CN103386279A - 一种连续化学反应方法及应用该方法的爆轰反应器 - Google Patents

Abstract

一种使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法及应用该方法的爆轰反应器，包含：将可燃性气体反应物连续注入爆轰反应器；将需要使用高温反应或破坏的化学反应物连续注入爆轰反应器；将空气/氧化剂/助剂连续注入爆轰反应器；利用爆轰促进器促进可燃性气体反应物、化学反应物及空气/氧化剂/助剂的混合；利用安装于爆轰促进器下游端的点火装置组将混合气体点燃；利用爆轰促进器使得该可燃性混合气体回火产生逆流爆轰；当爆轰冲击波抵达爆轰反应器进料端时，利用爆轰冲击波使得火焰熄焰；然后连续重复气体反应物及化学反应物的混合、点燃、逆流爆轰、熄焰的程序，使得化学反应物能连续利用爆轰冲击波的高温、高压进行反应或被破坏。

Description

一种连续化学反应方法及应用该方法的爆轰反应器

技术领域

本发明是一种能连续产生气体逆流爆轰冲击波(Detonation Wave)并利用爆轰冲击波的高温高压特性连续进行化学反应的方法及使用该方法的爆轰反应器，可以有效的应用于半导体产业的全氟化物PFCs废气处理、VOC废气处理、油品或有机固体的高温气化。

背景技术

爆轰(Detonation)是指可燃性气体与适量的空气或氧气的气体混合物，存在于一管状容器中，在管内某一点将气体混合物点燃时，火焰面会非常快速进行称为爆燃(Deflagration)，并与其进行方向前方的压缩波结合生成冲击波，然后会突然增加燃烧传播速度，使其速度达音速以上并趋于安定，此现象称为爆轰，而此局部经压缩产生冲击波的反应区域称为爆轰冲击波(Detonation Wave)。爆轰冲击波通过后，气体混合物的化学组成即发生变化，此爆轰冲击波若撞击到物质，不但在极短时间内给予强烈的冲击压力及高温，同时也会产生机械的破坏作用。

有关气体爆燃与爆轰的研究，始自十九世纪末，但是绝大部分的研究都着重在爆炸防止、防灾、武器、炸药、爆炸与爆破工程相关的研究；近年来，还有部分研究是着重在利用爆轰冲击波产生超音速的特性，发展超音速高速飞行器或各种武器应用。

进行爆轰过程的理论分析时，可以将爆轰所产生的物理现象与化学反应简化为一个含化学反应的一维定常传播的爆轰冲击波强间断面。对于爆轰冲击波的强间断面两侧的混合气体状态，可以建立三个守恒方程，分别为质量守恒、动量守恒及能量守恒，如下列方程式所示：

ρ₁(D₂-u₁)＝ρ₂(D₂-u₂)              (1)

P₁+ρ₁(D₂-u₁)²＝P₂+ρ₂(D₂-u₂)²      (2)

$E_1+\frac{P_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}+\frac{{(D_2-u_1)}^2}{2}=E_2+\frac{P_2}{{\mathrm{\ρ}}_2}+\frac{{(D_2-u_2)}^2}{2}---\left(3\right)$

其中，状态1为爆轰冲击波前尚未进行反应的状态，状态2为爆轰冲击波后已进行反应的状态。E为气体能量、D为爆轰冲击波传递速度、P为气体压力、u为气体速度、ρ为气体密度。

而伴有化学反应和释放部分反应热Q的理想气体，其状态方程可以写成：

$E=\frac{1}{\mathrm{\γ}-1}\frac{P}{\mathrm{\ρ}}-\mathrm{\λQ}---\left(4\right)$

其中，

Cp为定压比热、Cv为定容比热。方程式(3)及方程式(4)中不仅包括物质热运动的内能，而且还包括化学反应能。在激波关系中E＝E(P，V)，而在爆轰冲击波关系中由于存在化学反应，因此，能量E除了是压力P与体积V的函数以外，也与化学反应进展所伴随产生的反应能量有关，也就是E＝E(P，V，λ)，其中λ为化学反应进展度。λ＝0表示尚未进行化学反应的初始状态；λ＝1表示反应终态。

由方程式(1)和方程式(2)用无因次参数表达，可以得到火焰速度与波面两侧状态参数的关系式为：

$\frac{P_1}{P_2}-1={\mathrm{\γ}}_1{M}_1^2(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2})---\left(5\right)$

$M_1=\frac{(D_2-u_1)}{c_1}---\left(6\right)$

其中M为火焰面相对于前驱冲击波通过后的状态的马赫数，c为音速。由方程式(3)和方程式(4)用无因次表示可以得到Hugoniot方程式，

$(\frac{P_2}{P_1}+\mathrm{\α})(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}-\mathrm{\α})=\mathrm{\β}---\left(7\right)$

其中

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\γ}}_2-1}{{\mathrm{\γ}}_2+1}---\left(8\right)$

$\mathrm{\β}=\mathrm{\α}[(\frac{{\mathrm{\γ}}_1+1}{{\mathrm{\γ}}_1-1}+\frac{{2\mathrm{\γ}}_{1}Q}{c_1^2})-\mathrm{\α}]---\left(9\right)$

由方程式(5)和方程式(7)联立，可求得火焰阵面后的气体密度参数与压力参数为：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}=\frac{{\mathrm{\γ}}_1({\mathrm{\γ}}_2+1)}{{\mathrm{\γ}}_2({\mathrm{\γ}}_1+v\±A)}---\left(10\right)$

其中

$v=\frac{1}{M_1^2}=\frac{c_1^2}{{(D_2-u_1)}^2}---\left(12\right)$

$A=\sqrt{[{(\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2}-v)}^2-\mathrm{Kv}]}---\left(13\right)$

$K=2[\frac{{\mathrm{\γ}}_1({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1)({\mathrm{\γ}}_2+1)}{{\mathrm{\γ}}_2^2({\mathrm{\γ}}_1-1)}+\frac{{\mathrm{\γ}}_1^2({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1)Q}{{\mathrm{\γ}}_2^2{c}_1^2}]---\left(14\right)$

在方程式(10)中的正号『+』A及方程式(11)中的负号『-』A对应爆轰支的弱解，而方程式(10)中的负号『-』A及方程式(11)中的正号『+』A对应爆燃支的强解。当A＝0时，在在爆轰支和爆燃支上各有一个唯一的解，这两个解分别被称为CJ爆轰解和CJ爆燃解。对于CJ爆轰解，此时火焰阵面已经赶上前驱冲击波阵面。根据CJ理论，只考虑反应的初态和终态，不接触反应区的参数，对于CJ爆轰参数，可以通过质量守恒、动量守恒、能量守恒，再加上CJ爆轰的条件，联立得出。CJ爆轰速度或者CJ爆燃速度值可以通过唯一解的条件A＝0得出，其对应的CJ压力P_CJ及CJ气体体积V_CJ分别为：

$u_{\mathrm{CJ}}=\frac{D-\frac{{\mathrm{\γ}}_1{P}_1}{{\mathrm{\ρ}}_{1}D}}{{\mathrm{\γ}}_1+1}---\left(15\right)$

$P_{\mathrm{CJ}}=\frac{P_1+{\mathrm{\ρ}}_1{D}^2}{{\mathrm{\γ}}_1+1}---\left(16\right)$

$V_{\mathrm{CJ}}=\frac{{\mathrm{\γ}}_1(P_1+{\mathrm{\ρ}}_1{D}^2)}{({\mathrm{\γ}}_1+1){\mathrm{\ρ}}_1^2{D}^2}---\left(17\right)$

其中

$D=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\γP}}_1+2({\mathrm{\γ}}_1^2-1){\mathrm{\ρ}}_{1}Q+\sqrt{{\left[2({\mathrm{\γ}}_1^2-1){\mathrm{\ρ}}_{1}Q\right]}^2+2{\mathrm{\γ}}_1({\mathrm{\γ}}_1^2-1)P_1{\mathrm{\ρ}}_{1}Q}}{2{\mathrm{\ρ}}_1}}---\left(18\right)$

$v_{\mathrm{CJ}}=\frac{1}{M_{\mathrm{CJ}}^2}=(\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2}+\frac{K}{2})\±{\left[(\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2}+\frac{K}{4})K\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(19\right)$

气体爆燃与爆轰与一般的化学反应主要的差异在于爆燃及爆轰是以反应波的形式按照一定的速度传播前进、自动进行。燃烧反应的能量是经由热传导、热辐射及燃烧气体产物的扩散作用传递到尚未燃烧的反应物；爆轰则是利用爆炸冲击波的强大冲击压缩作用，将能量传递给尚未燃烧的反应物。传统技艺使用的燃烧反应的传递速度通常低于音速，每秒数毫米到每秒数公尺；爆轰过程的爆轰冲击波传播速度则远大于声速，其速度一般高达每秒数千公尺，例如氢气(20％)在空气中的爆炸冲击波速度可达每秒1700公尺。传统的燃烧过程的传播，易受外界条件尤其是环境压力的影响；但是爆轰的爆炸冲击波的传递速度极快，且几乎不受外界条件的影响，其爆轰速度在一定条件下是一个固定的常数。

本发明是利用爆轰理论创造出一种使用爆轰技术进行化学反应的方法及应用该方法的爆轰反应器，利用所发明的爆轰反应器连续产生气体逆流爆轰冲击波，并利用爆轰冲击波的高温高压特性连续进行化学反应，可以有效的应用于半导体产业的全氟化物PFCs废气处理、VOC废气处理、油品或有机固体的高温气化、活性炭制造、人造纳米钻石制造、纳米材料制造、纳米燃料电池制造等广泛的用途。

发明内容

本发明的主要发明目的在于提供一种使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法及应用该方法的爆轰反应器，包含：将可燃性气体反应物连续送入爆轰反应器；将需要使用高温反应或破坏的化学反应物连续喷注进爆轰反应器；将空气/氧化剂/助剂连续注入爆轰反应器；利用爆轰促进器促进可燃性气体反应物、化学反应物及空气/氧化剂/助剂的混合；利用安装于爆轰促进器下游端的点火装置组将混合气体点燃；利用爆轰促进器使得该混合气体回火产生逆流爆轰；当爆轰冲击波抵达爆轰反应器进料端时利用爆轰冲击波使得火焰熄焰；利用爆轰冲击波的反震波将反应产物排除爆轰反应器；然后连续重复气体反应物及化学反应物的混合、点燃、逆流爆轰、熄焰的程序，使得化学反应物能连续利用爆轰冲击波的高温、高压进行反应或破坏。

对于气体爆轰的研究，由于以往大部分着重在爆轰的爆炸能量的产生及应用，或者着重考虑如何防止爆炸能量所产生的破坏力，因此，以往的研究均采用进料与点燃属于同一方向的同向爆轰(Co-current Detonation)。为了控制同向爆轰的产生，气体供应需要采用半批次(semi-batch)进料方式，也就是，其程序为：进行定量进料完毕、关闭进料阀门、点燃气体、开启排气阀门进行排气、关闭排气阀门、然后再度开启进料阀门，重复进料、点燃、排气的半批次进料程序。根据文献查考与专利查考结果，迄今，并无利用连续式爆轰技术作为化学反应能量的技术报导与研究，也无逆流式爆轰技术的揭露。

本发明的方法，则是让可燃性气体进料的位置与混合气体被点燃的位置分别位在爆轰反应器的两端，以相反的方向进行，因此，可燃性气体反应物及化学反应物可以连续进料、当可燃性气体混合物流动到达点火装置组的位置时，被持续产生等离子体火花的点火装置点燃，驱使火焰朝着逆流方向往进料端将反应器内的可燃性气体完全燃烧并产生爆轰冲击波，当爆轰冲击波的超音速高压波前抵达进料位置时，利用爆轰冲击波的震压将火焰熄灭，此时，进料持续进行，继续沿着反应器流动方向前进，抵达点火位置，重复进料、点燃、爆轰、熄焰的程序，这是利用爆轰物理特性进行连续性爆轰，提供高温高压反应条件的创新做法；应用这种方法设计而成的爆轰反应器，业经发明人开发实际机台进行重复测试，确认爆轰冲击波频率、爆震压及反应温度可以成功且有效的调控，而且操作上完全无安全疑虑。

又根据爆轰理论，在管道内由燃烧转换到爆轰现象，所需要的管道长度与管径、管壁粗糙度、阻碍物有关，通常所需管长约为管道直径的60至72倍，使得爆轰技术应用在反应器设计时，如拟采用较大管径就有实际上的困难度。本发明则在爆轰反应器内，安装爆轰促进器，增加气体在反应器内的扰流，有效的缩短气体在管道内产生爆轰现象所需要的长度，使得爆轰反应器的设计与操作变成简单而且可控制，且爆轰反应器的可燃性气体反应物及化学反应物进料量也不再受限。

本发明的应用范围包含：半导体及其他工业工艺的全氟化物、有机废气、挥发性有机废气等有害废气的处理，例如：SiH₄、CF₄、CHF₃、C₂F₆、NF₃等废气处理；以及VOC废气处理、油品或有机固体的高温气化、活性炭制造、人造纳米钻石制造、纳米材料制造、纳米燃料电池制造等广泛的用途。由于使用爆轰的瞬间高温高压条件取代传统耗能的高温加热及加压程序，因此，可以很显著的达到能源节约的目的。

为使对本发明有较好的了解，特就下列图示为例作为本发明的一优选实施例说明如下。

附图说明

图1：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法的实施例；

图2：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法的实施步骤例；

图3：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法使用的强爆轰促进器的实施例；

图4：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法使用的弱爆轰促进器的实施例；

图5：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法使用的弱爆轰促进器的实施例切面图；

图6：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法使用的单支点火装置组的实施例；

图7：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法使用的双支点火装置组的实施例；

图8：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法使用的三支点火装置组的实施例；

图9：本发明的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法使用的四支点火装置组的实施例；

图10：氢气爆轰产生的爆轰冲击波压力与氢气浓度的关系；

图11：氢气爆轰产生的爆轰冲击波温度与氢气浓度的关系；

图12：氢气爆轰产生的爆轰冲击波速度与氢气浓度的关系；

图13：丙烷爆轰产生的爆轰冲击波压力与丙烷浓度的关系；

图14：丙烷爆轰产生的爆轰冲击波温度与丙烷浓度的关系；

图15：丙烷爆轰产生的爆轰冲击波速度与丙烷浓度的关系。

【主要元件符号说明】

1         爆轰反应器；

10        可燃性气体反应物；

12        可燃性气体反应物进料管；

20        化学反应物；

22        化学反应物进料管；

30        空气/氧化剂/助剂；

32        空气/氧化剂/助剂进料管；

50        进料端；

60        爆轰反应器本体；

62        冷却设施；

64        冷却液入口；

65        冷却液出口；

70        爆轰促进器；

71        导流式螺旋片；

72        导流式螺旋片；

73        螺旋管；

80        点火装置组；

90        反应器出口法兰；

100       反应产物；

110       进料步骤；

120       充满步骤；

130       点燃步骤；

140       爆燃步骤；

150       爆燃加速步骤；

160       爆轰步骤；

170       熄焰步骤；

180       反震排出步骤。

具体实施方式

本发明的主要发明目的在于提供一种使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法及应用该方法的爆轰反应器，如图1所示；使用本发明的方法及其运作方式，详如图2所示。附图为使用本发明的方法的一优选实施例，以下并说明其原理及运作方式。

首先，可燃性气体反应物10连续经可燃性气体反应物进料管12送入爆轰反应器本体60，需要使用高温反应或破坏的化学反应物20连续经由化学反应物进料管22喷注进爆轰反应器本体60内，同时，将化学反应所需的空气/氧化剂/助剂30经由空气/氧化剂/助剂进料管32连续注入爆轰反应器本体60内。

化学反应所需的助剂主要是适应特定化学反应的需要添加，例如，将本发明应用于全氟化合物(PFCs)废气处理时，所提供的化学助剂为水，可以将全氟化合物(PFCs)进行氧化反应后转化为HF之用。其化学反应如下：

CF₄+2H₂O→CO₂+4HF

C₂F₆+4H₂O+1/2O₂→6HF+2CO₂+H₂O

C₃F₈+6H₂O+O₂→8HF+3CO₂+2H₂O

SF₆+3H₂O→SO₂+6HF+1/2O₂

可燃性气体反应物10、化学反应物20及空气/氧化剂/助剂30应在点火装置组80先行启动后，才可进行进料而不受爆轰冲击波的影响。要停止本发明的爆轰反应器1的操作，则要先将可燃性气体反应物10及化学反应物20停止进料，然后才关闭点火装置组80，以确保系统的安全操作。

爆轰反应器1的可燃性气体反应物进料管12可以是单一进料管或是为多个进料管，以利于多数种可燃性气体反应物10可以同时连续进料。化学反应物进料管22也可以是单一进料管或是为多个进料管，以利于多数种化学反应物20可以同时连续进料。空气/氧化剂/助剂进料管32也可以是单一进料管或是为多个进料管，可以接受空气、惰性气体、氧气、水、催化剂等的同时连续进料。

其次，利用安装在本发明的爆轰反应器1的爆轰反应器本体60内部的爆轰促进器70促进可燃性气体反应物10、化学反应物20及空气/氧化剂/助剂30的混合，使得气体混合物在爆轰反应器本体60内，均匀的由进料端50往反应产物出口100方向流动，如图2进料步骤110至充满步骤120所示。当气体混合物抵达安装于爆轰促进器70下游端的点火装置组80位置时，气体混合物将被点火装置组80点燃，如图2点燃步骤130所示。由于在点火装置组80下游并无可燃性气体，因此，火焰会往爆轰反应器1的进料端50方向回火，产生逆流火焰，如图2爆燃步骤140所示；火焰再经过爆轰促进器70提供良好的混合，使得该可燃性气体混合物快速燃烧、增温、增压、增速，进而产生逆流爆轰(Countercurrent Detonation)，如图2爆燃加速步骤150所示。爆轰冲击波继续压缩可燃性气体混合物进行反应，并继续加速达到CJ冲击波速度，如图2爆轰步骤160所示。当爆轰冲击波抵达爆轰反应器1的进料端50时，利用爆轰冲击波的瞬间压力，使得火焰熄焰，如图2熄焰步骤170所示；由点燃步骤130进行到熄焰步骤170的速度极快，所需时间只需几毫秒到零点几秒的时间，视爆轰促进器70的设计而定。爆轰反应器1的反应器出口法兰90与后续设备连接，操作时利用爆轰冲击波的反震波将反应产物100由反应器出口法兰90排出，如图2反震排出步骤180所示。进行上述过程时，进料均可以稳定的继续进行，并连续重复可燃性气体反应物10、化学反应物20及空气/氧化剂/助剂30的混合、点燃、逆流爆轰、熄焰的程序，使得化学反应物20能在爆轰反应器1内连续利用爆轰冲击波的高温、高压进行反应或被破坏。

安装在爆轰反应器1的爆轰反应器本体60内的爆轰促进器70，目的是促进可燃性气体反应物10、化学反应物20及空气/氧化剂/助剂32的充分混合，其次，当混合气体被点燃后，爆轰促进器70则需要能促使混合气体的燃烧反应快速的被加速而又爆燃转化成为爆轰。因此，爆轰促进器70可以采用能提供强烈搅拌的静态搅拌器方式设计如图3所示，利用导流式螺旋片71及导流式螺旋片72的组合，进行旋转混合及切割而达到搅拌效果；气体混合物因导流式螺旋片71及72的旋转流动作用，会产生强制搅拌混合作用。其作用原理系利用气体混合物经过导流式螺旋片71及导流式螺旋片72组合成的爆轰促进器70后，会使气体混合物形成涡流式旋转，并且通过叶片将气体混合物分割、汇流产生强制混合作用力，因此，在不使用动力装置下，可达到强制混合的效果。

导流式螺旋片71及导流式螺旋片72的叶片可以设计成扭转180度或任意角度的左旋形态或右旋形态，组合叶片一片一片相接时，可以将左旋形态的叶片、右旋形态的叶片交替组合，或全部使用同一方向的旋转叶片，每一叶片间并成90度角安装。当液体流经第一导流式螺旋叶片71时，若以顺时针方式旋转流动，将被切割成二等份；当流动至第二导流式螺旋叶片72时，则可以同方向或以逆时针方向旋转流动，再被切割一次二等份；并且重复以上动作，如此，流体流经第n片导流式螺旋片时将切割成2n份加上流体的强制旋转混合，而达到良好的混合效果。根据实验结果，当n＞3就能产生良好且快速的爆燃转换为爆轰冲击波的效果。

对于需要延长爆燃时间以便进行长时间高温反应的情况，则爆轰促进器70可以设计为弱搅拌的情况，此时，爆轰促进器70可以采用如图4及图5所示意的设计，采用环状螺旋管73或类似的弱搅拌设计。使得气体混合物被点火装置组80点燃后，火焰往爆轰反应器1的进料端50方向回火时，爆燃区会延长，以提供化学反应物20较长时间的高温滞留时间，并且较温和的转变为爆轰，其控制也变得较容易。

由于火焰往爆轰反应器1的进料端50方向回火时，爆轰速度极快，爆轰的频率主要由可燃性气体反应物10、化学反应物20及空气/氧化剂/助剂30混合物的进料率及爆轰反应器1的操作温度及压力决定，进料速率越快、温度越高、压力越低，则爆轰频率越高。爆轰冲击波的速度、温度、压力主要取决于可燃性气体反应物的浓度、组成、温度及压力，与进料速度无关。

爆轰反应器1的点火装置组80可以采用单支点火装置，如图6所示；也可以采用二支点火装置，如图7所示；也可以采用三支点火装置，如图8所示；也可以采用四支点火装置，如图9所示。也可以采用四支以上任何支数点火装置，可以部分或全部使用；或者部分使用且可以在线切换、更换，但是，至少要维持有一支或以上的点火装置在使用中，以确保气体混合物确实的被点燃，使得爆轰反应器1可以全年操作无需停机维修保养。点火装置组80可以采用一般车用火星塞或使用能提供温度高于气体混合物自燃温度(AIT)的电热设备或等离子体炬。

可以使用作为爆轰反应器1的可燃性气体反应物10的气体燃料可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔或其他由工艺分离出来的回收气体燃料。以使用氢气作为可燃性气体反应物10为例时，在常压的爆轰反应器1内产生的逆流爆轰冲击波的压力与氢气浓度的关系如图10所示，氢气浓度约8％开始就会产生爆轰现象，其浓度渐增爆轰冲击波的压力也渐增；当氢气浓度约达到31％时，爆轰冲击波压力达到16bar的最高压力；其后，若氢气浓度续增，爆轰冲击波压力则渐减。氢气会产生爆轰的浓度范围约为9％至56％。

在常压的爆轰反应器1内产生的逆流爆轰冲击波的温度与氢气浓度的关系如图11所示，氢气浓度约8％开始其浓度渐增爆轰冲击波的温度也从1280K渐增；当氢气浓度约达到31％时，爆轰冲击波温度达到2980K的最高温度；其后，若氢气浓度续增，爆轰冲击波温度则渐减。

在常压的爆轰反应器1内产生的逆流爆轰冲击波的速度与氢气浓度的关系如图12所示，氢气浓度约8％开始其浓度渐增爆轰冲击波的速度也从1164m/s渐增；当氢气浓度约达到30％时，爆轰冲击波速度达到1971m/s；其后，若氢气浓度续增，爆轰冲击波速度续增，当氢气浓度达56％时，爆轰冲击波的速度可达2222m/s。

以使用丙烷作为可燃性气体反应物10为例时，在常压的爆轰反应器1内产生的逆流爆轰冲击波的压力与丙烷浓度的关系如图13所示，丙烷浓度约0.8％开始就会产生爆轰现象，其浓度渐增爆轰冲击波的压力也渐增；当丙烷浓度约达到4.8％时，爆轰冲击波压力达到19bar的最高压力；其后，若丙烷浓度续增，爆轰冲击波压力则渐减。丙烷会产生爆轰的浓度范围约为0.8％至11.2％。

在常压的爆轰反应器1内产生的逆流爆轰冲击波的温度与丙烷浓度的关系如图14所示，丙烷浓度约0.8％开始其浓度渐增爆轰冲击波的温度也从1160K快速渐增；当丙烷浓度约达到4.8％时，爆轰冲击波温度达到2850K的最高温度；其后，若丙烷浓度续增，爆轰冲击波温度则渐减。

在常压的爆轰反应器1内产生的逆流爆轰冲击波的速度与丙烷浓度的关系如图15所示，丙烷浓度约0.8％开始其浓度渐增爆轰冲击波的速度也从1091m/s渐增；当丙烷浓度约达到4.8％时，爆轰冲击波速度达到1836m/s；其后，若丙烷浓度续增，与氢气的爆轰冲击波速度续增情况不同的，丙烷的爆轰冲击波速度会渐减，当丙烷浓度达11.2％时，爆轰冲击波的速度降低到1536m/s。

可燃性气体反应物的原始压力越高，则爆轰冲击波的压力将等比增高。例如，原始压力为2bar，则爆轰冲击波的压力将变成图10及图13所示原始压力为1bar所产生爆轰冲击波压力的两倍，依此类推。

利用图10、图11、图12、图13、图14及图15例示的爆轰冲击波压力、温度与速度与可燃性气体反应物10浓度间的关系图，调节控制可燃性气体反应物10的浓度及系统操作压力，可以有效的控制爆轰冲击波的温度及压力，以适应化学反应的需要。

空气/氧化剂/助剂30可以是空气、惰性气体、氧气、水、催化剂等，利用空气/氧化剂/助剂进料管32送进爆轰反应器1。空气/氧化剂/助剂30的组成及进料比例，主要视所要完成的化学反应而定。

由于爆轰反应器1的爆轰反应器本体60重复被高温高压的爆轰冲击波扫过后，会逐渐升温，当爆轰反应器本体60炉膛温度达到可燃性气体反应物10、化学反应物20的自燃温度(Auto-ignition Temperature)以上后，气体混合物将会自动燃烧。因此，如图1所示，为了有效控制及应用逆流爆轰的特性，在爆轰反应器本体60外侧，设置冷却设施62，使冷却液体由冷却液入口64进入冷却设施62，与爆轰反应器本体60的外壁进行热交换，带走爆轰反应器本体60外壁的能量，由冷却液出口65排除，冷却流体可以利用外部冷却设备冷却降温后重复使用。爆轰反应器本体60外壁经冷却后，维持其内部平均温度低于可燃性气体反应物10、化学反应物20的自燃温度，即可维持爆轰反应器1的稳定逆流爆轰操作。

以一般连接四组废气入口的PFCs处理设备而言，单位时间需要处理200L/min的SiH₄、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、SF₆等气体混合物作为化学反应物20为例，传统技术使用等离子体火炬约需使用10～30kW功率，使用本发明的爆轰反应器1则只需使用约150W功率的点火装置组80即可达成99％以上的破坏效率处理目标，可节省能源达到约99％。

又以生质废弃物、废油、废有机溶剂的气化处理用途为例，可以使用作为爆轰反应器1的可燃性气体反应物10的气体燃料可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔或其他由工艺分离出来的回收气体燃料。化学反应物20可以为生质废弃物、废油、废有机溶剂等废弃物或其混合物，空气/氧化剂/助剂30可以使用氧气加上一定量的水。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的权利要求可限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法，包含：

将可燃性气体反应物由可燃性气体反应物进料管连续注入爆轰反应器；

将化学反应物由化学反应物进料管连续注入爆轰反应器；

将空气/氧化剂/助剂由空气/氧化剂/助剂进料管连续注入爆轰反应器；

利用爆轰促进器将可燃性气体反应物、化学反应物及空气/氧化剂/助剂混合；

利用安装于爆轰促进器下游端的点火装置组将气体混合物点燃；

利用爆轰促进器使得该气体混合物回火产生逆流爆轰；

利用冲击进料端的爆轰冲击波使得火焰熄焰；

利用爆轰冲击波的反震波将反应产物排出爆轰反应器；

其特征是：

连续重复上述程序，使得化学反应物能连续利用爆轰冲击波的高温、高压进行反应，且

爆轰反应器具有冷却设施以保持爆轰反应器的温度低于可燃性气体反应物及化学反应物的自燃温度，使得逆流爆轰可持续操作。

2.根据权利要求1所述的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法，其中：

点火装置组具有多个点火装置；

点火装置全部使用或部分使用；

点火装置具有在线更换的功能。

3.根据权利要求1所述的使用气体逆流爆轰冲击波的连续化学反应方法，其中：

爆轰冲击波的温度及压力利用调节控制可燃性气体反应物的种类、浓度、进料温度及压力控制，

爆轰冲击波的爆轰频率利用可燃性气体反应物、化学反应物及空气/氧化剂/助剂的进料速率、温度及压力控制。

4.一种爆轰反应器，其中包含：

一爆轰反应器本体；

可燃性气体反应物进料管，用于将可燃性气体反应物连续注入爆轰反应器本体；

化学反应物进料管，用于将化学反应物连续注入爆轰反应器本体；

空气/氧化剂/助剂进料管，用于将空气/氧化剂/助剂连续注入爆轰反应器本体；

一爆轰促进器，用于促进可燃性气体反应物、化学反应物及空气/氧化剂/助剂的混合，并用于使得气体混合物回火产生逆流爆轰；

一点火装置组，用于将气体混合物点燃；

其特征是：

将可燃性气体反应物由可燃性气体反应物进料管连续注入爆轰反应器；

将化学反应物由化学反应物进料管连续注入爆轰反应器；

将空气/氧化剂/助剂由空气/氧化剂/助剂进料管连续注入爆轰反应器；

利用爆轰促进器促进可燃性气体反应物、化学反应物及空气/氧化剂/助剂的混合；

利用安装于爆轰促进器下游端的点火装置组将气体混合物点燃；

利用爆轰促进器使得该气体混合物回火产生逆流爆轰；

利用冲击进料端的爆轰冲击波使得火焰熄焰；

利用爆轰冲击波的反震波将反应产物排出爆轰反应器；

连续重复上述程序，使得化学反应物能连续利用爆轰冲击波的高温、高压进行反应。

5.根据权利要求4所述的爆轰反应器，具有冷却设施，以保持爆轰反应器的温度低于可燃性气体反应物及化学反应物的自燃温度，使得逆流爆轰可持续操作。

6.根据权利要求4所述的爆轰反应器，其中

可燃性气体反应物进料管为多个，同时接受多种可燃性气体反应物的连续进料，

化学反应物进料管为多个，同时接受多种化学反应物的连续进料，

空气/氧化剂/助剂进料管为多个，同时接受多种空气/氧化剂/助剂的连续进料。

7.根据权利要求4所述的爆轰反应器，其中

点火装置组具有多个点火装置，

点火装置全部使用或部分使用，

点火装置具有在线更换的功能。

8.根据权利要求4所述的爆轰反应器，其中

爆轰冲击波的温度及压力利用调节控制可燃性气体反应物的种类、浓度、进料温度及压力控制；

爆轰冲击波的爆轰频率利用可燃性气体反应物、化学反应物及空气/氧化剂/助剂进料速率、温度及压力控制。

9.根据权利要求4所述的爆轰反应器，其中爆轰促进器为静态搅拌器。

10.根据权利要求4所述的爆轰反应器，其中爆轰促进器为环状螺旋管。

Images