一種放電等離子體輕烴改性的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】一種放電等離子體輕烴改性的方法和裝置，屬于氣體放電等離子體化學(xué)反應(yīng)和能源化工相關(guān)領(lǐng)域，該方法的處理過程是把含輕烴的氣流導(dǎo)入裝置，所述的裝置內(nèi)設(shè)置有的正負(fù)(或正地)交替的多組電極對(duì)，電極與高壓電源連接，同時(shí)從吸收液噴淋器噴淋出來的吸收液液滴與電極接觸造成正負(fù)電極之間瞬間導(dǎo)通放電使周圍氣體電離，形成由高能電子、原子和自由基等活性粒子組成的氣液接觸放電等離子體區(qū)，從所述的裝置一端的氣體入口導(dǎo)入的含輕烴氣流經(jīng)過所述的放電等離子體區(qū)，氣流中的輕烴與這些活性粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成醛和醇等產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)改性轉(zhuǎn)化的目的。
【專利說明】
-種放電等離子體輕輕改性的方法和裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種放電等離子體輕控改性的方法和裝置，屬于氣體放電等離子體化 學(xué)反應(yīng)和能源化工相關(guān)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 甲燒是天然氣和沼氣的主要成分，同時(shí)，甲燒也產(chǎn)生于許多工業(yè)和廢水處理等厭 氧過程，是一種可再生的資源，也是一種化工原料。如何經(jīng)濟(jì)合理地利用豐富的甲燒資源日 益受到重視。但是許多天然氣資源在人煙稀少的邊遠(yuǎn)地區(qū)，而且其儲(chǔ)存量及甲燒的含量各 不相同，同時(shí)遠(yuǎn)距離輸送成本高昂。如能把甲燒在原地先轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料或化工原料，則大 大降低了運(yùn)輸成本。從資源利用和環(huán)保的角度來看，甲燒可W通過生物質(zhì)轉(zhuǎn)化得到，是可再 生的資源，也是京都全球溫暖化議定書規(guī)制排放的氣體之一，其他輕控如乙燒和丙烷等是 石油伴生氣體，如能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為醇等高級(jí)化工原料，其價(jià)值也能得到提升。
[0003] 目前，工業(yè)化甲燒等輕控轉(zhuǎn)化的主要手段是采用催化技術(shù)，通過水蒸汽和二氧化 碳重整W及甲燒的部分氧化，在高溫高壓下把甲燒轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氨氣的合成氣，然后 再進(jìn)一步合成甲醇。但運(yùn)些技術(shù)的主要缺點(diǎn)是工藝條件苛刻，需要高溫或高壓，投資和運(yùn)行 成本高，制約了它的實(shí)際推廣應(yīng)用。
[0004] 由氣體放電產(chǎn)生的非平衡等離子體(Nonthermal Plasma)作為一種促進(jìn)化學(xué)反應(yīng) 的方法，近年來得到各國研究者的廣泛重視，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的有機(jī)物的降解和分子重 組反應(yīng)。其基本原理是利用氣體放電產(chǎn)生大量高能電子、原子和自由基，運(yùn)些高能電子、原 子和自由基與氣體分子反應(yīng)并使其激化、離解和重組，實(shí)現(xiàn)氧化或還原反應(yīng)。該技術(shù)的主要 優(yōu)點(diǎn)是非平衡等離子體可由氣體放電產(chǎn)生，反應(yīng)可在常溫常壓下進(jìn)行，從而大大地節(jié)省了 能量。
[0005] 近年來非平衡等離子體技術(shù)開始用于甲燒等輕控的改性研究，研究結(jié)果表明在氣 體放電非平衡等離子體作用下，甲燒能有效地被轉(zhuǎn)化氨氣、各種控類和低價(jià)醇類。但是非平 衡等離子體輕控改性技術(shù)研究工作還處于起步階段，轉(zhuǎn)化率不高，產(chǎn)物選擇性不好，甚至沒 有選擇性，運(yùn)主要是由于等離子體化學(xué)反應(yīng)難于控制引起的。因此，如何控制和導(dǎo)向等離子 體化學(xué)反應(yīng)，提高其轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)把輕控選擇性地轉(zhuǎn)化為所要求的產(chǎn)物成為重要課題。
[0006] 本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)和提供一種輕控改性的方法和裝置，強(qiáng)化輕控在氣體放電非 平衡等離子體作用下的反應(yīng)過程，從而提高其轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的選擇性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種放電等離子體輕控改性的方法，其特征在于把含 輕控的氣流導(dǎo)入裝置，所述的裝置內(nèi)設(shè)置有的正負(fù)（或正地)交替的多組電極對(duì)，電極與高 壓電源連接，同時(shí)從吸收液噴淋器噴淋出來的吸收液液滴與電極接觸造成正負(fù)電極之間瞬 間導(dǎo)通放電使周圍氣體電離，形成由高能電子、原子和自由基等活性粒子組成的氣液接觸 放電等離子體區(qū)，從所述的裝置一端的氣體入口導(dǎo)入的含輕控的氣流經(jīng)過所述的放電等離 子體區(qū)，氣流中的輕控與運(yùn)些活性粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成醒和醇等產(chǎn)物，運(yùn)些水溶性的產(chǎn) 物一部分被所述的吸收液吸收后從裝置下部的吸收液排出口排出，一部分產(chǎn)物隨反應(yīng)后的 氣流通過在裝置另一端的氣體出口排出，運(yùn)些產(chǎn)物可通過后續(xù)常規(guī)化工分離工藝進(jìn)一步處 理獲得相關(guān)產(chǎn)品。
[0008] 根據(jù)上述技術(shù)方案的一種放電等離子輕控改性的裝置，其特征在于所述的裝置的 結(jié)構(gòu)類似吸收塔，由氣體進(jìn)口、氣體分布器、吸收液進(jìn)口、氣液接觸放電等離子體區(qū)、氣體出 口、吸收液排出口組成。所述的氣液接觸放電等離子體區(qū)設(shè)置在裝置的塔體中間，由正負(fù) (或正地)交替的電極對(duì)組成，電極由高壓電源供電，所述的裝置的兩端設(shè)置有氣體進(jìn)口和 反應(yīng)后氣體出口，所述的吸收液噴淋器設(shè)置在所述的裝置的上部，裝置下部設(shè)置有吸收液 排出口。
[0009] 本發(fā)明所述的電極結(jié)構(gòu)一般為對(duì)稱網(wǎng)狀板結(jié)構(gòu)，也可為針-網(wǎng)式，線-網(wǎng)式和線-板 式等，電極可水平放置也可垂直放置，具體依據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)形狀和氣、液流動(dòng)方向設(shè)計(jì)和確 定。電極材料一般為不誘鋼、鐵和鶴等導(dǎo)電良好的金屬材料W及相關(guān)復(fù)合材料，所述復(fù)合材 料包括不誘鋼或鐵基二氧化釘(或銀）、二氧化鐵、二氧化鉛，二氧化儘和二氧化錫等復(fù)合電 極，運(yùn)些復(fù)合材料同時(shí)還具有一定的催化功能，能提高整體轉(zhuǎn)化率約5% W上。W網(wǎng)板電極 為例，網(wǎng)孔一般為圓形或多邊形，網(wǎng)孔大小應(yīng)保證氣體和/或液體流過，流阻小，單個(gè)網(wǎng)孔面 積一般應(yīng)在0.03cm2 W上，優(yōu)選0.2cm2-50cm2，具體可視裝置流通截面大小而定，氣流正對(duì)電 極網(wǎng)板流動(dòng)時(shí)，單個(gè)網(wǎng)孔面積一般應(yīng)小于流通截面的1/10,兩相鄰正負(fù)電極距離一般為1mm W上，優(yōu)選5mm-150mm，電極除放電工作部分外，其他部分作絕緣處理，可采用聚四氣乙締和 陶瓷等絕緣材料。本發(fā)明所采用電極的供電方式包括直流、脈沖和交流，其中直流和脈沖供 電的電壓一般均為±AV-±200kV，此時(shí)負(fù)極均為接地極，脈沖供電的脈沖重復(fù)頻率一般為 mz W上，優(yōu)選10化-500化，頻率增加，有害物降解率提高，脈沖重復(fù)頻率為500Hz W上時(shí)，實(shí) 際效果提高幅度不太，交流供電的電壓一般為lkV-200kV，頻率一般為IHzW上，優(yōu)選10化- lOOOHz，頻率為1000化W上時(shí)，實(shí)際效果提高幅度不太。電極施加電壓與電極間距有關(guān)，電 極間距離越大，施加電壓可越高，一般電極距離每增加10mm，電壓可增加化V-lOkV，電壓高 能量釋放大，轉(zhuǎn)化率高，電極對(duì)越多，輸入功率越大，改性效果越好。
[0010] 吸收液一般為清水(包括自來水），可在清水中加入少量的如硫酸鋼和氯化鋼等電 解質(zhì)增加其導(dǎo)電性，一般為0.1% W下，無特殊要求。所述吸收液的主要功能之一是在噴淋 過程中使吸收液液滴與正負(fù)電極之間接觸導(dǎo)通后放電使氣體電離，形成由高能電子、原子 和自由基等組成的氣液接觸放電等離子體區(qū)，促進(jìn)輕控的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化，吸收液噴淋一般采 用微孔滴噴和氣流噴淋，效果相當(dāng)，氣流吹噴可W廢水噴射真空累等形式氣液后混合導(dǎo)入， 微孔滴噴較簡單，通過調(diào)節(jié)吸收液噴淋量和噴淋頻率來調(diào)節(jié)放電強(qiáng)度，一般采用間隔噴淋， 間隔噴淋的間隔時(shí)間一般應(yīng)小于被處理氣流在放電等離子體區(qū)的停留時(shí)間，具體可依據(jù)裝 置的結(jié)構(gòu)尺寸和負(fù)荷及轉(zhuǎn)化率等參數(shù)確定，含輕控氣流在放電等離子體區(qū)的停留時(shí)間一般 為0.5s W上，停留時(shí)間越長，轉(zhuǎn)化效果越好，優(yōu)選3-120S，超過120s，轉(zhuǎn)化效果提高幅度變 小。所述吸收液的另一個(gè)功能是能吸收輕控改性反應(yīng)生成的醇等水溶性產(chǎn)物，進(jìn)而間接促 進(jìn)輕控的轉(zhuǎn)化。
[0011]本發(fā)明所述的輕控包括甲燒、乙燒、乙締、丙烷、丙締和下燒等化合物，所述的氣流 為空氣，也可采用氮?dú)?、氧氣和氣氣等氣體的一種或其混合氣體，效果大體相同，但產(chǎn)物有 所不同，氣流中輕控的含量為1%-99%，輕控含量少時(shí)轉(zhuǎn)化率高，但目標(biāo)產(chǎn)物不易控制，反 之相反，優(yōu)選10 %-65 %。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明采用吸收噴淋液滴與裝置中的正負(fù)電極接觸并使之導(dǎo)通 放電使氣體電離，形成由高能電子、原子和自由基等活性粒子組成的等離子體區(qū)，運(yùn)些活性 粒子與所述的輕控發(fā)生改性反應(yīng)，生成相關(guān)的醇等的產(chǎn)物，所生產(chǎn)的產(chǎn)物一部分被反應(yīng)后 氣流帶走，一部分溶解在吸收液中，實(shí)現(xiàn)了常溫下的輕控改性。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明所述的一種放電等離子體輕控改性的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中：1氣體 進(jìn)口； 2氣體分布器;3氣液接觸放電等離子體區(qū);4吸收液進(jìn)口； 5氣體出口； 6吸收液噴淋器； 7電極組的正極;8電極組的負(fù)極;9吸收液排出口。
[0014] 圖2為本發(fā)明所述的一種放電等離子體輕控改性的裝置網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)示意圖，其 中：10網(wǎng)狀電極接線柱。正負(fù)電極結(jié)構(gòu)相同。
[0015] 圖3為本發(fā)明所述的一種放電等離子體輕控改性的裝置的邸式結(jié)構(gòu)示意圖（其中 上圖為正視圖，下圖為俯視圖），其中：1氣體進(jìn)口；2網(wǎng)狀電極組;3氣流分布板(氣體進(jìn)出口 各一）；4吸收液噴淋器;5氣體出口； 6吸收液排出口； 7吸收液進(jìn)口； 8電極組的正極接線柱;9 電極組的負(fù)極接線柱。
【具體實(shí)施方式】
[0016] W下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0017] 實(shí)施例1:本發(fā)明所述的一種放電等離子體輕控改性的裝置如圖1所示。裝置為圓 筒形，筒體材質(zhì)PP，外形尺寸為Φ 150mm XI 200mm，立式放置。電極為如圖2所述的圓盤形網(wǎng) 狀電極，電極材料為31化不誘鋼，沖壓成型，網(wǎng)孔為矩形，電極外形尺寸為Φ 140mm X 2mm，單 孔尺寸為10mm X 10mm，電極間距離約15mm，共12組。電極供電方式為交流，交流電壓約為 6kV，交流頻率約為50化，電源功率約100W。
[0018] 處理工藝如下:把所述的正負(fù)交替的網(wǎng)狀電極的正極7與交流高壓電源一端連通， 把所述的網(wǎng)狀電極的負(fù)極8接交流高壓的另一端，調(diào)節(jié)流量和噴淋頻率使吸收液噴淋器10 噴淋的下來的吸收液滴與高壓電極接觸造成正負(fù)電極之間導(dǎo)通放電，使氣體電離，形成由 高能電子、原子和自由基等活性粒子組成的氣液接觸放電等離子體區(qū)，當(dāng)所述的裝置一端 的氣體入口導(dǎo)入的含輕控氣流經(jīng)過所述的放電等離子體區(qū)時(shí)，氣流中的輕控被與運(yùn)些活性 粒子發(fā)生改性反應(yīng)，生成相關(guān)醒和醇等產(chǎn)物，運(yùn)些水溶性的產(chǎn)物也能被所述的吸收液吸收 帶走，反應(yīng)后含部分產(chǎn)物的氣流通過設(shè)置在裝置另一端的氣體出口排出。
[0019] 實(shí)驗(yàn)條件為:輕控的載氣氣流為空氣，氣體溫度為常溫，流量約1.5m^h。氣流在氣 液接觸放電等離子體區(qū)的停留時(shí)間約為6s，吸收液噴淋量約50LA，噴淋頻率約1.5次/s。有 機(jī)物的濃度監(jiān)測方法為氣相色譜儀，穩(wěn)定運(yùn)行15min分鐘后測定。初始吸收液為自來水。
[0020] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
[0021] 表1輕控的轉(zhuǎn)化效果
[0022]

[0023] 實(shí)施例2:電極材料為鐵基二氧化釘復(fù)合電極，氣體流量約為1.5m^h。氣流在氣液 接觸放電等離子體區(qū)的停留時(shí)間約為6s，吸收液噴淋量約25LA，噴淋頻率約1次/s。電極間 距離約30mm。電極供電方式為脈沖，脈沖電壓約為15kV，脈沖頻率約50化。輕控的載氣流為 氮?dú)?。其他?shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例1。
[0024] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
[0025] 表2輕控的轉(zhuǎn)化效果
[0026]
[0027] 實(shí)施例3:
[0028] 本發(fā)明所述的一種放電等離子體輕控改性的裝置如圖3所示。裝置主體為長方體 形，材質(zhì)PP，主體外形尺寸為200mmX 150 X 450mm，邸式放置。電極為長方形網(wǎng)狀電極，電極 材料為31化不誘鋼，沖壓成型，網(wǎng)孔為矩形，外形尺寸為180mm X 130 X 2mm，單孔尺寸為10mm X 10mm，電極間距離約10mm，共12組，水平放置。電極供電方式為直流，電壓約為4kV，電源功 率約為100W。
[0029] 處理工藝流程如下:把所述的正負(fù)交替的網(wǎng)狀電極的正極8與交流高壓電源連接， 把所述的網(wǎng)狀電極的負(fù)極9接地，調(diào)節(jié)流量和噴淋頻率使吸收液噴淋器10噴淋下來的吸收 液滴與高壓電極接觸造成正負(fù)電極之間導(dǎo)通放電，使氣體電離，形成由高能電子、原子和自 由基等活性粒子組成的氣液接觸放電等離子體區(qū)，當(dāng)所述的裝置一端的氣體入口 1導(dǎo)入的 含輕控氣流經(jīng)過所述的放電等離子體區(qū)2時(shí)，氣流中的輕控被與運(yùn)些活性粒子發(fā)生改性反 應(yīng)，生成相關(guān)醇等產(chǎn)物，反應(yīng)后含部分產(chǎn)物的氣流通過設(shè)置在裝置另一端的氣體出口 5排 出，部分水溶性的產(chǎn)物被所述的吸收液從裝置下部的吸收液排出口 6排出帶走。
[0030] 實(shí)驗(yàn)條件為:輕控的載氣氣流為氣氣，氣體溫度為常溫，氣體流量約為，吸收 液噴淋量約30LA，噴淋頻率約1次/s。其他實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例1。
[0031] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
[0032] 表3輕控的轉(zhuǎn)化效果
[0033]
[0034] 應(yīng)該說明的是，W上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的保護(hù)范圍不 限于此。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對(duì)各實(shí)施例所記載的 技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中的部分技術(shù)特征進(jìn)行任何等同替換、修改、變化和改進(jìn)等， 均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種放電等離子體輕烴改性的方法，其特征在于把含輕烴的氣流導(dǎo)入裝置，所述的 裝置內(nèi)設(shè)置有的正負(fù)（或正地)交替的多組電極對(duì)，電極與高壓電源連接，同時(shí)從吸收液噴 淋器噴淋出來的吸收液液滴與電極接觸造成正負(fù)電極之間瞬間導(dǎo)通放電使周圍氣體電離， 形成由高能電子、原子和自由基等活性粒子組成的氣液接觸放電等離子體區(qū)，從所述的裝 置一端的氣體入口導(dǎo)入的含輕烴氣流經(jīng)過所述的放電等離子體區(qū)，氣流中的輕烴與這些活 性粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成醛和醇等產(chǎn)物，這些水溶性產(chǎn)物的一部分被所述的吸收液吸收 后從裝置下部的吸收液排出口排出，一部分隨反應(yīng)后的氣流通過所述裝置另一端的氣體出 口排出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的電極包括網(wǎng)-網(wǎng)板式、針-網(wǎng)板式和 線-網(wǎng)板式，電極材料包括為不銹鋼、鈦或鎢以及相關(guān)復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料包括不銹 鋼或鈦基二氧化釕(或銥）、二氧化鈦、二氧化鉛，二氧化錳和二氧化錫等復(fù)合電極。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的網(wǎng)板電極，網(wǎng)孔為圓形或多邊形， 單個(gè)網(wǎng)孔面積在0 · 03cm2以上，優(yōu)選0 · 2cm2_50cm2。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的電極的供電方式包括直流、脈沖 和交流，其中直流和脈沖供電的電壓一般為±lkV-±200kV，脈沖供電的脈沖重復(fù)頻率為 1Hz以上，交流供電的電壓為lkV-200kV，頻率為1Hz以上，兩相鄰正負(fù)電極距離為1mm以上。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述吸收液噴淋包括微孔滴噴或氣流噴淋， 所述的吸收液為清水(包括自來水）。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的輕烴包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙 烯和丁烷，氣流中輕烴的含量為1 %-99 %。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的氣流載氣為空氣，或氮?dú)?、氧氣和?氣的一種或其混合氣體。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述含輕烴的氣流在所述放電等離子體區(qū) 的停留時(shí)間為0.5s以上。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所述的裝置由氣體進(jìn)口、氣體分布 器、吸收液進(jìn)口、吸收液噴淋器、氣液接觸放電等離子體區(qū)、氣體出口和吸收液排出口組成， 所述的氣液接觸放電等離子體區(qū)設(shè)置在裝置的中間，由多組正負(fù)(或正地)交替的電極對(duì)組 成，電極由高壓電源供電，所述的裝置的兩端設(shè)置有氣體進(jìn)口和氣體出口，吸收液噴淋器設(shè) 置在所述的裝置的上部，裝置下部設(shè)置有吸收液排出口。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述的裝置可以立式放置或臥式放置，電 極對(duì)可以水平放置或垂直放置。
【文檔編號(hào)】B01D53/14GK105964114SQ201610414063
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】黃立維
【申請(qǐng)人】黃立維