一种放电等离子体轻烃改性的方法和装置的制造方法
【专利摘要】一种放电等离子体轻烃改性的方法和装置，属于气体放电等离子体化学反应和能源化工相关领域，该方法的处理过程是把含轻烃的气流导入装置，所述的装置内设置有的正负(或正地)交替的多组电极对，电极与高压电源连接，同时从吸收液喷淋器喷淋出来的吸收液液滴与电极接触造成正负电极之间瞬间导通放电使周围气体电离，形成由高能电子、原子和自由基等活性粒子组成的气液接触放电等离子体区，从所述的装置一端的气体入口导入的含轻烃气流经过所述的放电等离子体区，气流中的轻烃与这些活性粒子发生化学反应，生成醛和醇等产物，实现改性转化的目的。
【专利说明】
-种放电等离子体轻轻改性的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明设及一种放电等离子体轻控改性的方法和装置，属于气体放电等离子体化 学反应和能源化工相关领域。
【背景技术】
[0002] 甲烧是天然气和沼气的主要成分，同时，甲烧也产生于许多工业和废水处理等厌 氧过程，是一种可再生的资源，也是一种化工原料。如何经济合理地利用丰富的甲烧资源日 益受到重视。但是许多天然气资源在人烟稀少的边远地区，而且其储存量及甲烧的含量各 不相同，同时远距离输送成本高昂。如能把甲烧在原地先转化为液态燃料或化工原料，则大 大降低了运输成本。从资源利用和环保的角度来看，甲烧可W通过生物质转化得到，是可再 生的资源，也是京都全球溫暖化议定书规制排放的气体之一，其他轻控如乙烧和丙烷等是 石油伴生气体，如能进一步转化为醇等高级化工原料，其价值也能得到提升。
[0003] 目前，工业化甲烧等轻控转化的主要手段是采用催化技术，通过水蒸汽和二氧化 碳重整W及甲烧的部分氧化，在高溫高压下把甲烧转化为一氧化碳和氨气的合成气，然后 再进一步合成甲醇。但运些技术的主要缺点是工艺条件苛刻，需要高溫或高压，投资和运行 成本高，制约了它的实际推广应用。
[0004] 由气体放电产生的非平衡等离子体(Nonthermal Plasma)作为一种促进化学反应 的方法，近年来得到各国研究者的广泛重视，并应用于结构稳定的有机物的降解和分子重 组反应。其基本原理是利用气体放电产生大量高能电子、原子和自由基，运些高能电子、原 子和自由基与气体分子反应并使其激化、离解和重组，实现氧化或还原反应。该技术的主要 优点是非平衡等离子体可由气体放电产生，反应可在常溫常压下进行，从而大大地节省了 能量。
[0005] 近年来非平衡等离子体技术开始用于甲烧等轻控的改性研究，研究结果表明在气 体放电非平衡等离子体作用下，甲烧能有效地被转化氨气、各种控类和低价醇类。但是非平 衡等离子体轻控改性技术研究工作还处于起步阶段，转化率不高，产物选择性不好，甚至没 有选择性，运主要是由于等离子体化学反应难于控制引起的。因此，如何控制和导向等离子 体化学反应，提高其转化率，实现把轻控选择性地转化为所要求的产物成为重要课题。
[0006] 本发明的目的是设计和提供一种轻控改性的方法和装置，强化轻控在气体放电非 平衡等离子体作用下的反应过程，从而提高其转化率和产物的选择性。
【发明内容】
[0007] 本发明采用的技术方案为：一种放电等离子体轻控改性的方法，其特征在于把含 轻控的气流导入装置，所述的装置内设置有的正负（或正地)交替的多组电极对，电极与高 压电源连接，同时从吸收液喷淋器喷淋出来的吸收液液滴与电极接触造成正负电极之间瞬 间导通放电使周围气体电离，形成由高能电子、原子和自由基等活性粒子组成的气液接触 放电等离子体区，从所述的装置一端的气体入口导入的含轻控的气流经过所述的放电等离 子体区，气流中的轻控与运些活性粒子发生化学反应，生成醒和醇等产物，运些水溶性的产 物一部分被所述的吸收液吸收后从装置下部的吸收液排出口排出，一部分产物随反应后的 气流通过在装置另一端的气体出口排出，运些产物可通过后续常规化工分离工艺进一步处 理获得相关产品。
[0008] 根据上述技术方案的一种放电等离子轻控改性的装置，其特征在于所述的装置的 结构类似吸收塔，由气体进口、气体分布器、吸收液进口、气液接触放电等离子体区、气体出 口、吸收液排出口组成。所述的气液接触放电等离子体区设置在装置的塔体中间，由正负 (或正地)交替的电极对组成，电极由高压电源供电，所述的装置的两端设置有气体进口和 反应后气体出口，所述的吸收液喷淋器设置在所述的装置的上部，装置下部设置有吸收液 排出口。
[0009] 本发明所述的电极结构一般为对称网状板结构，也可为针-网式，线-网式和线-板 式等，电极可水平放置也可垂直放置，具体依据装置的结构形状和气、液流动方向设计和确 定。电极材料一般为不诱钢、铁和鹤等导电良好的金属材料W及相关复合材料，所述复合材 料包括不诱钢或铁基二氧化钉(或银）、二氧化铁、二氧化铅，二氧化儘和二氧化锡等复合电 极，运些复合材料同时还具有一定的催化功能，能提高整体转化率约5% W上。W网板电极 为例，网孔一般为圆形或多边形，网孔大小应保证气体和/或液体流过，流阻小，单个网孔面 积一般应在0.03cm2 W上，优选0.2cm2-50cm2，具体可视装置流通截面大小而定，气流正对电 极网板流动时，单个网孔面积一般应小于流通截面的1/10,两相邻正负电极距离一般为1mm W上，优选5mm-150mm，电极除放电工作部分外，其他部分作绝缘处理，可采用聚四氣乙締和 陶瓷等绝缘材料。本发明所采用电极的供电方式包括直流、脉冲和交流，其中直流和脉冲供 电的电压一般均为±AV-±200kV，此时负极均为接地极，脉冲供电的脉冲重复频率一般为 mz W上，优选10化-500化，频率增加，有害物降解率提高，脉冲重复频率为500Hz W上时，实 际效果提高幅度不太，交流供电的电压一般为lkV-200kV，频率一般为IHzW上，优选10化- lOOOHz，频率为1000化W上时，实际效果提高幅度不太。电极施加电压与电极间距有关，电 极间距离越大，施加电压可越高，一般电极距离每增加10mm，电压可增加化V-lOkV，电压高 能量释放大，转化率高，电极对越多，输入功率越大，改性效果越好。
[0010] 吸收液一般为清水(包括自来水），可在清水中加入少量的如硫酸钢和氯化钢等电 解质增加其导电性，一般为0.1% W下，无特殊要求。所述吸收液的主要功能之一是在喷淋 过程中使吸收液液滴与正负电极之间接触导通后放电使气体电离，形成由高能电子、原子 和自由基等组成的气液接触放电等离子体区，促进轻控的反应和转化，吸收液喷淋一般采 用微孔滴喷和气流喷淋，效果相当，气流吹喷可W废水喷射真空累等形式气液后混合导入， 微孔滴喷较简单，通过调节吸收液喷淋量和喷淋频率来调节放电强度，一般采用间隔喷淋， 间隔喷淋的间隔时间一般应小于被处理气流在放电等离子体区的停留时间，具体可依据装 置的结构尺寸和负荷及转化率等参数确定，含轻控气流在放电等离子体区的停留时间一般 为0.5s W上，停留时间越长，转化效果越好，优选3-120S，超过120s，转化效果提高幅度变 小。所述吸收液的另一个功能是能吸收轻控改性反应生成的醇等水溶性产物，进而间接促 进轻控的转化。
[0011]本发明所述的轻控包括甲烧、乙烧、乙締、丙烷、丙締和下烧等化合物，所述的气流 为空气，也可采用氮气、氧气和氣气等气体的一种或其混合气体，效果大体相同，但产物有 所不同，气流中轻控的含量为1%-99%，轻控含量少时转化率高，但目标产物不易控制，反 之相反，优选10 %-65 %。
[0012] 本发明的优点是:本发明采用吸收喷淋液滴与装置中的正负电极接触并使之导通 放电使气体电离，形成由高能电子、原子和自由基等活性粒子组成的等离子体区，运些活性 粒子与所述的轻控发生改性反应，生成相关的醇等的产物，所生产的产物一部分被反应后 气流带走，一部分溶解在吸收液中，实现了常溫下的轻控改性。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明所述的一种放电等离子体轻控改性的装置结构示意图，其中：1气体 进口； 2气体分布器;3气液接触放电等离子体区;4吸收液进口； 5气体出口； 6吸收液喷淋器； 7电极组的正极;8电极组的负极;9吸收液排出口。
[0014] 图2为本发明所述的一种放电等离子体轻控改性的装置网状电极结构示意图，其 中：10网状电极接线柱。正负电极结构相同。
[0015] 图3为本发明所述的一种放电等离子体轻控改性的装置的邸式结构示意图（其中 上图为正视图，下图为俯视图），其中：1气体进口；2网状电极组;3气流分布板(气体进出口 各一）；4吸收液喷淋器;5气体出口； 6吸收液排出口； 7吸收液进口； 8电极组的正极接线柱;9 电极组的负极接线柱。
【具体实施方式】
[0016] W下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0017] 实施例1:本发明所述的一种放电等离子体轻控改性的装置如图1所示。装置为圆 筒形，筒体材质PP，外形尺寸为Φ 150mm XI 200mm，立式放置。电极为如图2所述的圆盘形网 状电极，电极材料为31化不诱钢，冲压成型，网孔为矩形，电极外形尺寸为Φ 140mm X 2mm，单 孔尺寸为10mm X 10mm，电极间距离约15mm，共12组。电极供电方式为交流，交流电压约为 6kV，交流频率约为50化，电源功率约100W。
[0018] 处理工艺如下:把所述的正负交替的网状电极的正极7与交流高压电源一端连通， 把所述的网状电极的负极8接交流高压的另一端，调节流量和喷淋频率使吸收液喷淋器10 喷淋的下来的吸收液滴与高压电极接触造成正负电极之间导通放电，使气体电离，形成由 高能电子、原子和自由基等活性粒子组成的气液接触放电等离子体区，当所述的装置一端 的气体入口导入的含轻控气流经过所述的放电等离子体区时，气流中的轻控被与运些活性 粒子发生改性反应，生成相关醒和醇等产物，运些水溶性的产物也能被所述的吸收液吸收 带走，反应后含部分产物的气流通过设置在装置另一端的气体出口排出。
[0019] 实验条件为:轻控的载气气流为空气，气体溫度为常溫，流量约1.5m^h。气流在气 液接触放电等离子体区的停留时间约为6s，吸收液喷淋量约50LA，喷淋频率约1.5次/s。有 机物的浓度监测方法为气相色谱仪，稳定运行15min分钟后测定。初始吸收液为自来水。
[0020] 实验结果如表1所示。
[0021] 表1轻控的转化效果
[0022]
[0023] 实施例2:电极材料为铁基二氧化钉复合电极，气体流量约为1.5m^h。气流在气液 接触放电等离子体区的停留时间约为6s，吸收液喷淋量约25LA，喷淋频率约1次/s。电极间 距离约30mm。电极供电方式为脉冲，脉冲电压约为15kV，脉冲频率约50化。轻控的载气流为 氮气。其他实验条件同实施例1。
[0024] 实验结果如表2所示。
[0025] 表2轻控的转化效果
[0026]
[0027] 实施例3:
[0028] 本发明所述的一种放电等离子体轻控改性的装置如图3所示。装置主体为长方体 形，材质PP，主体外形尺寸为200mmX 150 X 450mm，邸式放置。电极为长方形网状电极，电极 材料为31化不诱钢，冲压成型，网孔为矩形，外形尺寸为180mm X 130 X 2mm，单孔尺寸为10mm X 10mm，电极间距离约10mm，共12组，水平放置。电极供电方式为直流，电压约为4kV，电源功 率约为100W。
[0029] 处理工艺流程如下:把所述的正负交替的网状电极的正极8与交流高压电源连接， 把所述的网状电极的负极9接地，调节流量和喷淋频率使吸收液喷淋器10喷淋下来的吸收 液滴与高压电极接触造成正负电极之间导通放电，使气体电离，形成由高能电子、原子和自 由基等活性粒子组成的气液接触放电等离子体区，当所述的装置一端的气体入口 1导入的 含轻控气流经过所述的放电等离子体区2时，气流中的轻控被与运些活性粒子发生改性反 应，生成相关醇等产物，反应后含部分产物的气流通过设置在装置另一端的气体出口 5排 出，部分水溶性的产物被所述的吸收液从装置下部的吸收液排出口 6排出带走。
[0030] 实验条件为:轻控的载气气流为氣气，气体溫度为常溫，气体流量约为，吸收 液喷淋量约30LA，喷淋频率约1次/s。其他实验条件同实施例1。
[0031] 实验结果如表3所示。
[0032] 表3轻控的转化效果
[0033]
[0034] 应该说明的是，W上实施例仅用于说明本发明的技术方案，本发明的保护范围不 限于此。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，对各实施例所记载的 技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行任何等同替换、修改、变化和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种放电等离子体轻烃改性的方法，其特征在于把含轻烃的气流导入装置，所述的 装置内设置有的正负（或正地)交替的多组电极对，电极与高压电源连接，同时从吸收液喷 淋器喷淋出来的吸收液液滴与电极接触造成正负电极之间瞬间导通放电使周围气体电离， 形成由高能电子、原子和自由基等活性粒子组成的气液接触放电等离子体区，从所述的装 置一端的气体入口导入的含轻烃气流经过所述的放电等离子体区，气流中的轻烃与这些活 性粒子发生化学反应，生成醛和醇等产物，这些水溶性产物的一部分被所述的吸收液吸收 后从装置下部的吸收液排出口排出，一部分随反应后的气流通过所述装置另一端的气体出 口排出。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电极包括网-网板式、针-网板式和 线-网板式，电极材料包括为不锈钢、钛或钨以及相关复合材料，所述的复合材料包括不锈 钢或钛基二氧化钌(或铱）、二氧化钛、二氧化铅，二氧化锰和二氧化锡等复合电极。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的网板电极，网孔为圆形或多边形， 单个网孔面积在0 · 03cm2以上，优选0 · 2cm2_50cm2。4. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的电极的供电方式包括直流、脉冲 和交流，其中直流和脉冲供电的电压一般为±lkV-±200kV，脉冲供电的脉冲重复频率为 1Hz以上，交流供电的电压为lkV-200kV，频率为1Hz以上，两相邻正负电极距离为1mm以上。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述吸收液喷淋包括微孔滴喷或气流喷淋， 所述的吸收液为清水(包括自来水）。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的轻烃包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙 烯和丁烷，气流中轻烃的含量为1 %-99 %。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的气流载气为空气，或氮气、氧气和氩 气的一种或其混合气体。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述含轻烃的气流在所述放电等离子体区 的停留时间为0.5s以上。9. 根据权利要求1所述的方法的装置，其特征在于所述的装置由气体进口、气体分布 器、吸收液进口、吸收液喷淋器、气液接触放电等离子体区、气体出口和吸收液排出口组成， 所述的气液接触放电等离子体区设置在装置的中间，由多组正负(或正地)交替的电极对组 成，电极由高压电源供电，所述的装置的两端设置有气体进口和气体出口，吸收液喷淋器设 置在所述的装置的上部，装置下部设置有吸收液排出口。10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述的装置可以立式放置或卧式放置，电 极对可以水平放置或垂直放置。
【文档编号】B01D53/14GK105964114SQ201610414063
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】黄立维
【申请人】黄立维