冷等离子体的产生器装置及用于产生化学物质的相关方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在化工方法中使用的能够产生冷等离子体的装置，具体来说，涉及用于产生化学物质、尤其是例如硝酸及硫酸等酸的装置。
[0002]本发明还涉及包含所述冷等离子体产生器装置的反应器及设备且涉及基于其的对应化学方法。
【背景技术】
[0003]使用冷等离子体产生化学物质具有相对于传统方法的不同优点。具体来说，在根据以下反应生产硝酸的情况下:
[0004]2Ν2+502+2Η20^4ΗΝ03
[0005]不需要使用催化剂，也不需要在高温下工作且尤其不使用原料氨，而是仅使用具有简单的环境空气或富含氧气的空气的各种技术，例如分子筛或低温分离或其它。
[0006]已知的冷等离子体产生器主要由高压或频率发电机供给的两个电极构成，使得在相同电极之间产生电场。所述场继而电离并激发所述电极之间存在的气体分子或原子，通常是空气，因此产生等离子气体。
[0007]然而，本领域中已知的等离子体产生器及它们安装在其中的反应器具有一些重要限制。此些限制主要是关于用于产生等离子体的系统的效率，等离子体归因于其固有性质而出现在电极之间的非常受约束的区中。
[0008]刚刚所说明的方面必然包含冷等离子体技术在化学合成过程中的使用。
【发明内容】
[0009]由本发明提出并解决的技术难题于是提供用于产生冷等离子体的装置及用于产生化学物质的相关方法或过程，从而能够避免上文参考所提及的已知技术的缺点。
[0010]本发明还提供并入所述产生器装置的反应堆及化学设备。
[0011 ]解决上述技术难题如独立权利要求1中所述。
[0012]本发明的优选特征是从属权利要求的主题。
[0013]本发明的装置及相关联的方法能够高效率地产生若干化学物质，尤其是酸。本发明还保持使用冷等离子体技术的许多优点，具体来说是不需要催化剂和/或高反应温度的优点。
[0014]本发明的装置及方法还能够给实施方案和操作带来低成本。
[0015]本发明的装置及方法在用于产生硝酸及硫酸的应用中特别有利。
[0016]本发明的其它优点、特征及实施方式也可以从下列所描述的具体实施例清楚的得至IJ，这些具体实施例不具有限定的目的。
[0017]氺氺氺
[0018]本发明提供适合用于尤其用于产生硝酸或硫酸的过程中的冷等离子体产生器装置，所述装置包括:
[0019]-外部电极及内部电极，所述电极布置成一个电极围绕着另一个电极以便在它们之间界定等离子体产生区，
[0020]-其中所述内部和/或外部电极连接或可连接到电源，使得在使用中，在所述等离子体产生区处建立电势中的差异，
[0021]-其中所述内部及外部电极可彼此相对地旋转，
[0022]-其中所述外部电极具有用于必须越过所述等离子体产生区的气体的入口端口及已越过所述等离子体产生区的等离子气体的至少一个再循环出口端口；
[0023]-用于触发所述外部及内部电极之间的放电的触发构件，所述触发构件与所述两个电极的旋转电极连接，优选固定方式连接;及
[0024]-进气构件，其适于通过所述等离子体产生区汲取气体，所述进气构件连接、优选固定到所述两个电极的旋转电极。
[0025]优选地，所述内部电极或两个电极是可旋转的。
[0026]在一个实施例中，所述外部及内部电极经布置以使得各自的纵轴大体上平行或重合，所述轴的共同方向优选地还对应于相对旋转的轴的共同方向。
[0027]所述外部及内部电极可以同轴地或偏心地布置。
[0028]所述外部及内部电极可具有大体上圆柱形几何形状。
[0029]优选地，所述内部电极是轴杆形状。
[0030]在优选的配置中，所述装置包括内部电极的中间支撑件，其适于保证所述两个电极之间的电绝缘。
[0031]优选地，所述外部电极的横截面面积比所述内部电极的横截面大大约25到100倍。
[0032]优选地，所述外部及内部电极中的一者或两者具有大体上圆形截面。在后一种情况下，优选地，所述外部电极的直径比所述内部电极的直径大大约5到10倍。在所述的内部电极为圆形截面的情况下，内部电极的直径的范围在大约20到200mm。
[0033]优选地，所述外部电极和/或所述内部电极具有等于或大于大约200mm的长度。
[0034]在优选地配置中，所述气体入口端口布置在所述外部电极的一端处，优选布置在基底处。
[0035]此外，优选地，所述至少一个再循环出口端口布置在所述外部电极的侧壁或裙座处。优选地是，所述至少一个再循环出口端口界定大体上等于或大于所述外部电极的横截面的区域的出口区域。
[0036]在优选的配置中，所述外部电极具有用于等离子气体的多个再循环出口端口，所述端口优选布置在所述外部电极的侧壁或裙座中。
[0037]优选地，所述外部电极具有在相对于等离子气体流动的至少一个出口再循环端口的下游布置的额外等离子气体出口端口。优选地，所述额外端口布置在所述外部电极的侧壁或裙座处。
[0038]在优选的配置中，所述触发构件固定到所述电极的旋转电极。
[0039]优选地，所述触发构件是基于尖端效应。
[0040]优选地，所述触发构件大体上是梳状
[0041 ]优选地，所述进气构件包括固定到所述内部及外部电极的旋转电极的转子或叶轮，其中所述旋转器或叶轮优选至少部分由塑料材料制成。
[0042]优选地，所述进气构件包括固定到所述内部电极的转子或叶轮，其中所述转子或叶轮的直径优选具有在所述外部电极的内径的大约70 %到95 %的范围内、更优选大约60 %到90%的范围内。
[0043]本发明还提供冷等离子体产生器装置，其适合用于尤其用于产生硝酸或硫酸的过程中，所述装置包括第一电极及第二电极，其经布置以便在它们之间界定等离子体产生区，所述第一和/或第二电极连接或可连接到电源，使得在使用中，在所述等离子体产生区处建立电势中的差异，所述装置具有用于必须越过所述等离子体产生区的气体的入口端口及用于已越过所述等离子体产生区的等离子气体的至少一再循环端口，所述装置经配置以使得所述第二电极是液态电极。
[0044]优选地，所述装置包括主体，所述第一电极至少部分接纳在所述主体内。
[0045]在优选的配置中，所述入口端口和/或所述至少一个再循环出口端口是在所述主体上获得。
[0046]优选地，所述入口端口或所述至少一再循环出口端口布置在所述主体的一端处，优选布置在基底处。优选地，所述至少一个再循环出口端口及所述入口端口布置在所述主体的侧壁或裙座处。
[0047]优选地，所述至少一个再循环出口端口大体上等于或大于所述主体的横截面区域的出口区域。
[0048]所述主体可具有用于等离子气体的多个再循环出口端口，所述端口优选布置在所述主体的侧壁或裙座处。
[0049]在优选的配置中，所述主体及所述第一电极经布置以使得各自纵轴大体上平行或重合，其中优选地，所述轴的共同方向还对应于所述第一电极的旋转轴的共同方向。
[0050]所述主体及所述第一电极可以同轴地或偏心地布置。
[0051 ]所述主体和/或所述第一电极可具有大体上圆柱形几何形状。
[0052]优选地，所述主体的横截面面积比所述第一电极的横截面大大约25到100倍。
[0053]优选地，所述主体及所述第一电极中的一者或两者具有大体上圆形截面。在后一种情况下，优选地，所述主体的直径比所述电极的直径大大约5到10倍。
[0054]所述主体优选具有至少一个液体入口端口，所述的至少一个液体入口端口优选布置在其侧壁或裙座处，所述布置使得所述液体入口端口允许所述主体部分浸没到液体电极中。
[0055]优选地，所述液体入口端口及所述至少一个再循环出口端口布置在所述主体的相应部分处，大体上彼此正交。
[0056]优选地，所述第一电极可旋转且优选地为轴杆形状。在优选的配置中，所述第一电极固定到可旋转轴杆上，所述可旋转轴杆优选接纳在所述主体内。
[0057]优选地，所述第一电极大体上平行于所述液态电极的自由表面。
[0058]所述装置包括进气构件，其适于通过所述等离子体产生区汲取气体。优选地，其包括转子或叶轮，所述叶轮优选连接、更优选固定到所述第一旋转电极，其中所述转子或叶轮优选至少部分由塑料材料制成。
[0059]所述进气构件可包括布置在所述主体外部的转子或叶轮，优选为离心转子或叶轮。[ΟΟ?Ο]所述进气构件所包括的转子或叶轮的直径范围是所述主体的内径的大约70 %到95 %的范围内，更优选大约60 %到90 %的范围内。
[0061 ]所述装置优选包括关联到所述第一电极的滑动电接触构件。
[0062]此装置还包括用于触发所述第一和第二电极之间的放电的触发构件，其优选连接或固定到所述第一电极。
[0063]所述触发构件可以基于尖端效应且优选大体上是梳状。
[0064]本发明还提供产生器组合件，其包括迄今描述的产生器装置及连接或可连接到一个或两个电极的高频或高压发电机。
[0065]优选地，所述组合件进一步包括电动机，所述电动机适于驱动所述产生器装置的所述电极中的一者发生旋转，优选最大速度为大约每分钟2800转。
[0066]本发明还提供适合用于尤其用于产生硝酸或硫酸的过程中的反应器设备，所述设备包括如上所述内部及外部电极的存在而定义的至少一个产生器装置或产生器组合件，所述设备具有适于接收导电液体的槽区，所述布置使得所述产生器装置的所述内部及外部电极中的一者至少部分接纳在所述槽区中，并且在使用中浸没在所述导电液体中，且其中所述设备具有至少一个出口端口，以用于输出在所述反应器设备中通过涉及所述至少一个产生器装置中产生的等离子气体的反应而获得的气体/蒸气。
[0067]本发明还提供一种适合用于尤其用于产生硝酸或硫酸的过程中的反应器设备，所述设备包括如上依据液态电极的提供而定义的至少一个产生器装置产生器组合件或产生器组合件，且其中所述装置具有至少一个出口端口，以用于输出在所述反应器设备中通过涉及所述至少一个产生器装置中产生的等离子气体的反应而获得的气体/蒸气。优选地，同样地具有液态电极的所述设备具有适于接收所述液态电极的槽区。
[0068]优选地，所述反应器设备包括外部壳体，所述至少一个产生器装置至少部分布置在所述壳体内部。优选地，所述壳体界定所述槽区，所述槽区优选大体上是灯泡或盆状。优选地，所述壳体具有布置在相对侧或彼此邻近布置的导电液体入口及气体入口。
[0069]在具有液态电极的版本中，所述壳体具有优选布置在其顶部处的气体/蒸气出口。
[0070]在特别优选的配置中，所述内部电极经布置以使得在使用中其至少部分浸没在所述槽区中接收的导电液体中。
[0071]优选地，所述至少一个产生器装置经布置以使得其纵向轴线、优选所述内部电极的纵向轴线大体上垂直于所述导电液体的自由表面。
[0072]优选地，所述设备包括用于控制和/或调整所述槽区内部的所述导电液体/液态电极的液面高度的构件。
[0073]所述产生器装置可以经布置以使得所述内部电极的纵向轴线大体上垂直或所述第一电极的纵向轴线大体上水平。
[0074]所述设备优选包括多个产生器装置和/或产生器组合件，各自如上所定义。
[0075]本发明还提供一种化学设备，其包括:
[0076]-如上文所定义的反应器设备或产生器装置，及
[0077]-冷凝器，其操作性地连接到所述反应器设备或所述产生器装置以接收从其输出的气体/蒸气作为输入。
[0078]优选地，所述设备进一步包括布置在所述冷凝器的下游的液体-气体分离器。
[0079]优选地，提供布置在所述冷凝器的下游的至少一个冷却装置，所述冷却装置优选包括雾反应器。
[0080]在优选的配置中，所述设备进一步包括布置在所述冷凝器的下游且优选布置在所述至少一个冷却装置的下游的至少一个接触反应器。优选地，所述接触反应器包括冷凝产物的再循环构件。
[0081]所述设备可进一步包括所述接触反应器与所述反应器设备之间的连接构件，其适于加合来自反应器设备中的接触反应器的气体。
[0082]优选地，所述冷却装置和/或所述接触反应器包括所述装置中接收的冷凝产物的雾化构件。
[0083]所述设备也可包括至少一个硫燃烧器，其适于产生硫烟且布置在所述反应器设备的上游。
[0084]可以提供至少一个冷却装置，其布置在所述燃烧器的下游及所述反应器设备的上游。
[0085]优选地，本文中视为化学设备的是用于产生硝酸或硫酸的设备。
[0086]本发明进一步提供用于产生化学物质、尤其是酸、尤其是硝酸或硫酸的化学方法，其优选利用如上文所定义的产生器装置、产生器组合件、反应器设备或设备。
[0087]本发明还提供用于通过冷等离子体在反应器设备中产生化学物质、尤其是酸的化学方法，其中所述冷等离子体产生于所述反应器设备的产生器装置中，所述产生器装置包括外部电极及内部电极，所述电极布置成一个电极围绕着另一个电极以便在它们之间界定等离子体产生区，所述内部和/或外部电极由电源供给，使得在所述等离子体产生区处在它们之间建立电势中的差异，其中所述内部及外部电极彼此相对地旋转，其中使气体越过所述等离子体产生区以便获得等离子气体，其中已越过所述等离子体产生区的所述等离子气体的一部分在所述等离子体产生区中再循环。
[0088]本发明还提供用于通过冷等离子体在反应器设备中产生化学物质、尤其是酸的化学方法，其中所述冷等离子体在所述反应器设备的产生器装置中产生，所述产生器装置包括第一电极及第二电极，所述两个电极彼此相对布置以便在它们之间界定等离子体产生区，所述第一和/或第二电极由电源供给，使得在所述等离子体产生区处在它们之间建立电势中的差异，其中使气体越过所述等离子体产生区以便获得等离子气体，其中所述第二电极是液态电极。而且在此情况下，已越过所述等离子体产生区的等离子气体优选再循环到所述等离子体产生区中。
[0089 ]优选地，内部电极或第一电极是可旋转的且外部电极是固定的。或者，在所述电极一个电极围绕着另一个电极的变体中，此些电极是可旋转的。优选地，提供大约每分钟2800转的最大旋转速度。
[0090]优选地，所述外部及内部电极经布置以使得相应的纵轴大体上平行或重合，所述轴的共同方向优选地还对应于相对旋转的轴的共同方向。
[0091]所述外部及内部电极可以同轴地或偏心地布置。
[0092]所述产生器装置可以经布置成所述内部电极的纵向轴线大体上垂直或所述第一电极的纵向轴线大体上水平。
[0093]优选地，所述等离子气体的再循环部分相对于离开产生器装置的等离子气体或离开反应器设备并进入方法的其他步骤的酸处于1:10直到10:1的范围内的比率。
[0094]在优选的配置中，所述内部及外部电极中的一者至少部分浸没在导电液体中。优选地，所述内部电极的纵向轴线大体上垂直于所述导电液体的自由表面。在使用液态电极的变体中，所述第一电极的纵向轴线优选大体上平行于所述液态电极的自由表面。
[0095]在使用液态电极的变体中，优选提供封围所述第一电极且至少部分浸没在所述液态电极中的主体。
[0096]仍然在使用液态电极的变体中，优选地，通过控制所述液态电极的液面高度来调整所述第一和第二电极之间的距离。
[0097]优选地，为了冷却进入所述等离子体产生区的气体，使用导电液体或液态电极，从而优选产生进入所述等离子体产生区的蒸气。
[0098]所述过程可包括在所述反应器设备中产生的酸及气体/蒸气的冷凝步骤。
[0099]所述过程也可包括在所述冷凝步骤的下游的液体-气体分离步骤。
[0100]优选地，提供至少一个冷却步骤在所述冷凝步骤的下游，优选是雾冷却步骤。
[0101]所述过程可提供在所述冷凝步骤的下游且优选在所述至少一个冷却步骤的下游的另一反应步骤，其适于增加酸产量。所述额外反应步骤可优选通过使用雾化或喷雾构件且在冷凝酸的再循环的情况下提供冷凝酸与蒸气之间的接触表面的增加。也可提供气体从所述额外反应步骤到所述产生器装置的再循环。
[0102]在优选实施例中，所述酸是H2S04且所述过程包括用于产生硫烟的步骤，所述硫烟是越过所述等离子体产生区的输入气体。所述过程可进一步在所述硫烟进入所述等离子体产生区中之前提供对所述硫烟的至少一个冷却步骤。
[0103]在另一优选实施例中，所述酸是硝酸且越过所述等离子体产生区的输入气体是空
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[0104]本发明的反应器及相关联的方法允许以高效率产生若干化学物质。本发明特别有利于产生硝酸、硫酸、NO、NO2、NOx、NxOx及高级氧化产品、挥发性有机化合物(VOC)，例如烃在水及二氧化碳中的氧化。
[0105]根据实施例，本发明涉及用于产生硝酸、硫酸、硝酸铵、硫酸铵、硝酸钙或硝酸铵的常压冷等离子体设备及过程。
【附图说明】
[0106]将参照附图的图，其中:
[0107]■图1展示根据