专利名称：一种通过裂解碳氢原子获取液态烃的方法
技术领域：
本发明旨在研究一种解决当今燃油严重缺乏无法满足当今社会需要，并且能够做到在不断寻找无需来源于石油的燃料的同时，减少环境污染的办法。
背景技术：
燃料可以从很多途径获得。比如在大型复杂的炼油厂，将原油经过蒸馏或物理分离以及而后的化学处理程序后获得。石油可以分为四类石蜡、环烷，沥青或混合基原油和芳香基原油。各炼油厂之间存在很大的不同，主要取决于所采用的技术和处理工序，同时也取决于他们的生产能力。这些炼油厂的目标是处理软原油，重原油和混合基原油。炼油分几个阶段进行，精炼原油的第一步在“初级蒸馏塔”完成。在这些塔中，都在接近大气压的情况下进行，并都被被分成几个部分。原油经过一个烤炉被烘烤变成蒸汽，而后进入这些塔，蒸汽通过蒸馏塔的较低部位并逐渐上浮至各塔盘之间。随着上浮，蒸汽失去热而冷却，当各蒸汽成分达到自己的冷凝温度时，就会冷凝沉积在相应的塔盘上。塔盘与各自特定的管道相连，用来收集这一阶段分流出来的不同物质。在这第一阶段没有蒸发的原油即常压渣油则流入塔的底部。因此，“真空蒸馏塔”接收第一阶段产生的常压渣油，并脱掉重质柴油，石蜡基和残渣。裂解单元则接收蒸去了轻质油余下的柴油和渣油用于生产主要的汽油和丙烷气体。基本的精炼工具就是蒸馏单元。分子质量轻的烃类，在较低的温度下就蒸发，分子质量重的烃类，就在温度提高时蒸发。从原油中蒸馏出来的第一种物质是汽油部分，然后是石脑油，最后是煤油。另一方面为了加大蒸馏的收益，还可进行一个热裂解处理。在这热裂解过程中，原油的重质部分，在一定的压力下施以高温加热，这一过程可以把重分子量的烃裂解成轻分子量烃，汽油正是由这些轻分子量烃组成，这样就增加了从一桶原油中获得的汽油的产量。再后来发明了炼焦，这种处理方法包括流体的再循环，这是一个较长的处理过程，包括很多较低形式的炼焦，许多炼油厂都采用这种加压高温裂解处理方法。
在十九世纪30年代年，引入了另外两种基本处理方法，即烷烃化和催化裂解，这两种方法都能够提高从原油中获得的汽油的产量。由于生产这些产品，一些生产酒精，清洁剂，合成橡胶，甘油，肥料，硫磺，溶剂，以及原料的庞大的石化工业厂家开始生产尼龙，塑料，涂料，聚脂，添加剂，食品增补剂，炸药，染料和绝缘材料等。
廉价原油的枯竭以及即将来临的燃油危机，决定了需要寻找原油的代替品，比如二氧化碳排放量为中等的生物柴油，生物酒精等。生物燃料燃烧时，它们在成长时吸收的二氧化碳又回到了大气中。这种选择的缺陷仅仅是怕没有足够的土地来耕种植物用以生产生物燃料满足工业国家对能源的巨大需求。生物柴油同时也解决了由于全世界消费者拒绝消费而造成的基因改良植物(转基因产品)大量剩余的问题。根据生物柴油工业的做法，在有充足的原料的农业区域或森林地方建立大的炼油厂是生产生物燃料所必需的。这样生物柴油就跟原油一样必须通过运输才能传送到需要它们的地方。
另一方面，甲醇是可以避免石脑油释放毒性和对大气臭氧层破坏的一种替代燃料。同样，燃烧石脑油产生的热量大约是甲醇的两倍，因此，这样可以获得更高的利润。最初甲醇是通过木材的分解蒸馏获得，因此这种原料也称为木醇，这种反应需要在高压高温下进行，且需要大而复杂的工业反应器。获得甲醇的方法有鲁奇加压煤气化法和英国化学工业公司ICI方法。
发明内容
在分析和研究已有处理方法的基础上，本着介绍本发明的目的，我们将详细解析本发明方法的优点，即在很大程度上克服原油蒸馏处理过程的缺陷、减少污染并充分利用自然资源。
在我们的新方法中，主要用自然原料，比如生物废料以及任何材质的废料，在这些材料中含有80％的热能必定可以转化成为柴油或其他的碳氢化合物，而所产生的柴油和其他碳氢化合物的能量则等于这些材料的热能的80％。也就是，1kg热量为8000千卡的柴油可由4kg含2500kca/kg的原料生产出来。
本发明的另一个目的是能把初始原料通过本方法转换为容易计量和应用的燃料。本发明的另一个优点是他的机械应用多样性，这样提高了它的利用率性能。例如，如果生物废料通过蒸汽轮机锅炉循环来生产电能，我们可以获得22％的利用率性能，但是如果我们把这些同样的生物废料转变成利用率性能超过80％的柴油，而这些柴油是用于拥有55％的性能的电力中心，这样总的性能可以达到44％。
目前，本发明生产的燃料可以应用在运输方面，而不是作为原材料。用这个处理方法生产2公升的汽油需要消耗一千瓦的功率。在一些情况下，由本方法生产的汽油可能有点浑浊，主要是因为所用的原料，或者加工方法的差异。因此，需要提供一个独立于主处理过程的蒸馏塔，以进行第二次蒸馏处理过程，这个过程的残渣将被送回到主舱室。在冷凝器内回收的水经过一个过滤系统，把携带的烃沉淀下来。所述的烃就被送回到主舱室中，然后水再次蒸馏，不再带有任何有关的化合物。如果设备足够大的话，在主处理过程完成时收集到的固体物质中，就可能因为无机材料的沉淀和拖拽作用收集到部分的硅酸盐(如果有用这种物质的话)。如果原材料中炭原子的含量比氢原子的含量要高很多，如木质素，则可以用来生成大量的焦碳。在后面的程序里，通过用淘析方法可以把焦碳从固体残渣中分离出来，这样焦碳就可以回收。如果原材料是禾杆或果壳，其中的硅也可以回收。如果是纸浆的话，硅、氧化铝和碳都可以回收。从在普通的蒸馏方法中无可作为的高硫磺含量的粗油中，则可获得大量的硫磺。还有许多其他的例子可提及。各种成分可以通过多种技术方法被分离出来，对于每一个特别的情况可选择最合适的方法。在小工厂一公升的汽油可总计需USD 0.21，在大的工厂总计需USD 0.16。原材料到处都有，大自然为我们提供了丰富的化学反应物。设备可以建在任何地方，因为只需要不锈钢锅炉，另一方面，涡轮、控制装备和真空泵都是很常见的仪器，在市场上都能很容易获得。
这个处理方法不会增加CO2的产生，对于生物废料来说，CO2的量亦只是负增长，因此，这个方法符合京都的处理原则。用这种技术可以消除那些破坏地下水和释放进大气的主要污染源。
本发明的详细描述本发明的目的是通过裂解碳氢分子获得液体的碳氢化合物。该碳氢成分主要来源于生物废料、城市垃圾、回收材料、交通工具、医院垃圾以及石化产品、纺织品废料、肉渣、动物脂肪、皮革和其他排泄物等。
完成本发明处理过程的工业设备被命名为SMRF，而所述的方法为物理化学方法，首先从物理机械处理方法开始，包括对原材料进行研磨、剪切和粉碎等。在原料上一般要撒上一些发热材料，这些材料通常用那些石化工业常用的合成沸石粉。在这第一个处理过程可使得部分原材料尺寸减小到近分子的尺寸，然后通过摩擦可以进一步破坏分子键的连接。第二个过程是化学处理过程，在这个过程中，将用到象沸石(含有钠和钙基)或通常所用的钠，钙钾，镁等(根据原材料来选用)反应物，以抑制不必要的反应，引导加工过程的顺利进行，并获得想要的液态烃。
在开始本发明处理方法前，原材料需要进行预处理，如果包含有水份，就需要通过热交换把温度提高到240℃以上。在所述的第一个阶段，将其完全烘干，之后在同样的温度下把它们引入到主处理过程，这样这些烘干的原材料可直接一起进入处理程序。潮湿粘性材料要先进行前面的处理；而脱水高粘的材料可以在低于240℃的温度下进行处理，以便降低黏度和增加流动性从而提高主系统的内涵物(如焦油)；固体脱水材料(如塑料)将进行的前面所说的研磨处理，尺寸达到3mm，使材料可以直接引入到后面的工序处理；固体潮湿材料(如生物废料)也将进行前述的研磨处理，尺寸达到3mm左右，同时还要进行烘干处理。对于生物废料而言，减少10％的湿度就很困难。上述市场上标准的烘干处理(由几个过程完成)可以得到湿度为10％-15％的原材料，之后就可以引入到处理中。对于含有晶体水的材料同样有必要进行前面的处理，这是在第一个处理阶段不能省略的。
主过程本发明的这一过程需要分析、了解和量化在温度为400时的化学活性成分，以及与碳氢分子链连接的无机分子。再循环元素为卤素、氯化物和氟化物等，可因石灰、钠钾镁化合物等处理而转变；在这个处理温度下很难发现水银、铬等重金属，它们在这个温度下虽然活跃，但他们也会由于离子而抑制(离子可与其他的离子物质反应)。这个过程要求具备一个重要元素，其主要特性表现如下条件(粉层均匀)，形状(确保与原材料分子之间产生摩擦)，发热材料。象包含铝和硅，氯化铝的土壤或黏土，这些材料是在化学工业上经常用到的，但是用得最多的是从60年代就开始在石化工业上应用，现在到处可以得到的合成沸石。由于这些材料的主要作用是在锅炉里通过与原材料分子产生摩擦作用，因此这些材料可以在加工过程中控制温度。由于发热特性可以使材料的温度升高，因此，在开始喂料时，原材料需要与反应物和沸石混合，各含量由前面的分析确定。
一旦原材料准备好达到加工条件，就可以开始主处理过程，下面开始详细描述“主处理过程”。
首先，主舱室和涡轮回路要充进由饱和的液态烃生成的油，然后开动涡轮使温度达到370℃左右，也就是设备适合于接收选定的原材料，反应物，通常指沸石或其他发热反应物选定的原材料。引入进主舱室的原材料的量受限于其容积，以及流体黏度，因为加入的原材料越多，黏度会进一步提高，而在操作过程中的流体黏度要控制在一个允许油流动的程度。大多数双腔涡轮为自吸入式，否则就需要在里面安装一个高压气罐，以把流体喂进涡轮。进入涡轮的流体包含原材料和油，在进入涡轮的时候会受到强烈的剪切作用，使其尺寸减小达到胶体状的大小(约20微米)，同时，原材料的分子与沸石之间会产生摩擦，加上涡轮的机械作用，产生热量，使不同的选用原材料在这个过程的温度可提高到270-400℃之间。原材料尺寸降低到胶体尺寸(接近分子尺寸)，可确保活性化学物质与自由和键接的碳氢分子之间反应。上述的活性化学物质将会由于提供的反应物抑制，氧原子会释放并可能和碳结合释放出CO2，引起碳的初始链接断开，当上述链为短链时，蒸馏温度低于或等于加工温度，且可能会产生上述的链接。相反，如果是长链，蒸馏温度略高于加工温度，这样分子处于饱和状态，且会失去一个或多个碳原子。原材料中的结晶水分子也将会由于剪切和摩擦释放出来，同样，其它潮湿状态的水分子也会被蒸发。
任何由碳氢原子形成的分子，无论处于饱和或化学稳定状态都会在涡轮中与沸石(或其他物质)一起受到摩擦和动力应力，因此，这一过程将发生类似石油裂解的破裂，这就是本发明这个过程的显著效应。
当温度超过400℃时，会对涡轮产生机械损坏，因此加工温度不能持续超过400℃，这需要对涡轮制冷，。另外从化学的观点来分析比如避免碳化的发生和焦油的形成，加工温度也不应该超过400℃。
在涡轮的出口，轻烃以蒸汽的方式排出，而重烃则以液体(油的方式)排出。以蒸汽方式排出的烃被蒸馏塔的负压吸入，同时那些液态烃，则在向下流动中根据其密度沉积在相应的主舱室。首先进入涡轮循环的是重油，无机固体材料和那些化学反应物沉积在主舱室的底部。在蒸馏塔，烃蒸汽从蒸馏塔各个不同密度层次部分的浓缩油中分离出来，然后在蒸馏塔上部排出。重分子则重回主舱室，重新经历一次加工处理过程(这也是通常的蒸馏塔处理过程)。
从蒸馏塔上部以蒸汽形式排出的水和油分子由于位于出口处的真空泵的作用被喂进热交换器，在蒸馏塔里面蒸汽冷凝，并通过一个离析器进行淘析处理，这一过程处理结束后得到的烃就为车用汽油。
还有一个气体清洁器，是用于处理从原材料氧分子中产生的CO2。通常情况下，其排放量非常低，当为甘油和乙醇时，其排放量会增加。加工过程结束时，固体残留物沉积在主舱室斜槽的底部，并通过一个管道和在线阀提取，当斜槽中的积料达到一定程度时阀会打开。这些固态残渣渗透着液态烃，因此他们要经过一个热交换机或热电阻以蒸发这些烃，并把他们送回到主舱室的上部。这些固体渣一般包括携带原材料的无机残留物，化学反应的产物，以及沸石(或其他)反应物的残渣。
简而言之，本发明的加工方法为一个完整的原材料分子重组过程以获得预期的饱和烃蒸汽。该加工方法的主要效果在于涡轮产生的高剪切作用和原材料与发热材料的摩擦作用。这两种作用共同引起原材料结构的物理和化学分裂，形成单组分。无机成分形成固体渣，而CH2成分则形成饱和的液态或气态的烃，水蒸发而氧原子与碳原子结合生成CO2，未与氢原子键接的碳原子之间形成键接，这样就会生成焦碳颗粒。如果没有这些反应物及其抑制效果这些渴望的效果是不可能产生的，因为由于是活性化学物质，这些物质可能就会参与到整个处理过程中来，并且其他一些我们并不需要的物质也可能因此产生。
加工温度需要注意的一个问题是不能设置得比渴望得到的烃的蒸发温度高。主舱室的功能就是根据材料的密度把物质分开。
如前面所述，分子中包含有氧原子时，脱去的氧原子和碳原子形成CO2，如果是长链时，意味着链会断开，如果是短链，比如酒精，甘油等，其效果就是分子连接成更长些的链。从酒精获得聚合物的过程方法是一样的，只是用沸石获得聚合物的温度较低。
图1设备的前视图；图2设备的左视图；图3设备的右视图；图4设备的后视图；图5设备的立体图；图6设备的立体图；图7设备的俯视图。
具体实施例方式
主过程的流动只有一个入口，如果涡轮5不只一个，入口则再细分到每个涡轮，通过这个入口进入的包括所选择的原材料和所需的研磨成粉的化学反应物。
有四个出口，其中三个设置在冷凝器1的出口，一个是选择烃，第二个是水，第三个是气体，第四个出口设置在主舱室的底部，用于固体残渣。
如何控制这个加工过程？进料原料的量取决于两个参数循环中的油量，因为加工过程受限于预先设定的能力，第二个因素是材料在涡轮-主舱室环路中的黏度，因为放入太多的固体材料和非常粘的材料都有可能提高它的黏度，从而变成一种不适合流通的流体，这样就会影响涡轮5的正常运行。
加工温度加工过程应该在一个固定的温度范围内进行，保证所选择的烃能够蒸发。为了获得这一温度并在后面维持或控制这一温度值，就需要根据加工温度在发热材料和沸石(或其他材料)之间取得一个合适的配比。
流体的pH值pH是所需反应物比例的指示器，pH值数值范围(太高或太低)则表明需要增加某种反应物，以及加入多少。
加工过程需要测量的参数量指示器安装于处理过程的特定位置时可用来指示加入的原材料量的多少，以及测量所加入的反应物和排出的化合物的量。
水平探测器同样地，可用来测量各个舱室的水平高度。一个放在主舱室的上部3用来测量油的高度，另一个放在底部舱室4的斜槽用来测量固体残渣的高度。pH值指示标尺则设置在涡轮5的出口处，而黏度指示标尺则设置在涡轮的入口处。
温度指示器设置在涡轮5的入口和各个出口，另外的设置在主舱室的底部4、蒸馏塔2的出口、冷凝器1的出口；还有两个用于测量冷凝器制冷剂的出、入口温度。
上面这些数据可以供人工或计算机自动控制加工过程。
最终处理也即主过程之后的后处理工序有时由于所选用的原材料或在加工过程的一些变化会使得用这种加工方法获得的汽油不可靠。这样就需要一个独立于主处理过程的蒸馏塔，实现二次蒸馏，在这一过程后的残留物再被送回到主舱室。
由冷凝器收集的水通过一个过滤系统沉淀所携带的烃，所述的烃被送回主舱室。然后，所述的水被蒸馏出来。
至于在主过程最后回收的固体残渣，如果设备足够大，还有可能因为回收部分被无机物拖曳和沉淀的沸石(如果用到这一材料的话)。
对于一些象木质素这样含有碳原子比氢原子数量多的分子的原材料，则会产生大量的焦碳。焦碳是通过倾析方法，从固体残渣中分离出来而获得。
如果原材料是禾杆或果壳，其中的硅可以重新获得。而若是用纸浆，则可重新获得其中的硅，铝，和碳。从对于普通的蒸馏处理毫无用处的高硫化粗油中，则可以重新获得大量的硫磺。还有很多其他的例子可以列举。
各个组成成分可以通过多个技术方案把各自相互分离出来，而每一种特别情况应该选用最适合的方法。
工业应用用本发明的方法进行液态烃的生产没有任何困难。
这些设备将被命名为SMRF。其部件都可由简单的机械加工获得，唯一的要求是不锈钢锅炉，涡轮，发动机和其他一些在任何国家和地方都可以获得的元件，因为有大量的工厂生产这些元件；设备的规模和产量的大小不一，可从每小时几升到几千升；它们对环境没有威胁，也不需要额外的服务；因此，它们可以建在原材料所在地，设备的物理性质可以不同。这里附图所示为一个简洁装置的草图，它的生产能力为每小时700升。
权利要求
1.通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，主要包括下面两个不同阶段第一个阶段物理/机械的分离，不同步骤的第二个阶段为化学的。
2.如权利要求1所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，所用的含碳氢分子的原材料为生物废料，医院垃圾，城市固体垃圾以及任何其他种类的垃圾。
3.如权利要求2所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，物理/机械分离的第一步是通过研磨原材料以及原材料与发热元素之间的剪切和摩擦，来提高温度和产生分子分裂。
4.如权利要求3所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，第二个阶段，也就是化学阶段，通过与众所周知的反应物发生所需的反应以获得液态烃。
5.如权利要求4所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，第一个阶段是以通过热交换把水除去为目的来选择，调节以及控制原材料的温度的升高。
6.通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，在如权利要求5类似和同时的阶段，不含水分的原材料，通过控制温度的提高达到整个混合物的均匀化，并以同样的黏度，形成均匀流体。
7.如权利要求6所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，第二个阶段，通过分析，确认，量化活性化学物质，无机分子与碳氢链接，并通过反应物的摩擦和发热过程的摩擦获得所控制的温度。
8.如权利要求7所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，原材料和反应物与液态饱和烃混合，形成一定限制黏度的流体，在控制的温度下，喂进主舱室和涡轮回路。
9.如权利要求8所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，原材料通过涡轮真空自动吸入，进行物理/机械剪切加工减小粒径(20微米左右)与反应物产生摩擦和提高温度。
10.如权利要求9所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，物理/机械条件引起化学活性物质的反应和抑制作用，表现在从链接中释放和与之连接。
11.如权利要求10所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，裂解任一种包含碳氢的分子，不论是否饱和烃，并且在承受与反应物的动力应力和摩擦时化学性能稳定。
12.如权利要求11所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，在涡轮出口可获得轻氢(以蒸汽的形式)和重烃(以液态的形式)。
13.如权利要求12所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，获得的轻烃(以蒸汽的形式)，所希望的液态烃，经过蒸馏塔，可在所知道的冷凝温度下取出。
14.如权利要求13所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，包括一系列阶段，首先是物理/机械阶段，然后是重新构建原材料分子以得到所需的饱和烃蒸汽的化学阶段。
15.如权利要求14所述的通过裂解碳和氢分子获得液态烃的方法，其特征在于，结果再细分为无机物(滗析的固体)，液态或气态的饱和烃CH2以及最后通过蒸汽水中的氧原子与碳原子结合获得的CO2。
全文摘要
一种通过裂解其中的碳和氢分子以获得液态烃的方法。用化学废料，纺织品废料，生物废料或其他垃圾，在涡轮里进行研磨后送入到主舱室，升高温度去除水分，运用动能和与所选用的反应物的摩擦断开分子链，分离上面提到的元素并重新构建长链或短链，通过蒸馏和冷凝得到选择的烃。
文档编号C10G1/00GK101054528SQ20071010319
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月29日 优先权日2006年10月10日
发明者佩德罗·瑟瓦·巴塞罗 申请人:佩德罗·瑟瓦·巴塞罗