專利名稱：一種低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置與工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子化學(xué)領(lǐng)域，具體為一種適合應(yīng)用于天然氣裂解直接轉(zhuǎn)化制乙炔的低溫等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置與工藝。
背景技術(shù)：
乙炔是有機(jī)化工的基礎(chǔ)原料，傳統(tǒng)的方法是采用電石水解制備乙炔。由于電石法存在嚴(yán)重的環(huán)境污染，目前工業(yè)界一方面在探索乙炔的制備方法，另一方面開發(fā)利用乙烯作為有機(jī)化工的工藝路線。
天然氣是自然界儲(chǔ)量十分豐富的一種能源。近年來(lái)由于石油資源的日趨減少以及石油市場(chǎng)的不穩(wěn)定，如何高效地將天然氣轉(zhuǎn)化為高附加值的化工產(chǎn)品是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)部門十分關(guān)心的研究課題。天然氣大多數(shù)是分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)，運(yùn)輸成本高，所以通常人們希望進(jìn)行就地將天然氣轉(zhuǎn)化成便于運(yùn)輸?shù)母咛紵N產(chǎn)品。天然氣的主要成分是甲烷，由于甲烷具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，采用常規(guī)的催化技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)甲烷的高效轉(zhuǎn)化利用。
等離子體由于具有很高的比能量密度、含有大量高能量的電子、離子和中性粒子，在材料的表面改性、金屬冶煉、等離子體化學(xué)合成、有毒有害廢棄物的處理等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。大量研究結(jié)果表明等離子體具有很強(qiáng)的活化能力，可以為甲烷的活化、直接轉(zhuǎn)化提供合適的條件；另外等離子體具有很高的能量密度，因而可以在很短的時(shí)間、很小的反應(yīng)區(qū)處理大量的反應(yīng)物，從而大幅度縮小反應(yīng)裝置、節(jié)省裝置投資。
等離子體在天然氣轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用分為高溫電弧等離子體矩、負(fù)壓低溫等離子體、常壓低溫等離子體三種方式。
高溫電弧等離子體炬早在上世紀(jì)30年代就應(yīng)用于天然氣制乙炔(該方法又稱為HULS工藝)。在上世紀(jì)六十年代以前電弧法和電石法一直是生產(chǎn)化工產(chǎn)品原料——乙炔的主要方法。由于常規(guī)電弧的工作溫度高、電極上的電極斑點(diǎn)導(dǎo)致電極發(fā)生嚴(yán)重?zé)g(陽(yáng)極壽命只有100小時(shí)左右)、等離子體反應(yīng)過(guò)程難以控制、乙炔的生產(chǎn)能耗高(達(dá)到12.5千瓦時(shí)/公斤乙炔)。
近年來(lái)，應(yīng)用絲光放電、滑弧放電、介質(zhì)阻擋放電等常壓低溫等離子體進(jìn)行天然氣的直接轉(zhuǎn)化得到廣泛的研究。雖然低溫等離子體能夠較好地控制反應(yīng)過(guò)程，設(shè)備的穩(wěn)定性要比高溫直流電弧高，但是天然氣的轉(zhuǎn)化率比較低，乙炔的單程收率不到40％。如何提高常規(guī)低溫等離子體的轉(zhuǎn)化效率或者降低常規(guī)電弧等離子體的能耗提高電極的壽命仍然是需要解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種長(zhǎng)壽命、高能量效率的低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置與工藝。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置，由微波等離子體炬與直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)復(fù)合而成，微波等離子體炬的外導(dǎo)體為中空結(jié)構(gòu)，中空部分出氣端形成噴口，直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)由外導(dǎo)體、與外導(dǎo)體噴口對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電圓管構(gòu)成，導(dǎo)電圓管的管腔為反應(yīng)腔，其中外導(dǎo)體為陰極，導(dǎo)電圓管為陽(yáng)極，導(dǎo)電圓管通過(guò)抗流結(jié)構(gòu)與直流電源連接。
所述導(dǎo)電圓管外側(cè)裝有水冷套，導(dǎo)電圓管與水冷套之間裝有隔熱層，水冷套外側(cè)裝有外殼，抗流結(jié)構(gòu)由同軸電容和平板電容構(gòu)成，同軸電容由水冷套的冷卻水進(jìn)水管、套設(shè)于冷卻水進(jìn)水管外側(cè)的管體構(gòu)成，平板電容由管體下法蘭、與冷卻水進(jìn)水管外壁同軸連接的電容板構(gòu)成，直流電源一端連有與管體上法蘭相連的外殼，其另一端與電容板相連。
所述外殼與水冷套之間裝有第一絕緣層，電容板與管體下法蘭之間裝有第二絕緣層，管體下法蘭與冷卻水進(jìn)水管之間裝有第一絕緣套，管體與冷卻水進(jìn)水管之間裝有第三絕緣層。
所述微波等離子體炬的內(nèi)導(dǎo)體外側(cè)裝設(shè)有高溫透波介質(zhì)，高溫透波介質(zhì)上設(shè)有氣體進(jìn)入的切向通道，直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的氣體入口處、外導(dǎo)體與導(dǎo)電圓管之間采用絕緣介質(zhì)隔開，絕緣介質(zhì)上設(shè)有氣體進(jìn)入的切向通道。
所述直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的反應(yīng)產(chǎn)物出口連至反應(yīng)產(chǎn)物冷卻室，反應(yīng)產(chǎn)物冷卻室內(nèi)設(shè)冷卻水噴頭。
所述反應(yīng)產(chǎn)物出口端面裝有第二絕緣套。
一種低溫等離子體裂解天然氣制乙炔工藝，具體步驟如下
1)利用上述裝置，采用微波等離子體炬對(duì)部分等離子體反應(yīng)氣體進(jìn)行預(yù)先電離，產(chǎn)生等離子體，通過(guò)外導(dǎo)體的噴口進(jìn)入直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)，進(jìn)入微波等離子體炬的反應(yīng)氣體為氫氣或氫氣與天然氣的混合氣體，氫氣與天然氣的體積比為1～3∶1；2)自氣體入口進(jìn)入直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的反應(yīng)氣體為氫氣與天然氣的混合氣體，氫氣與天然氣的體積比為1～3∶1，微波等離子體炬的工作氣體流量與直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的工作氣體流量比為1∶0.01～2，反應(yīng)氣體通過(guò)絕緣介質(zhì)上下兩個(gè)端面上的切向通道向?qū)щ妶A管形成的反應(yīng)腔切向注入，微波等離子體炬與直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)功率比為1∶1～100，在微波等離子體引發(fā)及在外界直流電源的作用下，形成常規(guī)直流等離子體，對(duì)天然氣進(jìn)行裂解，形成反應(yīng)產(chǎn)物乙炔；3)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)噴水進(jìn)行快速冷卻后排出。
所述氫氣與天然氣的體積比最好為1.4∶1；常壓微波等離子體炬的工作氣體流量與常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的工作氣體流量比最好為1∶0.03～0.3；步驟2)中通向?qū)щ妶A管的切向通道直徑與導(dǎo)電圓管的直徑比為1∶1～6，最好為1∶3.6～4.7；所述導(dǎo)電圓管內(nèi)壁材料采用耐高溫導(dǎo)電材料石墨或碳化硅。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明裝置由常壓微波等離子體炬與常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)復(fù)合而成，常壓微波等離子體炬的外導(dǎo)體為中空結(jié)構(gòu)，中空部分出氣端形成噴口，常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)由外導(dǎo)體、與外導(dǎo)體噴口對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電圓管構(gòu)成，外導(dǎo)體作為常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的一個(gè)電極(陰極)，常壓微波等離子體炬一方面可以作為引發(fā)結(jié)構(gòu)，為常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)提供等離子體，另一方面利用微波等離子體炬產(chǎn)生的等離子體在常規(guī)直流等離子體的陰極上形成的單極弧，使常規(guī)電弧等離子體的單個(gè)的陰極斑點(diǎn)分解成若干個(gè)小的電極斑點(diǎn)，從而使得常規(guī)的電弧等離子體柱分解為多根細(xì)小的等離子體絲，等離子體絲隨氣體的推動(dòng)在陽(yáng)極表面上滑動(dòng)。由于等離子體的電極斑點(diǎn)彌散在電極的整個(gè)表面，使得本發(fā)明的電極燒蝕模式由常規(guī)的電弧等離子體電極的局部點(diǎn)燒蝕模式變?yōu)樵陔姌O表面上大面積的均勻燒蝕，從而減少等離子體電極的局部燒蝕，大幅度地延長(zhǎng)電極的壽命，提高等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置工作的穩(wěn)定性。
2、利用陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和通過(guò)氣體流量、組成、氫氣與天然氣比例調(diào)整以及等離子體化學(xué)反應(yīng)腔體直徑等參數(shù)的匹配，使等離子體在高電壓、低電流的模式下工作，由于降低等離子體的工作電流，降低了整個(gè)系統(tǒng)的焦?fàn)枱岬漠a(chǎn)生，可以降低電能傳輸過(guò)程中的熱損失，進(jìn)一步降低電極的燒蝕速率，從而提高電極的使用壽命和整個(gè)裝置的能量效率。等離子體系統(tǒng)的陽(yáng)極采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為等離子體的反應(yīng)腔體，內(nèi)層與外層水冷套之間采用耐高溫絕熱材料保溫，進(jìn)一步降低裝置中等離子體能量的損失，使等離子體化學(xué)反應(yīng)器的熱效率得到提高。利用本裝置及工藝進(jìn)行天然氣裂解制乙炔具有設(shè)備能量效率高、壽命長(zhǎng)、乙炔的制備能耗低的特點(diǎn)。
3、由于微波等離子體的引發(fā)在外界直流電源的作用下，形成常規(guī)放電等離子體，為反應(yīng)體系補(bǔ)充足夠的能量，使天然氣裂解制備乙炔的反應(yīng)得以進(jìn)行。導(dǎo)電圓管通過(guò)抗流結(jié)構(gòu)與常規(guī)直流電源連接，抗流結(jié)構(gòu)由同軸電容和平板電容構(gòu)成，同軸電容由水冷套的冷卻水進(jìn)水管、套設(shè)于冷卻水進(jìn)水管外側(cè)的管體構(gòu)成，平板電容由管體下法蘭、與冷卻水進(jìn)水管外壁同軸連接的電容板構(gòu)成，常規(guī)直流電源一端連有與管體上法蘭相連的外殼，其另一端與電容板相連，起到隔離微波的作用，防止微波與外界干擾。
4、由于本裝置的等離子體的弧根均勻分布在電極的表面，使得等離子體反應(yīng)腔體在橫截面上的能量分布均勻，有利于等離子體化學(xué)反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率和選擇性的提高。
5、本發(fā)明的導(dǎo)電圓管采用石墨或碳化硅等材料，其耐高溫、導(dǎo)電好。
6、本發(fā)明的常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的氣體入口處、外導(dǎo)體與導(dǎo)電圓管之間采用絕緣介質(zhì)(耐溫絕緣材料氧化鋁、氮化硼或石英)隔開，反應(yīng)氣體通過(guò)絕緣介質(zhì)上下兩個(gè)端面上的切向通道向?qū)щ妶A管形成的反應(yīng)腔切向注入，其結(jié)構(gòu)、工藝合理，可以提高熱效率。


圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為常規(guī)直流電抗流結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1中絕緣介質(zhì)上的氣體旋流入口意圖。
圖4為圖1中透波介質(zhì)上的氣體旋流入口意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖，由常壓微波等離子體炬與常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)復(fù)合而成，本發(fā)明常壓微波等離子體炬可采用中國(guó)專利(專利號(hào)為02281293.8、名稱為大功率微波等離子體炬)所述的等離子體炬，常壓微波等離子體炬的微波同軸諧振腔2內(nèi)設(shè)有內(nèi)導(dǎo)體1和外導(dǎo)體21，外導(dǎo)體21為中空結(jié)構(gòu)，中空部分出氣端形成噴口，常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)由外導(dǎo)體21、與外導(dǎo)體21噴口對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電圓管19構(gòu)成，導(dǎo)電圓管19的管腔為反應(yīng)腔，其中外導(dǎo)體21為常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的陰極，導(dǎo)電圓管19為陽(yáng)極，其內(nèi)壁材料采用耐高溫導(dǎo)電材料石墨或碳化硅，導(dǎo)電圓管19通過(guò)抗流結(jié)構(gòu)與常規(guī)直流電源連接，導(dǎo)電圓管19外側(cè)裝有水冷套13，導(dǎo)電圓管19與水冷套13之間裝有由耐高溫絕熱陶瓷組成的隔熱層7，水冷套13外側(cè)裝有外殼6，常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的反應(yīng)產(chǎn)物出口連至反應(yīng)產(chǎn)物冷卻室27，反應(yīng)產(chǎn)物冷卻室27內(nèi)設(shè)冷卻水噴頭9，反應(yīng)產(chǎn)物出口端面裝有第二絕緣套12，冷卻水通過(guò)冷卻水入口8進(jìn)入冷卻室27，反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)噴頭9噴水進(jìn)行快速冷卻后排出，從觀察窗10可以對(duì)等離子體工作情況進(jìn)行觀察，經(jīng)過(guò)冷卻的反應(yīng)氣體通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)物出口11排出。
如圖2所示抗流結(jié)構(gòu)示意圖，抗流結(jié)構(gòu)由同軸電容和平板電容構(gòu)成，同軸電容由水冷套13的冷卻水進(jìn)水管16、套設(shè)于冷卻水進(jìn)水管16外側(cè)的管體17構(gòu)成，平板電容由管體下法蘭25、與冷卻水進(jìn)水管16外壁同軸連接的電容板15構(gòu)成，通過(guò)鎖緊螺母24將電容板15與管體下法蘭25緊固，抗流結(jié)構(gòu)的作用是防止微波隨微波等離子體向常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)泄露，并進(jìn)一步通過(guò)冷卻水進(jìn)水管16對(duì)常規(guī)直流電源14以及周圍空間輻射，常規(guī)直流電源14一端連有與管體上法蘭26相連的外殼6，其另一端與電容板25相連，外殼6與水冷套13之間裝有第一絕緣層18，防止導(dǎo)電圓管19與外殼6之間形成等離子體，電容板15與管體下法蘭25之間裝有第二絕緣層29，管體下法蘭25與冷卻水進(jìn)水管16之間裝有第一絕緣套30，管體17與冷卻水進(jìn)水管16之間裝有第三絕緣層28，冷卻水由冷卻水出管5排出。
如圖3所示圖1中絕緣介質(zhì)上的氣體旋流入口意圖，常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的氣體入口4處、外導(dǎo)體21與導(dǎo)電圓管19之間采用絕緣介質(zhì)20(耐溫絕緣材料氧化鋁、氮化硼或石英)隔開，絕緣介質(zhì)20上設(shè)有氣體進(jìn)入的切向通道3，反應(yīng)氣體沿切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)入等離子體反應(yīng)腔。
如圖4所示圖1中透波介質(zhì)上的氣體旋流入口意圖，常壓微波等離子體炬的內(nèi)導(dǎo)體1外側(cè)裝設(shè)有高溫透波介質(zhì)23，高溫透波介質(zhì)23(陶瓷材料)將反應(yīng)腔體與外界隔離，高溫透波介質(zhì)23上設(shè)有氣體進(jìn)入的切向通道22。
利用本裝置進(jìn)行等離子體裂解制乙炔，具體步驟如下1)利用上述裝置，采用常壓微波等離子體炬對(duì)部分等離子體反應(yīng)氣體進(jìn)行預(yù)先電離，利用氫氣或氫氣與天然氣的混合氣在微波等離子體炬中產(chǎn)生等離子體，微波等離子體通過(guò)外導(dǎo)體的噴口進(jìn)入常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)入常壓微波等離子體炬的反應(yīng)氣體為氫氣或氫氣與天然氣的混合氣體；2)自氣體入口4進(jìn)入常規(guī)直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的反應(yīng)氣體為氫氣與天然氣的混合氣體，反應(yīng)氣體通過(guò)絕緣介質(zhì)上下兩個(gè)端面上的切向通道向?qū)щ妶A管形成的反應(yīng)腔切向注入，由于微波等離子體的引發(fā)和在外界直流電源的作用下，形成常規(guī)直流等離子體，為反應(yīng)體系補(bǔ)充足夠的能量，使天然氣裂解制備乙炔的反應(yīng)得以進(jìn)行，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)電圓管的內(nèi)徑以及天然氣與氫氣的比例和氣體的總流量、改變常規(guī)等離子體的工作電壓和電流，使等離子體在高電壓、低電流的模式下工作，從而提高等離子體的能量效率，進(jìn)一步降低電極的燒蝕速率。
實(shí)施例1反應(yīng)腔體尺寸對(duì)等離子體工作電壓及電源效率的影響在弧電流不變的情況下，隨著反應(yīng)腔直徑的增大，等離子體工作電壓都有明顯提高，與此同時(shí)電源效率由于工作電壓的提高也有所提高。當(dāng)氫氣流量為200L/min，甲烷流量為400L/min，弧電流維持在40A時(shí)，反應(yīng)腔直徑從10mm增加到20mm，等離子體工作電壓可從1050V提高到1700V，同時(shí)，電源效率也從75％提高到85％。
實(shí)施例2等離子體工作氣體組成及氣體流量對(duì)電壓、電源效率的影響隨著等離子工作氣體中甲烷比例的增加或者氣體總流量的增加，弧電壓都有明顯的升高。對(duì)直徑為15mm的反應(yīng)腔，微波等離子工作氣體氫氣流量為200L/min，微波功率12kW，常規(guī)等離子體工作氣體總流量400L/min，若常規(guī)等離子體工作氣體中甲烷流量從0L/min提高到400L/min，當(dāng)弧電流為30A時(shí)，電壓從850V升高到1700V，弧電流為50A時(shí)，電壓從650V升高到1400V。
同樣對(duì)直徑為15mm的反應(yīng)腔，以氫氣為等離子工作氣體，微波等離子體氣體流量維持200L/min不變，常規(guī)等離子體工作氣體的流量從100L/min增大到400L/min，弧電流為30A時(shí)，電壓從240V提高到850V，弧電流為50A時(shí)，電壓從150V提高到650V。
實(shí)施例3微波功率對(duì)電極燒蝕速率的影響在其它工況條件不變的情況下，微波等離子體與常規(guī)等離子體的復(fù)合使用，可以明顯降低陽(yáng)極的燒蝕速率，同時(shí)還使陽(yáng)極的燒蝕更均勻，從而進(jìn)一步提高陽(yáng)極的使用壽命。微波功率與常規(guī)功率的比例為1∶10時(shí)，陽(yáng)極燒蝕速率可從5.8g/hr下降到3.7g/hr。
實(shí)施例4氫氣與天然氣比對(duì)乙炔能耗、甲烷選擇性、收率的影響在等離子體裂解天然氣制乙炔的反應(yīng)中，氫氣不僅是等離子工作氣體，同時(shí)它還對(duì)反應(yīng)結(jié)果有著明顯的影響。其中隨著氫氣比例的增大，它對(duì)積炭反應(yīng)有明顯的抑制作用，從而提高反應(yīng)選擇性。另外過(guò)高的氫氣比例，在一定功率容量的前提下將降低反應(yīng)溫度，從而降低反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，增大能耗。在16mm直徑反應(yīng)腔上進(jìn)行的氫烷比變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響規(guī)律如表1所示。
表1氫烷比變化對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響規(guī)律

實(shí)施例5工作電壓對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率、乙炔收率、能耗的影響在其它情況不變的條件下，工作電壓的提高可以有效的提高反應(yīng)選擇性。使用直徑為15mm的反應(yīng)腔，無(wú)微波功率，常規(guī)功率70kW，甲烷流量280L/min，氫烷比為2，工作電壓從1250V提高到1650V，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可維持在63.5％，選擇性從57.8％提高到62.4％，每公斤乙炔能耗從12.42kW-hr/kg降低到11.5kW-hr/kg。
實(shí)施例6陽(yáng)極尺寸對(duì)天然氣轉(zhuǎn)化率、乙炔收率、能耗的影響陽(yáng)極尺寸對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響主要表現(xiàn)為直徑的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在其它條件不變的情況下，直徑為15mm反應(yīng)腔的反應(yīng)結(jié)果要明顯優(yōu)于小于12mm或大于18mm反應(yīng)腔的反應(yīng)結(jié)果(表2)。
表2反應(yīng)腔直徑變化對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響

實(shí)施例7功率對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率、乙炔收率、能耗的影響反應(yīng)腔直徑為16mm，甲烷流量350L/min，氫烷比等于1.17，微波等離子體引弧后停止工作，常規(guī)功率從64kW變化到72kW，隨著功率的增加，甲烷轉(zhuǎn)化率和乙炔收率均有所上升，分別從58.4％和46％上升到65.3％和53.6，乙炔能耗也相應(yīng)的從11.43kW-hr/kg下降到11.03kW-hr/kg。
實(shí)施例8采用陽(yáng)極保溫層對(duì)甲烷的轉(zhuǎn)化率、乙炔收率、乙炔能耗的影響陽(yáng)極的熱效率是影響乙炔能耗的重要因素之一，而提高陽(yáng)極熱效率最直接的方法就是對(duì)反應(yīng)腔進(jìn)行良好的保溫措施。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)純氫等離子體，在氫氣流量為600L/min，功率48kW，反應(yīng)腔直徑15mm的條件下工作時(shí)，采用保溫材料對(duì)陽(yáng)極保溫，可使陽(yáng)極熱效率從66％提高到90％以上。而對(duì)于等離子體裂解甲烷制乙炔來(lái)說(shuō)，使用16mm直徑的反應(yīng)腔，氫氣流量450L/min，甲烷流量300L/min，功率70kW的情況下，采用保溫技術(shù)可使陽(yáng)極熱效率從85％提高到95％以上。
由于保溫技術(shù)的采用明顯提高了陽(yáng)極熱效率，因此可以使單位產(chǎn)量乙炔的能耗得以降低。在比功率為4.8L-CH4/kW時(shí)，保溫可使甲烷轉(zhuǎn)化率從55.06％提高到65.28％，單位乙炔能耗從12.18kW-hr/kg降低到11.1kW-hr/kg。
權(quán)利要求
1.一種低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置，其特征在于由微波等離子體炬與直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)復(fù)合而成，微波等離子體炬的外導(dǎo)體(21)為中空結(jié)構(gòu)，中空部分出氣端形成噴口，直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)由外導(dǎo)體(21)、與外導(dǎo)體(21)噴口對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電圓管(19)構(gòu)成，導(dǎo)電圓管(19)的管腔為反應(yīng)腔，導(dǎo)電圓管(19)通過(guò)抗流結(jié)構(gòu)與直流電源連接。
2.按照權(quán)利要求1所述低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置，其特征在于所述導(dǎo)電圓管(19)外側(cè)裝有水冷套(13)，導(dǎo)電圓管(19)與水冷套(13)之間裝有隔熱層(7)，水冷套(13)外側(cè)裝有外殼(6)，抗流結(jié)構(gòu)由同軸電容和平板電容構(gòu)成，同軸電容由水冷套(13)的冷卻水進(jìn)水管(16)、套設(shè)于冷卻水進(jìn)水管(16)外側(cè)的管體(17)構(gòu)成，平板電容由管體下法蘭(25)、與冷卻水進(jìn)水管(16)外壁同軸連接的電容板(15)構(gòu)成，直流電源(14)一端連有與管體上法蘭(26)相連的外殼(6)，其另一端與電容板(25)相連。
3.按照權(quán)利要求2所述低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置，其特征在于所述外殼(6)與水冷套(13)之間裝有第一絕緣層(18)，電容板(15)與管體下法蘭(25)之間裝有第二絕緣層(29)，管體下法蘭(25)與冷卻水進(jìn)水管(16)之間裝有第一絕緣套(30)，管體(17)與冷卻水進(jìn)水管(16)之間裝有第三絕緣層(28)。
4.按照權(quán)利要求1所述低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置，其特征在于所述微波等離子體炬的內(nèi)導(dǎo)體(1)外側(cè)裝設(shè)有高溫透波介質(zhì)(23)，高溫透波介質(zhì)(23)上設(shè)有氣體進(jìn)入的切向通道(22)，直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的氣體入口處、外導(dǎo)體(21)與導(dǎo)電圓管(19)之間采用絕緣介質(zhì)(20)隔開，絕緣介質(zhì)(20)上設(shè)有氣體進(jìn)入的切向通道(3)。
5.按照權(quán)利要求1所述低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置，其特征在于所述直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的反應(yīng)產(chǎn)物出口連至反應(yīng)產(chǎn)物冷卻室(27)，反應(yīng)產(chǎn)物冷卻室(27)內(nèi)設(shè)冷卻水噴頭(9)。
6.按照權(quán)利要求5所述低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置，其特征在于所述反應(yīng)產(chǎn)物出口端面裝有第二絕緣套(12)。
7.一種低溫等離子體裂解天然氣制乙炔工藝，其特征在于具體步驟如下1)利用權(quán)利要求1～6之一所述裝置，采用微波等離子體炬對(duì)部分等離子體反應(yīng)氣體進(jìn)行預(yù)先電離，產(chǎn)生等離子體，通過(guò)外導(dǎo)體的噴口進(jìn)入直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)，進(jìn)入微波等離子體炬的反應(yīng)氣體為氫氣或氫氣與天然氣的混合氣體，氫氣與天然氣的體積比為1～3∶1；2)自氣體入口進(jìn)入直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的反應(yīng)氣體為氫氣與天然氣的混合氣體，氫氣與天然氣的體積比為1～3∶1，微波等離子體炬的工作氣體流量與直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的工作氣體流量比為1∶0.01～2，反應(yīng)氣體通過(guò)絕緣介質(zhì)上下兩個(gè)端面上的切向通道向?qū)щ妶A管形成的反應(yīng)腔切向注入，微波等離子體炬與直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)功率比為1∶1～100，在微波等離子體引發(fā)及在外界直流電源的作用下，形成常規(guī)直流等離子體，對(duì)天然氣進(jìn)行裂解，形成反應(yīng)產(chǎn)物乙炔；3)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)噴水進(jìn)行快速冷卻后排出。
8.按照權(quán)利要求7所述低溫等離子體裂解天然氣制乙炔工藝，其特征在于微波等離子體炬的工作氣體流量與直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)的工作氣體流量比為1∶0.03～0.3。
9.按照權(quán)利要求7所述低溫等離子體裂解天然氣制乙炔工藝，其特征在于步驟2)中通向?qū)щ妶A管的通向?qū)щ妶A管的切向通道直徑與導(dǎo)電圓管的直徑比為1∶1～6。
10.按照權(quán)利要求7所述低溫等離子體裂解天然氣制乙炔工藝，其特征在于所述導(dǎo)電圓管內(nèi)壁材料采用耐高溫導(dǎo)電材料石墨或碳化硅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合應(yīng)用于天然氣裂解直接轉(zhuǎn)化制乙炔的低溫等離子體化學(xué)反應(yīng)裝置與工藝，裝置由微波等離子體炬與直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)復(fù)合而成，微波等離子體炬的外導(dǎo)體為中空結(jié)構(gòu)，中空部分出氣端形成噴口，直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)由外導(dǎo)體、與外導(dǎo)體噴口對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電圓管構(gòu)成，導(dǎo)電圓管的管腔為反應(yīng)腔，其中外導(dǎo)體為陰極，導(dǎo)電圓管為陽(yáng)極，導(dǎo)電圓管通過(guò)抗流結(jié)構(gòu)與直流電源連接。工藝1)利用上述裝置，微波等離子體炬產(chǎn)生的微波等離子體進(jìn)入直流等離子體激發(fā)機(jī)構(gòu)；2)微波等離子體在外界直流電源的作用下，形成常規(guī)直流等離子體，對(duì)天然氣進(jìn)行裂解，形成反應(yīng)產(chǎn)物乙炔。利用本發(fā)明裝置及工藝具有設(shè)備能量效率高、壽命長(zhǎng)、乙炔的制備能耗低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C07C4/00GK1613838SQ200310105039
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者楊永進(jìn), 張勁松, 徐興祥, 孫家言 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所