a4、a5和a6為真空紫外Xe、Kr和Ar光源、LiF和MgF2透射窗口材質(zhì)，ai為任意一組光源；b1、b2、b3、b4和b5為表面涂覆催化劑的石英玻璃隔板，催化劑為氧化鎵、氧化鈰和氧化鑭；bi為任意一組隔板；c-為甲烷及氬氣混合氣進(jìn)氣口；d-為反應(yīng)產(chǎn)物混合氣出口；R-為真空紫外反應(yīng)器；R反應(yīng)器內(nèi)壁粘貼一層反光鋁箔；c、d進(jìn)出口安裝壓力傳感器和氣體取樣口，與GC在線分析六通閥、色譜工作站和電腦終端相連接。

圖2一種真空紫外輻射甲烷制備高碳烴工藝流程示意圖

主要設(shè)備：

1(a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q)為氣泵,2a為H₂S和CO₂吸收塔，2b為分子篩脫水塔，2c為脫氮?dú)馑?d為脫甲烷塔，3為氬氣儲(chǔ)槽，4為氣體混合器，5(a、b和c)為真空紫外輻射反應(yīng)器，6氣液分離器，7鈀透氫膜分離器，8-9冷凝冷卻器，10氣液分離器，設(shè)備6和10氣相和液相出口設(shè)置取樣口，與GC在線分析六通閥、色譜工作站和電腦終端相連接；11(a、b)加壓離心泵，12氫氣真空泵，13(a、b)預(yù)熱器，14甲烷儲(chǔ)槽，15(a、b、c、d、e、f)氣體閥，16液體閥，17(a、b)減壓閥，18水冷卻器，19(a、b)氣體質(zhì)量流量計(jì)，20氫氣儲(chǔ)槽，21氫氧燃料電池，22水冷卻器。

具體實(shí)施例

首先將來(lái)自儲(chǔ)槽的天然氣(含甲烷90％以上)或生物甲烷(含甲烷50～80％，含二氧化碳和氮?dú)?0～45％)經(jīng)過(guò)減壓閥17a，用氣泵1a逆流從塔下部泵入H₂S和CO₂吸收塔2a，從塔上部流出，乙醇胺從吸收塔2a塔頂噴出，經(jīng)過(guò)填料層與甲烷逆流接觸后，從塔底流出，利用乙醇胺對(duì)H₂S和CO₂具有較大的溶解度，而甲烷不溶于乙醇胺，將溶有H₂S和CO₂雜質(zhì)氣體的乙醇胺帶出；從2a上部溢出的甲烷氣體從下部進(jìn)入分子篩吸水塔2b(開(kāi)一備一)，水分從甲烷氣體中轉(zhuǎn)移至分子篩吸附劑，不含水分的甲烷從塔上部溢出，分子篩吸水飽和后切換，停止甲烷氣進(jìn)入，通過(guò)預(yù)熱器13b預(yù)熱的氬氣從2b塔頂進(jìn)入，將分子篩中的水分解析出來(lái)；不含水分的甲烷氣體經(jīng)過(guò)氣泵1b增壓后，從塔下部進(jìn)入脫氮?dú)馑?c，利用甲烷加壓溶于四氯化碳、而氮?dú)獠蝗艿奶攸c(diǎn)，將不溶的氮?dú)鈴乃喜恳?；將溶解甲烷的四氯化碳溶液，通過(guò)加壓流體泵11b從塔底泵入脫甲烷塔2d，減壓釋放甲烷，該釋放甲烷為不含氮?dú)獾母呒兌燃淄椋辉儆脷獗?c將甲烷通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)19a，計(jì)量后泵入混合器4，與通過(guò)減壓閥17b、氣泵1d和、氣體質(zhì)量流量計(jì)19b來(lái)自氬氣儲(chǔ)槽3的氬氣按(甲烷：氬氣＝1～4:1vol/vol)比例在混合器4中混合。

甲烷和氬氣混合氣進(jìn)氣壓力為0～0.1MPa，分別緩慢流入多段串聯(lián)紫外反應(yīng)器5a、5b和5c，反應(yīng)器內(nèi)固定多塊涂覆有催化劑的石英玻璃隔板，增加氣體在反應(yīng)器內(nèi)的停留和紫外輻射時(shí)間，涂覆的催化劑為氧化鎵、氧化鈰和氧化鑭，紫外輻射光源安裝在反應(yīng)器外，透過(guò)窗口MgF₂或LiF玻璃的紫外線，聚光至反應(yīng)器內(nèi)的甲烷氣體，單個(gè)光源功率為10～500W，波長(zhǎng)為105～200nm，反應(yīng)溫度為25～200℃，反應(yīng)器內(nèi)壁粘貼一層反光鋁箔，以減少紫外光銷(xiāo)毀和熱損失，窗口材料MgF₂或LiF玻璃定期清除表面生成的高碳烴液膜，防止其阻礙紫外光透射。

經(jīng)過(guò)多段串聯(lián)紫外反應(yīng)，控制每段反應(yīng)器甲烷轉(zhuǎn)化率為～30％，三段反應(yīng)器甲烷轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)90％以上，得到的產(chǎn)物混合氣中含乙烷0～60％，乙烯0～2％、丙烷0～20％，丁烷0～10％，戊烷0～5％，己烷0～2％，庚烷0～1％，氫氣0～20％；真空紫外反應(yīng)器5a、5b和5c出口混合氣可以分別通過(guò)管路L1、L2和L3、氣泵1p經(jīng)過(guò)1)閥門(mén)15f、循環(huán)管路110、氣泵1e、1f和1g返回；

或經(jīng)過(guò)2)水冷卻器22、氣液分離器6，內(nèi)有-30～-40冷凍鹽水盤(pán)管冷卻，分出液體后，其中正丁烷沸點(diǎn)-0.5℃、異丁烷-11.8℃、正戊烷36.1℃、異戊烷27.8℃、新戊烷9.5℃，未冷凝的小分子烷烴C1-C3通過(guò)分離器6頂部通過(guò)閥門(mén)15e、循環(huán)管路110、氣泵1e、1f、1g分別泵回至反應(yīng)器5a、5b和5c循環(huán)套用；分離器6底部流出的高碳烴通過(guò)管路L5和閥門(mén)16，用離心泵11a泵至高碳烴儲(chǔ)槽；經(jīng)過(guò)多段真空紫外輻射反應(yīng)，甲烷總轉(zhuǎn)化率可達(dá)到90％以上，產(chǎn)物混合氣中含乙烷0～60％，乙烯0～2％、丙烷0～20％，氫氣0～20％，丁烷C₄⁺高碳烴為0～20％。

將氣液分離器6下部出口含有C1-C4的混合氣：1)分別經(jīng)過(guò)閥門(mén)15c、氣泵1o和1k分別進(jìn)入冷凝冷卻9-8間接傳熱、使用氣泵1j將混合氣泵入預(yù)熱器13a，預(yù)熱至～300℃；2)分別經(jīng)過(guò)管路L4、閥門(mén)15d、氣泵1i直接進(jìn)入預(yù)熱器13a，預(yù)熱至～300℃；進(jìn)入透氫鈀膜分離器7，在～300℃通過(guò)氫氣真空泵12脫除高純氫氣后，將氫氣泵入儲(chǔ)槽20，用氣泵1q將氫氣泵入氫氧燃料電池堆21發(fā)電，為光源提供電力；

剩余混合氣體含甲烷、乙烷、丙烷和丁烷及少量氫氣，通過(guò)氣泵1l、1m和1n，依次進(jìn)入冷凝冷卻器8-9、冷卻器18，其中冷卻器18內(nèi)設(shè)置循環(huán)水冷卻盤(pán)管，控制溫度20～30℃，冷卻后的氣體進(jìn)入氣液分離器10，內(nèi)有-30～-40冷凍鹽水盤(pán)管冷卻，分出液體后，頂部出口未冷凝的小分子烷烴C1-C3及少量C4烷烴，通過(guò)氣液分離器10頂部閥門(mén)15b、循環(huán)管路111、氣泵1h、1e、1f和1g循環(huán)套用；從氣液分離器10底部出口流出的冷凝液體為C₄⁺高碳烴產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)管路L6、截止閥16、用離心泵11a泵至高碳烴儲(chǔ)槽。

冷凝冷卻器為四級(jí)換熱器，采用真空紫外輻射反應(yīng)器(5a、5b和5c)出口產(chǎn)物混合氣含氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丁烷和戊烷為冷媒，該冷媒在換熱過(guò)程中被加熱，冷卻器18和22采用循環(huán)水為冷卻介質(zhì)，冷卻溫度為20～30℃。