等離子體反應器與分解烴流體的方法
【專利摘要】在分解烴流體用的等離子體反應器(1)中，將減少或完全防止C顆粒的沉積。為了實現此目標，描述一種分解烴流體用的等離子體反應器(1)，其包括：反應器腔室(2)，其由反應器壁(3，3a)封閉且具有至少一個烴流體入口(5)以及至少一個出口(15)；以及等離子體燃燒器(7)，具有至少兩個細長電極，其各自具有固定至反應器壁(3b)的底座部分(9)以及突出至反應器腔室(2)中且具有自由末端的燃燒器部分(11)。烴流體入口(5)展開至反應器腔室(2)中以使得自烴流體入口流出的烴流體沿著至少一個電極在反應器壁與電極之間的空間中流動至燃燒器部分的自由末端(12)。所述流體的高流率藉此得以實現，且進入的流體的流動方向被引導遠離烴流體入口(5)。
【專利說明】
等離子體反應器與分解烴流體的方法
技術領域
[0001]本發明是關于分解烴流體用的等離子體反應器以及操作等離子體反應器的方法。
【背景技術】
[0002]圖5描繪已知等離子體反應器1、其在1990年代用作用于生產碳粒(或稱為C顆粒)的測試反應器。現有等離子體反應器V包括反應器腔室2'，其由具有下方部分3a'及蓋3b'的反應器壁3'封閉。反應器腔室2'為實質上圓柱狀的，且具有中心軸V。多個烴流體入口 5'設置于圓柱狀外壁上，用于在徑向方向上引導烴流體。包括細長電極(其未被詳細展示)的等離子體燃燒器7'固定至反應器壁3'的蓋31/。等離子體燃燒器7'具有固定至反應器壁3'的蓋3b'的底座部分9'。在與底座部分9'相對的等離子體燃燒器7'的另一末端處，等離子體燃燒器7'具有突出至反應器腔室2'中的燃燒器部分If。在與等離子體燃燒器7'相對的反應器腔室2'的另一末端處，等離子體反應器V具有出口 15'，其中自進入的烴流體的裂解產生的物質可經由出口 15'而逸出。在已知的等離子體反應器V的操作中，等離子體13'形成于燃燒器部分If的附近。烴流體是在朝向等離子體13'的方向上經由烴流體入口5'而引入。烴流體在不存在氧氣的情況下且在高達2000°C的操作溫度下分解為氫氣及C顆粒，而氫氣及C顆粒以H2/C氣溶膠(aerosol)的形式自等離子體反應器的出口 15'排出。
[0003]自US5 481 080 A，已知一種等離子體燃燒器，其具有被配置為相互同軸的兩個或超過兩個管狀電極。用于引入將由等離子體處理的氣體的進氣管同軸配置于內部管狀電極內。進氣管終止于會在系統操作時形成等離子體弧的兩個管狀電極的自由末端附近。
[0004]已知等離子體反應器會出現以下問題。在烴流體入口5'處存在碳沉積物的堆積，而碳沉積物一方面可能阻塞入口且另一方面可能導致不再可用于正產生的H2/C氣溶膠的大塊碳或C顆粒。為了防止烴在離開烴流體入口 5'之后立即分解并因而導致沉積物，烴流體入口5'配置于相對于等離子體13'的足夠大的距離dl處。此外，反應器壁3'由于高操作溫度而必須遠離等離子體13'而定位，以便減小反應器壁3'上的熱負載。因此，反應器腔室2'必須為特定大小，如此導致在等離子體弧與反應器腔室的上方部分之間存在未使用的自由空間171參見圖5)。熱氫氣尤其累積于自由空間17'中，且如此導致大量熱損耗。此外，在此區域中存在大量熱積聚，從而導致高達2500°C的溫度。尤其由于不同的熱膨脹系數以及因不同的熱膨脹系數所致的材料中的應力，這些高溫對電極以及反應器壁的材料造成實質性的需求。
【發明內容】
[0005]因此，本發明的目標為提供一種不產生或較少產生C顆粒的沉積物的等離子體反應器。此目標通過如權利要求1所述的等離子體反應器、如權利要求7所述的操作等離子體反應器的方法以及如權利要求10所述的用于生產合成烴的設施來實現。
[0006]本文所述的分解烴流體用的等離子體反應器包括:反應器腔室，其由反應器壁封閉且包括至少一個烴流體入口以及至少一個出口 ；以及等離子體燃燒器，包括至少兩個細長電極，其各自具有固定至所述反應器壁的底座部分以及突出至所述反應器腔室中且具有自由末端的燃燒器部分。所述烴流體入口展開至所述反應器腔室中以使得自所述烴流體入口流出的烴流體沿著至少一個電極在所述反應器壁與所述電極之間的空間中流動至所述燃燒器部分的所述自由末端。通過烴流體入口的此種配置，可減少乃至完全防止C顆粒的沉積物，此是因為流體的高流率得以實現且進入的流體的流動方向被引導遠離烴流體入口。
[0007]較佳地，所述烴流體入口與所述底座部分之間的距離小于所述烴流體入口與所述自由末端之間的距離。等離子體位于所述等離子體燃燒器的所述自由末端處且也產生輻射熱。因為所述烴流體入口配置于所述底座部分附近，所以所述入口由所述等離子體燃燒器的本體屏蔽而免受輻射熱。
[0008]有利地，所述等離子體燃燒器包括一個配置于另一個內的兩個管狀電極;且所述烴流體入口在徑向方向上配置于外部管狀電極外。在使用經久耐用的管狀電極時，此種配置是有利的。
[0009]所述烴流體入口較佳經對準以使得自所述烴流體入口流出的所述烴流體在與所述電極的縱向范圍相同的方向上流動。所述電極的過熱以及所述反應器的上方區域中的熱物質的累積藉此得以避免。流入的烴流體也充當反應器壁的熱屏蔽。
[0010]較佳地，所述烴流體入口以及所述出口配置于所述反應器腔室的相對末端處。因此，在沿著所述等離子體燃燒器自所述烴流體入口至所述出口的方向上存在流動，且反應時間由于熱區的改良的利用而減少。
[0011]有利地，所述烴流體入口具有冷卻的入口通道以便降低C顆粒的沉積的可能性。
[0012]本文所述的根據實施例的操作等離子體反應器的方法實現前述目標在于，烴流體相對于反應器腔室的容積以500至10001/小時的空間速率穿過所述反應器腔室。高流率因此對抗C顆粒的沉積。
[0013]較佳地，在此方法中，沿著等離子體燃燒器自底座部分朝向自由末端而引導烴流體。電極的過熱以及反應器的上方區域中的熱物質的累積藉此得以避免。流入的烴流體也充當反應器壁的熱屏蔽。
[0014]在所述方法中，有利地，以15至40巴、較佳18至22巴的壓力引入烴流體。可壓縮的氣態氫形成于反應器腔室中。此外，若烴流體為氣體(例如，天然氣)，則此氣體也為可壓縮的。可在前述壓力下在反應器內實現較高密度的氣態物質，藉此導致等離子體反應器的較高產量能力。因此，可在較高壓力下使用較小反應器容積，藉此在制造及操作期間提供機械穩定的反應器容積及成本節省的優點。
[0015]上述等離子體反應器以及上述方法在用于生產合成烴的設施中提供優點，所述設施包括:根據上述實施例的等離子體反應器，用于將烴流體分解為碳及氫氣;C轉化器，用于實現(a)將碳與CO2轉化為CO或(b)將碳與H2O轉化為C0/H2氣體混合物的制程，其中所述C轉化器包括至少一個處理空間，其具有針對CO2或H2O的至少一個輸入、至少一個氣溶膠輸入以及針對自所述轉化制程產生的合成氣體的至少一個C轉化器輸出。所述C轉化器的所述氣溶膠輸入連接至所述等離子體反應器的輸出。所述設施也包括CO轉化器，其中所述CO轉化器具有配置觸媒的處理空間、用于自所述C轉化器引入所述合成氣體使之與所述觸媒接觸的其他構件以及用于將所述觸媒和/或所述合成氣體的溫度控制或調節為預定溫度的控制單元。在所述等離子體反應器、所述C轉化器以及所述CO轉化器中以15至40巴且尤其18至25巴的操作壓力為主。因此可實現整個設施的高產量能力。此外，所述設施可直接附接至氣體管線。
【附圖說明】
[0016]在下文中，參看附圖，通過較佳例示性實施例來描述本發明以及其他細節與優點。
[0017]圖1為根據本揭露的分解烴流體用的等離子體反應器，其包括針對通過分解制程而獲得的物質的輸出。
[0018]圖2為根據本揭露的分解烴流體用的等離子體反應器，其具有針對通過分解制程而獲得的物質的多個輸出。
[0019]圖3為根據本揭露的等離子體反應器的烴流體入口。
[0020]圖4為根據本揭露的使用等離子體反應器的用于生產合成烴的設施。
[0021 ]圖5為根據現有技術的分解烴流體用的等離子體反應器。
【具體實施方式】
[0022]在下文描述中，術語“頂部”、“底部”、“右側”及“左側”以及類似術語相關于附圖所示的定向及配置且僅欲描述實施例。這些術語可表示較佳配置，但不欲為限制性的。在本說明書的上下文中，術語“經流體”意謂含有烴的流體(氣體、氣溶膠、液體)。
[0023]根據本揭露的等離子體反應器I包括反應器腔室2，其由具有下方部分3a及蓋3b的反應器壁3封閉。反應器腔室2也可在除附圖所示的位置之外的位置處劃分。反應器腔室2為實質上圓柱狀的，且具有中心軸4。具有細長電極(未詳細展示)的等離子體燃燒器7固定至反應器壁3的蓋3b。等離子體燃燒器7具有固定至反應器壁3(此處，特定言之，為蓋3b)的底座部分9。在與底座部分9相對的等離子體燃燒器7的另一末端處，等離子體燃燒器7在電極的自由末端12處包括突出至反應器腔室2中的燃燒器部分11。可由等離子體控制元件14(例如，通過磁力)控制的等離子體13形成于電極之間。在與等離子體燃燒器7相對的反應器腔室2的另一末端處，等離子體反應器I具有出口 15，其中自進入的烴流體的分解產生的物質可經由出口 15而逸出。出口 15在流動方向上配置于反應器腔室2的相對末端處。
[0024]此外，等離子體反應器I包括烴流體入口5，其配置于等離子體燃燒器7的底座部分9的附近。烴流體入口 5展開至反應器腔室2中以使得自烴流體入口 5流出的烴流體在朝向電極的自由末端的方向上流動至反應器壁3與等離子體燃燒器7的電極之間的自由空間17中。由于本文所述的等離子體燃燒器7的底座部分9的附近的烴流體入口 5的配置，相對于等離子體13維持了足夠間距d2(參見圖1及圖2)。即使反應器腔室2的內部較小(例如，在圓柱狀反應器腔室的狀況下，為較小直徑)，等離子體13與烴流體入口 5之間的距離d2可仍大于現有技術中的等離子體反應器V中的距離dl。可因此防止烴流體入口5處的C顆粒的沉積。烴流體入口 5可如圖3所說明而冷卻。烴流體入口 5具有由入口壁21圍繞的入口孔19。入口壁21由冷卻通道23圍繞，且可充當反應器腔室2的熱絕緣層。在操作中，冷卻劑如箭頭25所示流經冷卻通道23。此外，烴流體如箭頭27所示流經入口孔19。由于穿過其中而引導的冷卻劑以及烴流體，烴流體入口 5顯著冷卻至烴的分解溫度以下，且C顆粒的沉積的可能性變得更小。
[0025]附圖中未詳細展示的電極較佳為管狀電極或管式電極，所述電極其中一個配置于另一個內，諸如自US 5 481 080 A(參見上文)所知。在管式電極的狀況下，進入的烴流體沿著電極(即，沿著外部電極)流動。在管式電極的狀況下，烴流體入口 5在徑向方向上配置于外部管狀電極外。然而，也可預想到使用兩個棒式電極，例如，彼此靠近配置的兩個棒式電極。在棒式電極的狀況下，烴流體沿著兩個或超過兩個電極朝向其自由末端流動。因此，無論等離子體反應器I為何種類型，烴流體皆可在反應器腔室2與等離子體燃燒器7之間沿著至少一個電極流動至空間17中。
[0026]較佳將H2用作等離子體氣體在電極之間形成等離子體弧13，此是因為出在任何狀況下皆自分解烴的制程產生。然而，任何其他適當氣體可被選為等離子體氣體，例如，諸如氬氣或氮氣的惰性氣體，其中惰性氣體不會在等離子體弧中影響或參與反應或裂解制程。
[0027]具有多個出口15的等離子體反應器I展示于圖2中。第一出口 15-1經設置以如同圖1排出H2/C氣溶膠。出/(:氣溶膠的一部分可同樣經由第二出口 15-2而排出，此部分例如用于另一反應器或制程中。然而，較佳地，僅氫氣H2經由第二出口 15-2而排出，其中第二出口 15-2是經設計以使得氣態氫出與固態C顆粒分開。
[0028]在等離子體反應器I操作時，等離子體13在燃燒器部分11的附近形成于電極之間。等離子體13通常具有介于600°C與2000°C之間的溫度。烴流體(較佳為天然氣)在不存在氧氣的情況下在等離子體13的方向上經由烴流體入口 5而被引導至反應器腔室2中。烴流體經引入以使得在操作中在反應器腔室2中達到高空間速率(單位為I/小時；與反應器腔室2的容積(立方米)相關的烴流體的流率(立方米/小時))。特定言之，考慮500至10001/小時的空間速率。由于引入的物質的高空間速率以及因此的高流率，額外減小在烴入口 5上以及烴入口 5附近沉積固體或C顆粒的威脅。
[0029]此外，反應器壁3與等離子體燃燒器7之間的自由空間17由流入的烴流體冷卻。在等離子體反應器I的狀況下，自由空間17可顯著小于現有技術的等離子體反應器V中的自由空間。因此，反應器腔室2可具有較小內部(在圓柱狀反應器腔室2的狀況下，為較小直徑)，藉此允許反應器腔室2具有較堅固的構造。堅固的反應器腔室2對于高操作壓力是有利的。
[0030]由于本文所展示的烴流體入口5的配置，進入的烴流體的流動方向得以維持，此是因為出口 15在流動方向上配置于反應器腔室2的相對末端處。因此，可能導致操作問題的自由空間17中的熱物質的累積通過流入的烴流體而得以預防。此也減小污染的威脅，此是因為C顆粒通過流入的烴流體而被驅動向出口 15。
[0031]烴流體一進入分解溫度為主的接近等離子體13的區域，烴流體中所含有的烴便分解為C顆粒以及氣態氫Hs。分解溫度取決于正引入的烴，且在例如天然氣的狀況下，大于6000C。氫氣出及(:顆粒以H2/C氣溶膠的形式自等離子體反應器的出口 15排出。
[0032]有利地，到達烴流體入口的烴流體處于18至25巴的壓力下。在此狀況下，等離子體反應器I可直接連接至天然氣管線，此是因為管線中的壓力大致上處于此范圍中。當系統操作時，同樣在反應器腔室2中以約18至25巴的壓力為主。在此壓力下，諸如氣態氫及天然氣的氣體成分(例如)經壓縮以使得密度變高且產量可得以改良。
[0033]根據圖2的等離子體反應器I的操作實際上與上文所述相同。僅有的差異在于氫氣H2的一部分經由第二出口 15-2移除。第二出口 15-2經配置以使得C顆粒僅可困難地到達第二出口 15-2或根本不到達第二出口 15-2。此可(例如)通過曲徑配置或通過配置第二出口15-2以使得其相對于烴流體或H2/C氣溶膠的流動方向呈直角而實現。舉例而言，第二出口15-2可相對于中心軸4且因此相對于總體流動方向以90°的角度配置(如圖2所示)。第二出口 15-2也可以與總體流動方向相反的角度配置，S卩，經定向以便在圖2中向右上角傾斜。
[0034]圖4展示用于生產合成烴的設施30，且包括如上所述的等離子體反應器1、用于(a)將碳與CO2轉化為CO或(b)將碳與H2O轉化為C0/H2氣體混合物的C轉化器32以及用于產生合成官能化和/或非官能化烴的CO轉化器34X轉化器32包括至少一個處理空間，其具有針對CO2或H2O的至少一個輸入、至少一個氣溶膠輸入以及針對自轉化制程(a)或(b)產生的合成氣體的至少一個C轉化器輸出。C轉化器32的氣溶膠輸入連接至等離子體反應器I的輸出15或15-1且接收H2/C氣溶膠。C轉化器32中的C顆粒的轉化根據以下方程式中的任一個來實現:
[0035](a)C02+C—2C0 或
[0036](b)C+H20—C0+H2。
[0037]通過來gH2/C氣溶膠的出，此導致由CO及出組成的合成氣體。舉例而言，⑶轉化器34通過費雪-闕布希(Fischer-Tropsch)法(特定言之，通過SMDS法)來實施轉化合成氣體的制程。或者，通過柏吉斯-皮爾(Bergius-Pier)法、皮爾(Pier)法或皮爾法與MtL法(MtL=甲醇至液體)的組合來實現轉化合成氣體的制程。CO轉化器34具有配置觸媒的處理空間、用于自C轉化器32引入合成氣體使之與觸媒接觸的其他構件以及用于將觸媒和/或合成氣體的溫度控制或調節為預定溫度的控制單元。烴流體例如為天然氣或類似氣體，在設施30操作時，所述氣體在無壓力的任何改變的情況下以15至40巴且特定言之18至25巴的壓力pi自(天然氣)管線直接遞送至等離子體反應器I。在等離子體反應器I的反應器腔室2中以相同壓力Pl為主。以相同壓力(壓力p2 = pl)將自等離子體反應器I排出的H2/C氣溶膠饋送至C轉化器32中，且在850至1700°C的溫度下與⑶2或H2O混合以產生合成氣體(CO及H2)。接著以相同壓力(壓力p3 = p2 = pl)將合成氣體引入至CO轉化器34中，且根據上述制程中的任一個而轉化為合成烴。接著(以約I巴的較低環境壓力P4)自設施移除合成烴。因此自等離子體反應器I直至CO轉化器34以15至40巴(尤其為18至25巴)的實質上相同的操作壓力為主。
[0038]可概括，可用本文所述的等離子體反應器I而實現以下優點:防止C顆粒的沉積物；利用等離子體13上方的反應器區域(自由空間17，其先前為熱死容積(thermalIy deadvolume));反應器的上方區域未過熱，此是因為流入的烴流體使電極以及反應器壁冷卻;流入的烴流體充當反應器壁3的熱屏蔽;反應器腔室可由陶瓷(例如，Al2O3)制成；資本支出可降低;通過良好地利用由等離子體產生的熱，電力消耗降低;反應器容積減小;沿著等離子體燃燒器7在自入口 5至出口 15的方向上引導流動的原理由于熱區的改良的利用而減少反應時間。
[0039]已基于較佳例示性實施例來描述本發明，其中所描述的例示性實施例的個別特征可彼此自由地組合和/或可替換為另一個，只要所述特征是相容的。以相同方式，可省略所描述的例示性實施例的個別特征，只要所述特征并不是基本的。對于熟習此項技術的而言，許多修改及實施是可行且明顯的，而不偏離本發明的范疇。
【主權項】
1.一種分解烴流體用的等離子體反應器(I)，包括: 反應器腔室(2)，其由反應器壁(3、3a、3b)封閉且具有至少一個烴流體入口(5)以及至少一個出口(15、15-1、15-2);以及 等離子體燃燒器(7)，具有至少兩個細長的電極，所述電極各自包括固定至所述反應器壁(3、3a、3b)的底座部分(9)以及突出至所述反應器腔室(2)中且具有自由末端(12)的燃燒器部分(11); 其中所述烴流體入口( 5)展開至所述反應器腔室(2)中以使得自所述烴流體入口( 5)流出的烴流體沿著至少一個所述電極在所述反應器壁(3、3a、3b)與所述電極之間的空間(17)中流動至所述燃燒器部分(11)的所述自由末端(12)。2.根據權利要求1所述的分解烴流體用的等離子體反應器(I)，其中所述烴流體入口(5)與所述底座部分(9)之間的距離小于所述烴流體入口(5)與所述自由末端(12)之間的距離。3.根據權利要求1或2所述的分解烴流體用的等離子體反應器(I)，其中所述等離子體燃燒器(7)包括一個配置于另一個內的兩個管狀電極;且其中，所述烴流體入口(5)在徑向方向上配置于外部管狀電極外。4.根據前述中任一項所述的分解烴流體用的等離子體反應器(I)，其中所述烴流體入口(5)在所述電極的延伸方向上對準。5.根據前述中任一項所述的分解烴流體用的等離子體反應器(I)，其中所述烴流體入口( 5)以及所述出口( 15、15-1、15-2)配置于所述反應器腔室(2)的相對末端處。6.根據前述中任一項所述的分解烴流體用的等離子體反應器(I)，其中所述烴流體入口(5)包括冷卻的入口通道(19)。7.—種操作分解烴流體用的等離子體反應器的方法，所述分解烴流體用的等離子體反應器為如前述中任一項所述的分解烴流體用的等離子體反應器(I)，其中相對于所述反應器腔室(2)的容積以500至10001/小時的空間速率將烴流體引導穿過所述反應器腔室(2)。8.根據權利要求7所述的操作分解烴流體用的等離子體反應器的方法，其中沿著所述等離子體燃燒器(7)自所述底座部分(9)朝向所述自由末端(12)而引導所述烴流體。9.根據權利要求7或8所述的操作分解烴流體用的等離子體反應器的方法，其中以18至22巴的壓力將所述烴流體弓I入至所述反應器腔室(2)中。10.一種用于生產合成烴的設施，包括: 如權利要求1至6中任一項所述的分解烴流體用的等離子體反應器(I)，用于將烴流體分解為碳及氫氣； C轉化器(32)，用于實現(a)將碳與⑶2轉化為CO或(b)將碳與H2O轉化為⑶/H2氣體混合物的制程， 其中所述C轉化器(32)包括具有針對CO2或H2O的至少一個輸入的至少一個處理空間、至少一個氣溶膠輸入以及針對自轉化制程產生的合成氣體的至少一個C轉化器輸出，其中所述C轉化器(32)的所述氣溶膠輸入連接至所述等離子體反應器(I)的所述輸出(15、15-1);以及 CO轉化器(34)，包括配置觸媒的處理空間、用于自所述C轉化器(32)引入所述合成氣體使之與所述觸媒接觸的其他構件以及用于將所述觸媒和/或所述合成氣體的溫度控制或調節為預定溫度的控制單元； 其中在所述等離子體反應器(I)、所述C轉化器(32)以及所述CO轉化器(34)中以15至40巴且特定言之18至25巴的操作壓力為主。
【文檔編號】B01J19/08GK105934273SQ201480074111
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2014年12月5日
【發明人】歐拉芙·庫爾
【申請人】Ccp技術有限公司