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反應和能源化工相關領域，該方法的處理過程是把含輕烴的氣流導入裝置，所述的裝置內設置有的正負(或正地)交替的多組電極對，電極與高壓電源連接，同時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電極之間瞬間導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，從所述的裝置一端的氣體入口導入的含輕烴氣流經過所述的放電等離子體區，氣流中的輕烴與這些活性粒子發生化學反應，生成醛和醇等產物，實現改性轉化的目的。
【專利說明】
-種放電等離子體輕輕改性的方法和裝置
技術領域
[0001] 本發明設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 學反應和能源化工相關領域。
【背景技術】
[0002] 甲燒是天然氣和沼氣的主要成分，同時，甲燒也產生于許多工業和廢水處理等厭 氧過程，是一種可再生的資源，也是一種化工原料。如何經濟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地區，而且其儲存量及甲燒的含量各 不相同，同時遠距離輸送成本高昂。如能把甲燒在原地先轉化為液態燃料或化工原料，則大 大降低了運輸成本。從資源利用和環保的角度來看，甲燒可W通過生物質轉化得到，是可再 生的資源，也是京都全球溫暖化議定書規制排放的氣體之一，其他輕控如乙燒和丙烷等是 石油伴生氣體，如能進一步轉化為醇等高級化工原料，其價值也能得到提升。
[0003] 目前，工業化甲燒等輕控轉化的主要手段是采用催化技術，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化為一氧化碳和氨氣的合成氣，然后 再進一步合成甲醇。但運些技術的主要缺點是工藝條件苛刻，需要高溫或高壓，投資和運行 成本高，制約了它的實際推廣應用。
[0004] 由氣體放電產生的非平衡等離子體(Nonthermal Plasma)作為一種促進化學反應 的方法，近年來得到各國研究者的廣泛重視，并應用于結構穩定的有機物的降解和分子重 組反應。其基本原理是利用氣體放電產生大量高能電子、原子和自由基，運些高能電子、原 子和自由基與氣體分子反應并使其激化、離解和重組，實現氧化或還原反應。該技術的主要 優點是非平衡等離子體可由氣體放電產生，反應可在常溫常壓下進行，從而大大地節省了 能量。
[0005] 近年來非平衡等離子體技術開始用于甲燒等輕控的改性研究，研究結果表明在氣 體放電非平衡等離子體作用下，甲燒能有效地被轉化氨氣、各種控類和低價醇類。但是非平 衡等離子體輕控改性技術研究工作還處于起步階段，轉化率不高，產物選擇性不好，甚至沒 有選擇性，運主要是由于等離子體化學反應難于控制引起的。因此，如何控制和導向等離子 體化學反應，提高其轉化率，實現把輕控選擇性地轉化為所要求的產物成為重要課題。
[0006] 本發明的目的是設計和提供一種輕控改性的方法和裝置，強化輕控在氣體放電非 平衡等離子體作用下的反應過程，從而提高其轉化率和產物的選擇性。

【發明內容】

[0007] 本發明采用的技術方案為：一種放電等離子體輕控改性的方法，其特征在于把含 輕控的氣流導入裝置，所述的裝置內設置有的正負（或正地)交替的多組電極對，電極與高 壓電源連接，同時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電極之間瞬 間導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，從所述的裝置一端的氣體入口導入的含輕控的氣流經過所述的放電等離 子體區，氣流中的輕控與運些活性粒子發生化學反應，生成醒和醇等產物，運些水溶性的產 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，一部分產物隨反應后的 氣流通過在裝置另一端的氣體出口排出，運些產物可通過后續常規化工分離工藝進一步處 理獲得相關產品。
[0008] 根據上述技術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 結構類似吸收塔，由氣體進口、氣體分布器、吸收液進口、氣液接觸放電等離子體區、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設置在裝置的塔體中間，由正負 (或正地)交替的電極對組成，電極由高壓電源供電，所述的裝置的兩端設置有氣體進口和 反應后氣體出口，所述的吸收液噴淋器設置在所述的裝置的上部，裝置下部設置有吸收液 排出口。
[0009] 本發明所述的電極結構一般為對稱網狀板結構，也可為針-網式，線-網式和線-板 式等，電極可水平放置也可垂直放置，具體依據裝置的結構形狀和氣、液流動方向設計和確 定。電極材料一般為不誘鋼、鐵和鶴等導電良好的金屬材料W及相關復合材料，所述復合材 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合電 極，運些復合材料同時還具有一定的催化功能，能提高整體轉化率約5% W上。W網板電極 為例，網孔一般為圓形或多邊形，網孔大小應保證氣體和/或液體流過，流阻小，單個網孔面 積一般應在0.03cm2 W上，優選0.2cm2-50cm2，具體可視裝置流通截面大小而定，氣流正對電 極網板流動時，單個網孔面積一般應小于流通截面的1/10,兩相鄰正負電極距離一般為1mm W上，優選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，此時負極均為接地極，脈沖供電的脈沖重復頻率一般為 mz W上，優選10化-500化，頻率增加，有害物降解率提高，脈沖重復頻率為500Hz W上時，實 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，優選10化- lOOOHz，頻率為1000化W上時，實際效果提高幅度不太。電極施加電壓與電極間距有關，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，轉化率高，電極對越多，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 解質增加其導電性，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電極之間接觸導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，促進輕控的反應和轉化，吸收液噴淋一般采 用微孔滴噴和氣流噴淋，效果相當，氣流吹噴可W廢水噴射真空累等形式氣液后混合導入， 微孔滴噴較簡單，通過調節吸收液噴淋量和噴淋頻率來調節放電強度，一般采用間隔噴淋， 間隔噴淋的間隔時間一般應小于被處理氣流在放電等離子體區的停留時間，具體可依據裝 置的結構尺寸和負荷及轉化率等參數確定，含輕控氣流在放電等離子體區的停留時間一般 為0.5s W上，停留時間越長，轉化效果越好，優選3-120S，超過120s，轉化效果提高幅度變 小。所述吸收液的另一個功能是能吸收輕控改性反應生成的醇等水溶性產物，進而間接促 進輕控的轉化。
[0011]本發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，也可采用氮氣、氧氣和氣氣等氣體的一種或其混合氣體，效果大體相同，但產物有 所不同，氣流中輕控的含量為1%-99%，輕控含量少時轉化率高，但目標產物不易控制，反 之相反，優選10 %-65 %。
[0012] 本發明的優點是:本發明采用吸收噴淋液滴與裝置中的正負電極接觸并使之導通 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，運些活性 粒子與所述的輕控發生改性反應，生成相關的醇等的產物，所生產的產物一部分被反應后 氣流帶走，一部分溶解在吸收液中，實現了常溫下的輕控改性。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明所述的一種放電等離子體輕控改性的裝置結構示意圖，其中：1氣體 進口； 2氣體分布器;3氣液接觸放電等離子體區;4吸收液進口； 5氣體出口； 6吸收液噴淋器； 7電極組的正極;8電極組的負極;9吸收液排出口。
[0014] 圖2為本發明所述的一種放電等離子體輕控改性的裝置網狀電極結構示意圖，其 中：10網狀電極接線柱。正負電極結構相同。
[0015] 圖3為本發明所述的一種放電等離子體輕控改性的裝置的邸式結構示意圖（其中 上圖為正視圖，下圖為俯視圖），其中：1氣體進口；2網狀電極組;3氣流分布板(氣體進出口 各一）；4吸收液噴淋器;5氣體出口； 6吸收液排出口； 7吸收液進口； 8電極組的正極接線柱;9 電極組的負極接線柱。
【具體實施方式】
[0016] W下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0017] 實施例1:本發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 狀電極，電極材料為31化不誘鋼，沖壓成型，網孔為矩形，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:把所述的正負交替的網狀電極的正極7與交流高壓電源一端連通， 把所述的網狀電極的負極8接交流高壓的另一端，調節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電極之間導通放電，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，當所述的裝置一端 的氣體入口導入的含輕控氣流經過所述的放電等離子體區時，氣流中的輕控被與運些活性 粒子發生改性反應，生成相關醒和醇等產物，運些水溶性的產物也能被所述的吸收液吸收 帶走，反應后含部分產物的氣流通過設置在裝置另一端的氣體出口排出。
[0019] 實驗條件為: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的停留時間約為6s，吸收液噴淋量約50LA，噴淋頻率約1.5次/s。有 機物的濃度監測方法為氣相色譜儀，穩定運行15min分鐘后測定。初始吸收液為自來水。
[0020] 實驗結果如表1所示。
[0021] 表1輕控的轉化效果
[0022]

[0023] 實施例2:電極材料為鐵基二氧化釘復合電極，氣體流量約為1.5m^h。氣流在氣液 接觸放電等離子體區的停留時間約為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 氮氣。其他實驗條件同實施例1。
[0024] 實驗結果如表2所示。
[0025] 表2輕控的轉化效果
[0026]
[0027] 實施例3:
[0028] 本發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PP，主體外形尺寸為200mmX 150 X 450mm，邸式放置。電極為長方形網狀電極，電極 材料為31化不誘鋼，沖壓成型，網孔為矩形，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:把所述的正負交替的網狀電極的正極8與交流高壓電源連接， 把所述的網狀電極的負極9接地，調節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電極之間導通放電，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，當所述的裝置一端的氣體入口 1導入的 含輕控氣流經過所述的放電等離子體區2時，氣流中的輕控被與運些活性粒子發生改性反 應，生成相關醇等產物，反應后含部分產物的氣流通過設置在裝置另一端的氣體出口 5排 出，部分水溶性的產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] 實驗條件為: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。其他實驗條件同實施例1。
[0031] 實驗結果如表3所示。
[0032] 表3輕控的轉化效果
[0033]
[0034] 應該說明的是，W上實施例僅用于說明本發明的技術方案，本發明的保護范圍不 限于此。對于本領域的技術人員來說，凡在本發明的精神和原則之內，對各實施例所記載的 技術方案進行修改，或者對其中的部分技術特征進行任何等同替換、修改、變化和改進等， 均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
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入裝置，所述的 裝置內設置有的正負（或正地)交替的多組電極對，電極與高壓電源連接，同時從吸收液噴 淋器噴淋出來的吸收液液滴與電極接觸造成正負電極之間瞬間導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，從所述的裝 置一端的氣體入口導入的含輕烴氣流經過所述的放電等離子體區，氣流中的輕烴與這些活 性粒子發生化學反應，生成醛和醇等產物，這些水溶性產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，一部分隨反應后的氣流通過所述裝置另一端的氣體出 口排出。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的電極包括網-網板式、針-網板式和 線-網板式，電極材料包括為不銹鋼、鈦或鎢以及相關復合材料，所述的復合材料包括不銹 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合電極。3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的網板電極，網孔為圓形或多邊形， 單個網孔面積在0 · 03cm2以上，優選0 · 2cm2_50cm2。4. 根據權利要求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，兩相鄰正負電極距離為1mm以上。5. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的氣流載氣為空氣，或氮氣、氧氣和氬 氣的一種或其混合氣體。8. 根據權利要求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 的停留時間為0.5s以上。9. 根據權利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所述的裝置由氣體進口、氣體分布 器、吸收液進口、吸收液噴淋器、氣液接觸放電等離子體區、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設置在裝置的中間，由多組正負(或正地)交替的電極對組 成，電極由高壓電源供電，所述的裝置的兩端設置有氣體進口和氣體出口，吸收液噴淋器設 置在所述的裝置的上部，裝置下部設置有吸收液排出口。10. 根據權利要求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 極對可以水平放置或垂直放置。
【文檔編號】B01D53/14GK105964114SQ201610414063
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】黃立維
【申請人】黃立維