CN105669343B

CN105669343B - 一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的方法

Info

Publication number: CN105669343B
Application number: CN201610131555.9A
Authority: CN
Inventors: 鲁伊恒; 杨涛; 陈颖; 冯文权; 李寒旭; 李伏虎; 王金明; 陈晓玲
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2018-10-26
Anticipated expiration: 2036-03-08
Also published as: CN105669343A

Abstract

一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的方法，包含多段串联等离子体活化反应器、芳构化反应器、钯透氢膜分离器、冷凝冷却器、热量回收和气液分离器；反应体系未转化的甲烷循环套用；钯透氢膜分离器渗透的氢气，经过氢气真空泵回收利用，未渗透的乙烷、乙炔、丙烷、丁烷和芳烃，经过冷凝器及气液分离器回收液体芳烃后，未冷凝的乙烷、乙炔、丙烷、丁烷与甲烷合并返回反应体系；本发明可回收副产氢气，由于采用等离子体活化诱导反应，提高了甲烷转化率、促进了反应体系中小分子链烷烃的生成，这些链烷烃可作为甲烷的助反应剂及自由基链的引发剂循环套用，大大提高了甲烷芳构化的选择性和产率，减少了积炭，降低了芳烃的生产成本。

Description

一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的方法

技术领域

本发明涉及一种多段串联等离子体催化活化，甲烷无氧芳构化反应器体系制备芳烃的方法，属于化工技术领域。

背景技术

随着石油不可再生资源的消耗，伴随着未来生物甲烷(沼气)和天然气开发能力的不断提高，近年来沼气和天然气作为可再生能源和石油化工原料引起极大兴趣，由于沼气和天然气的主要成分为甲烷，其工业利用是生产合成气，在氧化气氛中，使用O₂、H₂O或CO₂作为氧化剂，甲烷在高温和热力学上易于生成合成气，因此合成气的生产避开了甲烷转化在动力学和选择性上的挑战，但是需要承担高额的建设成本，据报道，合成气设施占气变油工厂建设成本的50％。人们在过去的三十年中，花费了巨大的努力开发甲烷直接转化为石化产品的路线，然而甲烷是一个对称性的、非极性分子，C-H键的键能高达436kJ/mol,甲烷直接转化路线转化率-选择性的关系可以表示为：A→B→C一级反应，已开发最多的工艺是甲烷氧化偶合生产乙烯OCM，甲烷催化部分氧化直接合成甲醇和甲醛。

等离子体催化反应可以使得甲烷转化为C₂、C₃或高碳烃，在介质障碍放电反应器和常压下，甲烷转化率随着负载在γ-Al₂O₃上的金属催化剂M增加而增加，乙烷的选择性最高为50.3％，当金属M/γ-Al₂O₃催化剂含量为3％，焙烧温度为573K，甲烷转化随着在DBD反应器中催化剂的增加而增加，主要产物是乙烷和丙烷。通过合成气，甲烷可以间接转化为液体燃料或其它化学品、或直接转化为C₂、C₃或甲醇，大部分商业化工艺借助蒸汽重整，将甲烷转化为合成气，然后从合成气合成甲醇和汽油。

对于甲烷直接转化的方法通常有氧化偶联、热偶合、等离子体反应。甲烷用等离子体转化是非常有效的方法，由于甲基自由基很容易生成，等离子体活化可以诱导各种化学反应；在等离子体化学反应中，自由基被认为是比其它反应离子如电子、离子和光子更重要；因此控制和操纵连续化的自由基反应对于等离子体在有机合成中的应用十分重要；等离子体中的电子主要起着以高速率和无选择性的方法激发和分解气体分子的作用，多途径化学反应机理是不可避免的，导致生成复杂的产物分布，为了克服这一困难，非均相催化剂被引入等离子体反应中，如采用DC Corona放电，催化剂为Sr/La2O₃时，甲烷转化率可增加5倍，C₂选择性在853K增加8倍；又如甲烷在沸石催化下的无氧转化，提供了反应机理，解释了烃收率为32％的实验结果。

在低温非平衡等离子体反应中,无氧参与时甲烷被激活后主要进行自由基反应，甲烷等离子体偶联合成碳二烃中甲烷的单程转化率为15～25％，在甲烷气氛下和等离子体作用下偶联合成碳二烃的过程中，可能存在的主要反应途径为：甲烷先生成甲基自由基、乙基自由基、乙烷、乙烯和乙炔等步骤；在DBD反应器中甲烷转化成C₂烃的过程由多个步骤组成，由过渡态C₂H₅自由基与CH₃自由基结合生成C₃H₈,生成丙烷等高碳烃的选择性和生成乙烯、乙烷等C₂烃选择性之间可能存在竞争反应；随着反应停留时间和输入功率的增加,产物乙烷和乙炔的选择性减小,而乙烯和丙烷的选择性增加，控制较低的流量，可抑制积碳。当反应器为石英管、内径为8mm，长度为270mm，两根不锈钢丝直径为0.45mm安装到石英管中作为电极，石英管的外表面涂上一层长200mm银膏作为另一端电极，其最大电压为20kv，频率为60Hz,最大电流为35mA；反应时甲烷流率为6ml/min，电压为17kv，甲烷流率用质量流速控制器调节，反应产物由GC气相色谱分析，FiD检测器。则产物分析结果含甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷及丁烷；以活性γ-氧化铝作为载体，20～42目筛，焙烧温度为873K静置2小时；载体的表面积为166m²/g,孔体积为0.38cm3/g,金属催化剂M/γ-Al₂O₃采用浸渍法制备，前体为铂离子，等离子体催化反应在常压下进行。操作时取1g含量为1％wt金属催化剂M/γ-Al₂O₃加热速率为4K/min,温度为973K，载气为氮气，惰性气体流速为10ml/min；在混合流速1:4条件下还原，还原温度为373K以上，在523K以上时快速下降，催化剂在氢气中673K被原位还原2h，等离子体催化反应在DBD反应中进行。当采用溶胶-凝胶法制备Ru/TiO₂催化剂、在界电障碍放电反应器中进行等离子体催化甲烷转化，可增大链烷烃乙烷、丙烷和丁烷的选择性，当用Ru/TiO₂催化剂在DBD反应器中，当催化剂5％wt Ru/TiO₂焙烧温度为400℃时，可获得最高的甲烷转化率。

此外CN1390775公开了一种微波激发甲烷转化制氢工艺；CN1468833公开了一种高频等离子体裂解天然气合成C2烃类的方法，其功率为0.5～100kw，频率为1～25MHz，反应器的真空度为-0.1～0.001MPa，甲烷转化率为20～70％，C₂收率达20～70％；该法存在C₂制备高真空、设备要求复杂的缺点。CN2455719公开了一种采用等离子体转化甲烷和CO₂制备汽油的装置，产物以C5以上支链烃为主，支链烃/直链烃为9:1，催化剂为X、Y、A型、ZSM-5、13X型分子筛，交流电压为6～100kv，频率为50～100×10⁶Hz，电流密度为0.01～10A/m²。CN1390816公开了一种微波激发甲烷转化制C2烃工艺，反应器中甲烷压力为0.1～0.3MPa，微波频率大于0.3GHz，输入功率最小为5W，停留时间0.01～1秒，微波为连续或脉冲式，频率为0.915、2.45、5.8或22.0GHz，该法虽然甲烷转化率达90％，但是缺点是积碳达30％，选择性较差，主要产物为70％乙炔。CN100999432公开了一种离子液体催化等离子体甲烷制C2烃的方法；在内径为10mm的石英反应器内加入离子液体催化剂5ml，甲烷流速为15ml/min，放电峰值为14kv，电流200mA，不锈钢为上电极、铜质多孔原板为下电极，上下电极间距为8mm，甲烷转化率为60～70％，C2选择性和收率分别为60％及30％，该法的缺点是添加离子液体C2选择性和收率仅增加10％左右，不显著。CN101050158公开了一种微放电裂解天然气制取乙炔的方法，该法甲烷转化率可达70％，乙炔选择性为80～90％，C2选择性为85～95％，甲烷转化成高碳烃在一个界电障碍放电反应器中配制有M/γ-Al₂O₃催化剂。

在C1化学领域使用常规催化，甲烷转化被广泛研究，甲烷直接转化为高碳烃需要较大的能量消耗，由于碳氢键在甲烷分子中的稳定性，甲烷用等离子体能量活化是一种非常有效的方法，因为甲基自由基易于生成，通过高能电子可以诱导各种化学反应，在等离子反应器中，高能量电子碰撞甲烷分子导致C1生成活化分子，通过它可以制备高碳烃；以高速率和非选择性的方式，等离子体区域内的电子主要起到激发和分解气体分子的作用。为了克服这一困难，引入非均相催化剂进入等离子体反应，辅助催化-等离子体技术，不但能促进催化分解的效率，而且从选择性上降低副产物，将等离子体与非均相催化剂结合已经被开发作为有价值产物的候选方法；如文献报道获得催化活性和耐久性的方法有：使用Pd/HZSM-5催化剂增加放电，在450℃时甲烷转化率为100％；而未用等离子体处理，相同条件下转化率为5％。此外在介电障碍反应器中，甲烷在纳米结构的Pt/γ-Al₂O₃和Ru/γ-Al₂O₃催化剂上进行转化反应，通常有催化剂比无催化剂时，甲烷转化率要高得多。

发明内容

为了克服现有芳烃合成技术存在的甲烷高温脱氢制乙炔，温度高达700～1100℃、易结焦碳化耗能大及甲烷制备合成气、再通过F-T法制备汽油芳烃存在的设备投资费用大、路线长的缺点；本发明旨在提供一种甲烷低温等离子体催化活化诱导、无氧芳构化反应、气液分离制备芳烃的方法，通过等离子体催化活化诱导、生成的大量乙烷、丙烷和丁烷等小分子烷烃，可以作为芳构化反应器中甲烷转化的共反应剂，为甲烷脱氢提供甲基自由基的引发剂，从而大大降低甲烷芳构化的温度和反应难度。

本发明甲烷等离子体催化活化无氧芳构化制备芳烃的方法，其一级反应体系包含多段串联等离子体活化反应器、气泵、换热器、芳构化反应器、钯透氢膜分离器、多级冷凝冷却器及热量回收、气液分离器；其一级反应体系未转化的甲烷进入二级反应体系包含芳构化反应器、钯透氢膜分离器、多级冷凝冷却器及热量回收和气液分离器，以此类推。

等离子体活化反应器为石英玻璃，内置介质阻挡放电DBD，添加的催化剂为金属Ga、W、Mo、La和Ce或负载化，载体为HZSM-5；含等离子体与催化剂组合，前区等离子体后区催化剂，或者催化剂放置在等离子体反应区内；等离子体活化反应器由石英玻璃管、气腔、电极和散热器组成；反应器的电流密度为100～1000A/cm²，气体温度为300K，功率为5w～1kW；反应器电极形式为板式、管式或线管式。

芳构化反应器为固定床、石英玻璃材质，内置辅助光源紫外线或高压汞灯，波长220～400nm，功率20w～2kW；固定床催化剂有金属钼、钨Mo、Zn、Cr、Pt、Co、Ru和W金属及其氧化物、固载化质子酸磷酸和硫酸，固体酸SiO₂-Al₂O₃、B₂O₃-Al₂O₃、磷钨酸、磷钼酸、载体为分子筛、介孔硅、HZSM-5及HMCM-22，芳构化温度为200～400℃；反应体系含钯透氢膜分离器、其使用温度300～400℃，从渗透端渗出的氢气经过换热器换热后，通过氢气真空泵抽出利用，不能渗透的反应产物乙烷、乙炔、丙烷、丁烷、苯及甲苯等经过多级冷凝冷却器、气液分离器回收芳烃苯及少量甲苯；反应体系包含的气液分离器进口为经过多级冷凝冷却器间接回收热量后的混合气，气液分离器底部出口流出的为冷凝液体苯及少量甲苯，顶部出口未被冷凝的气体为甲烷、小分子炔烃、烯烃和链烷烃与等离子体活化反应器出口气体合并、混合后通过气泵循环套用。

将甲烷等离子活化反应器出口的甲烷循环二次后，再经过多级冷凝冷却换热预热进入芳构化反应器，芳构化出口气体，经过钯透氢膜分离器分离，抽出渗透的氢气后，通过多级冷凝冷却换热，将热量传递给等离子体活化反应器出口混合气体，冷却冷凝的芳烃在气液分离器中被分离，未冷凝未转化的甲烷及小分子烷烃与等离子体活化反应器出口混合气合并，经过预热进入芳构化反应器，并于200～400℃下进行反应，反应完毕进入钯透氢膜分离器。多段串联低温等离子体活化反应器其入口接原料甲烷、出口得甲烷、乙烷、乙炔、氢气、丙烷和丁烷混合气。芳构化反应器的入口接甲烷等离子体活化反应器经过回收热量及预热器出口的气体，芳构化反应器的出口混合气含甲烷、乙烷、H₂、丙烷、丁烷、苯及少量甲苯；钯透氢膜分离器的入口接芳构化反应器出口，其渗透出口为氢气，未被渗透的为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、苯及少量甲苯；气液分离器的入口接芳构化反应器出口，并经过多级冷凝冷却器换热冷却，在气液分离器将芳烃与甲烷、乙烷、丙烷和丁烷混合气体分离；不含芳烃的分离残余气体为甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，与等离子体活化反应器出口含甲烷的混合气合并，通过气泵循环套用。

等离子体活化反应器为固定床石英玻璃材质，为介质阻挡放电DBD，内置催化剂可以是质子酸H⁺、或质子酸的固载化、固体酸SiO₂-Al₂O₃、B₂O₃-Al₂O₃及Pt、Sr、Ga、W、Mo、La、Ti、Ru、Zr和Ce金属及其金属氧化物或负载在载体上，载体为γ-Al₂O₃、沸石、介孔硅、TiO₂、HZSM-5；等离子活化反应器包含等离子体与催化剂组合，前面是等离子体且后面是催化剂，或催化剂放在等离子体区内；等离子活化反应器可以由石英玻璃管、气腔、电极和散热器组成；等离子活化反应器包含电流密度100～1000A/cm²，气体温度25～250℃，功率5w～10kw；等离子活化反应器电极形式为板式、管式和线管式；电极材料是石墨、紫铜镀银、镀钯、不锈钢或钨，工作频率为2～100kHz,输出功率20w～2kW，输出电压为2～40kv；

本发明提供了得到甲烷、乙炔、氢气、芳烃、乙烷、丙烷和丁烷的混合气，通过多段串联低温等离子体活化系统，在催化剂作用下，将甲烷部分转化为乙炔、乙烷、丙烷和丁烷，并作为甲烷脱氢反应的引发剂，等离子功率为10w～1kW，控制甲烷转化10～20％，以避免积碳为前体，多程总转化生成的产物中含甲烷～30％、乙炔0.1～20％、乙烷为0.1～20％，丙烷0.1～10％，丁烷0.1～20％，等离子活化反应催化剂为：镓、铈、镧、钼和锌金属，或载体化，载体为HZSM-5。

与现有技术相比，本发明具有下列优点：提供了助剂烃类可以降低甲烷无氧活化过程的吉布斯自由能ΔG_T ⁰，降低了甲烷转化温度；在低温等离子体活化甲烷反应中，由于属于低温活化，节省了大量能量；通过多次低温等离子活化激发反应，可以获得足够的助剂烃类乙烷、乙烯、丙烷和乙炔自由基链引发剂；本低温等离子体活化反应器为开辟乙烷、丙烷和丁烷新的制备方法提供了途径，甲烷转化率可达～70％；无需购买乙烷、丙烷和丁烷，等离子体活化产物经过换热和预热直接返回到芳构化反应器中，节省了甲烷转化为芳烃的成本。

首先将来自储槽的甲烷在0.1MPa下，通过气泵1a分别经过预热器2a,b,c泵入多段串联低温等离子体活化反应器3a,b,c中，内置石英玻璃管，功率为10w～1kW，在装填有催化剂的反应器中，含有的催化剂为金属及氧化物Ce、W、Mo、Ga，或负载化，载体为HZSM-5沸石分子筛，经过等离子体活化反应，控制甲烷单程转化率为10～20％，多程总转化率为～50％，避免反应器积碳，得到的混合气产物中含甲烷～50％，乙烷0.1～20％，乙炔0.1～10％、丙烷0.1～10％，丁烷0.1～10％，氢气5～20％；等离子体反应器出口混合气分别通过气泵1m,1b,1c和1n泵回，循环套用；反应器3a出口气体可以单独循环，与3b串联循环，或与3b及3c串联循环。

上述含有C1-C4的混合气，分别通过气泵1c,1i,1j,1k先泵至冷却器8a,b、冷凝器6-7、预热器2d进行换热，预热至200～400℃，进入甲烷无氧芳构化反应器4中，反应器内置辅助光源为紫外线、高压汞灯，波长为220～400nm，功率为20w～2kW，反应器中装填的催化剂有金属钼和钌，载体为HZSM-5或HMCM-22,反应气体压力为0.1～0.15MPa,反应温度为200～400℃，经过无氧芳构化反应器催化反应，反应器出口混合气中含甲烷10～30％，芳烃30～40％，乙烷0.1～10％，丙烷0.1～10％，丁烷0.1～10％，氢气5～30％。

该混合气产物通过气泵1d泵至钯透氢膜分离器5，在300～400℃通过氢气真空泵10脱除氢气后，剩余混合气体含芳烃、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷及少量氢气，通过气泵1e,1f和1g依次进入冷凝器6,7、冷却器8a,b换热后，进入气液分离器9，从气液分离器底部出口流出的冷凝液体为苯及少量甲苯，顶部出口未冷凝的C1-C4烷烃，与进料气体混合后通过气泵1h,1l循环套用。冷凝换热器为二级冷凝器，采用多级串联低温等离子体活化反应器3a,b,c出口产物混合气含甲烷、乙烷、乙炔、丙烷及丁烷为冷媒，该冷媒在换热过程中被加热，冷却器8b换热器采用循环水为冷却介质，冷却温度为30～50℃，冷却后的混合气，通过气液分离器9底部出口得液体芳烃苯及少量甲苯，气液分离器顶部出口为未转化的甲烷及C2-C4烷烃，通过气泵1h,1l循环套用。

多段串联等离子体活化反应器中内置石英玻璃管，功率为10w～1kW，装填有催化剂，催化剂为Ce、W、Mo、Ga或负载在HZSM-5沸石分子筛上，甲烷多程转化后得到的产物混合气中含甲烷～50％，乙烷0.1～20％，乙炔0.1～10％，丙烷0.1～10％，丁烷0.1～10％；将含有甲烷和乙烷的混合气，经过换热、预热至200～400℃，通入芳构化反应器中，内置辅助光源为高压汞灯，波长为220～400nm，功率为20w～2kW，反应器中装填有催化剂钼、钌，载体为HZSM-5或HMCM-22,反应气体进入压力为0.1～0.15MPa,反应出口混合气含甲烷10～30％，芳烃30～40％，乙烷0.1～10％，丙烷0.1～10％，丁烷0.1～10％；经过分离器分离芳烃后，C1-C4烷烃分离尾气与进口混合气合并，通过气泵1l泵回至预热器2d及芳构化反应器4，或通过气泵1h,1n泵回至预热器2a及反应器3a，循环套用。

附图说明

附图1甲烷低温等离子体活化芳构化制备芳烃的流程示意图

甲烷等离子体活化反应，从反应物至产物的循环流程为：

(1)1a-2a-3a-1m-1n-2a

(非循环:1a-2a-3a-8a,b-1i-1j-1k-2d-4-1d-5(10)-1e-6-1f-7-8a,b-9-芳烃粗品)

(2)1a-2a-3a-2b-3b-1b-1n-2a

(非循环:1a-2a-3a-2b-3b-8a,b-1i-1j-1k-2d-4-1d-5(10)-1e-6-1f-7-8a,b-9-芳烃粗品)

(3)1a-2a-3a-2b-3b-2c-3c-1c-1n-2a

(非循环:1a-2a-3a-2b-3b-2c-3c-1c-8a,b-1i-1j-1k-2d-4-1d-5(10)-1e-6-1f-7-8a,b-9-芳烃粗品)

主要设备：

1a,b,c,d,e,f,g,h,I,j,k,l,m和n气泵,2a,b,c,d预热器，3a,b,c多段串联低温等离子体反应器，4芳构化反应器,5钯透氢膜分离器，6,7冷凝器，8a,b冷却器，9气液分离器，10氢气真空泵。

具体实施例

将来自储槽的原料甲烷用气泵1a在0.1～0.12MPa下分别经过预热器2a,b,c加热后，通入多段串联等离子体活化反应器3a,b,c中，内置石英玻璃管，功率为10w～1kW，在装填有催化剂的反应器中，含有的催化剂为金属及氧化物Ce、W、Mo、Ga，或负载化，载体为HZSM-5沸石分子筛，等离子体反应器3a,b,c出口混合气中，若甲烷未达到规定的10～20％单程转化率，分别通过气泵1m,1b,1c和1n泵回，循环套用；经过多段串联等离子体活化反应，控制甲烷多程总转化率为～50％，以避免反应器积碳为前提，得到的产物气体中含甲烷～50％，乙烷0.1～20％，乙炔0.1～10％、丙烷0.1～10％，丁烷0.1～10％，氢气5～20％；反应器3a,b,c出口混合气根据需要，也可以不循环分别通过气泵1l或冷却器8a,b及气泵1i、1j和1k及预热器2d直接进入芳构化反应器4。

将等离子活化反应后出口含C1-C4的混合气，分别经过冷却器8a,b、气泵1i、冷凝器7、气泵1j、冷凝器6、气泵1k、预热器2d进行换热，预热至200～400℃，进入甲烷无氧芳构化反应器4中，反应器内设置辅助光源为高压汞灯，波长为220～400nm，功率为20w～2kW，反应器中装填的催化剂有金属钼和钌，载体为HZSM-5或HMCM-22,反应气体压力为0.1～0.15MPa,反应温度为200～400℃，经过无氧芳构化反应器催化反应，反应器出口混合气中含甲烷10～30％，芳烃30～40％，乙烷0.1～10％，丙烷0.1～10％，丁烷0.1～10％，氢气5～30％。

将该产物气体使用气泵1d泵入钯透氢膜分离器5，在300～400℃通过氢气真空泵10脱除并回收氢气，剩余混合气体含芳烃、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷及少量氢气，通过气泵1e,1f依次进入冷凝器6,7中，通过气泵1g进入冷却器8a,b中换热后，泵入气液分离器9中，从气液分离器9底部出口流出的冷凝液体为芳烃粗品(苯及少量甲苯)，顶部出口未冷凝的C1-C4烷烃，与进料气体混合后通过气泵1l返回至芳构化反应器4，或通过气泵1h,1n返回至等离子体反应器3a中，循环套用。冷凝换热器为二级冷凝器，采用多段串联等离子体活化反应器3a,b,c出口产物混合气含甲烷、乙烷、乙炔、丙烷及丁烷为冷媒，该冷媒在换热过程中被加热，冷却器8b换热器采用循环水为冷却介质，冷却温度为25～50℃，冷却后的混合气，通过气液分离器9底部出口得液体芳烃粗品(苯及少量甲苯)，气液分离器顶部出口为未转化的C1-C4烷烃，通过气泵1l或1h,1n泵回，循环套用。

Claims

1.一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的工艺装置，其特征在于，将来自储槽的原料甲烷用气泵(la)分别经过预热器(2a)、(2b)和(2c)加热后，通入多段串联等离子体活化反应器(3a)、(3b)和(3c)中，出口混合气分别通过气泵(1m)、(1b)、(1c)和(1n)泵回，循环套用，根据需要也可以不循环分别通过气泵(1l),冷却器(8a,b)及气泵(1i)、(1j)和(1k),预热器(2d)直接进入芳构化反应器(4)，将该产物气体使用气泵(1d)泵入钯透氢膜分离器(5)，通过氢气真空泵(10)抽出并回收氢气，剩余混合气体含芳烃、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷及少量氢气，通过气泵(1e)、(1f)依次进入冷凝器(6)和(7)中，通过气泵(1g)泵入冷却器(8a,b)中换热后，再进入气液分离器(9)中分离液体产物芳烃。

2.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的工艺装置，其特征在于多段串联等离子体活化反应器(3a)、(3b)和(3c)内置石英玻璃管，功率为10～1000W，在装填有催化剂的反应器中，含有的催化剂为金属Ce、W、Mo、Ga及其氧化物或负载化，载体为HZSM-5。

3.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的工艺装置，其特征在于出口混合气，若甲烷未达到规定的10～20％单程转化率，分别通过气泵(1m)、(1b)、(1c)和(1n)泵回，循环套用。

4.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的工艺装置，其特征在于芳构化反应器(4)内设置辅助光源为高压汞灯，波长为220～400nm，功率为20～2000W，反应器中装填的催化剂有金属钼和钌，载体为HZSM-5或HMCM-22，反应气体压力为0.1～0.15MPa，反应温度为200～400℃。

5.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的工艺装置，其特征在于在300～400℃通过氢气真空泵(10)脱除并回收氢气。

6.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体活化无氧芳构化制备芳烃的工艺装置，其特征在于从气液分离器(9)底部出口流出的冷凝液体为芳烃粗品，顶部出口未冷凝的C1-C4烷烃，与进料气体混合后通过气泵(1l)返回至芳构化反应器(4)，或通过气泵(1h)、(1n)返回至等离子体反应器(3a)中循环套用。