CN103706304A - 静电协同催化的合成反应器 - Google Patents

Abstract

一种静电协同催化的合成反应器，涉及到一种化学合成反应器。主要由电离室a、电离室b、合成室、反应室、上气室、下降通道和下气室组成，电离室a内有中心电极a，电离室b内有中心电极b，合成室的前端有混合气输出接口接出，合成室嵌入在外壁的内空间中，合成室的壳体与外壁之间的空间构成热交换室，热交换室内有螺旋肋板。反应室、上气室、下降通道和下气室设置在外壳的内空间中，反应室壁体通过上支撑件和下支撑件连接在外壳的内侧面上，反应室连通到上气室，上气室通过下降通道连通到下气室。本发明采用静电协同催化的措施把原料气进行化合反应，使原料气只需通过一次压缩就能全部合成为目标产物，以大幅降低电能消耗和提高催化效率。

Description

静电协同催化的合成反应器

技术领域

本发明涉及一种化工设备，特别涉及到一种化学合成反应器。

背景技术

在静电场中，原子或分子内的电子得到能量，就会受到激发而从正常的稳定状态跃迁到高能级状态，使气体分子获得能量，取出电子而电离成活性的离子气，同时，电子在电场中被加速，自由程长的电子从电场中获得足够的动能，与气体分子碰撞后就使气体分子得到电离和活化。

在催化剂存在的条件下，大多数化学合成反应都是可逆反应，当目标产物达到一定浓度后，将处于平衡，反应将不再向合成目标产物的方向进行。人们在进行化合反应的生产过程中，为了使反应能继续向目标产物方向进行，必须使混合产物从合成反应器中输出以及向合成反应器内补入新原料气，使合成反应器内的目标产物浓度降低、破坏平衡后使化合反应继续进行，混合产物从合成反应器中输出后，通过分离设备把未反应气分离出来，再把未反应气返回合成反应器内进行循环反应，由于单程催化率仅在20%左右，原料气必须通过多次循环压缩后才能在合成反应器内反应成目标产物，而每次循环压缩都需消耗很大的压缩能耗。

现有的合成反应器中，在应用催化剂合成的条件下，合成氨的操作压力在8MPa以上，合成甲醇的操作压力在3～15MPa之间，合成气直接合成二甲醚的操作压力在2～5MPa之间，要获得上述的操作压力，必须采取多级压缩才能实现，压缩能耗很大，因此，现有的合成反应器必须进行多次循环和多级压缩才能把原料气合成为目标产物的生产过程，存在电能消耗大的缺点。

发明内容

本发明的目的是要克服现有化学合成设备需把原料气进行反复循环压缩电能消耗大的缺点，设计一种静电协同催化的合成反应器，使原料气只需通过一次压缩就能全部合成为目标产物，以大幅降低电能消耗和提高催化效率，在合成氨、甲醇、二甲醚的生产及在其它需进行化学合成的生产过程中实现节能减排。

本发明的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是反应器主要由电离室a（Ⅶ）、电离室b（Ⅷ）、合成室（Ⅵ）、反应室（Ⅰ）、上气室（Ⅹ）、下降通道（Ⅸ）和下气室（Ⅱ）组成，其中，电离室a（Ⅶ）由外电极a（31）的内空间构成，外电极a（31）为圆筒体结构，电离室a（Ⅶ）内有中心电极a（32），中心电极a（32）的后端通过绝缘端头a（30）连接在外电极a（31）的后端；电离室b（Ⅷ）由外电极b（35）的内空间构成，外电极b（35）为圆筒体结构，电离室b（Ⅷ）内有中心电极b（39），中心电极b（39）的后端通过绝缘端头b（36）连接在外电极b（35）的后端；合成室（Ⅵ）由壳体（43）的内空间构成，壳体（43）为圆筒体结构，壳体（43）的后端通过绝缘连接件（33）分别连接到外电极a（31）的前端和外电极b（35）的前端，电离室a（Ⅶ）通过离子气通道（34）连通到合成室（Ⅵ），电离室b（Ⅷ）直接连通到合成室（Ⅵ）；合成室（Ⅵ）的前部呈渐缩的倒喇叭口结构，合成室（Ⅵ）的前端有混合气输出接口（23）接出；合成室（Ⅵ）嵌入在外壁（24）的内空间中，外壁（24）为圆筒体结构，外壁（24）的两端有封头进行封闭，合成室（Ⅵ）的壳体（43）与外壁（24）之间的空间构成热交换室（Ⅴ），热交换室（Ⅴ）内有螺旋肋板（25），螺旋肋板（25）焊接在合成室（Ⅵ）的壳体（43）上；在热交换室前端的外壁（24）上有输入端口（44）接入，在在热交换室后端的外壁（24）上有输出端口（42）接出。反应室（Ⅰ）、上气室（Ⅹ）、下降通道（Ⅸ）和下气室（Ⅱ）设置在外壳（9）的内空间中，反应室（Ⅰ）由壁体（7）的内空间构成，壁体（7）呈圆筒侧壁圆弧底结构，壁体（7）通过上支撑件（5）和下支撑件（50）连接在外壳（9）的内侧面上，壁体（7）的下部或圆弧底上有循环气输入口（12）接入和催化剂卸料出口（11）接出，循环气输入口（12）上连接有循环气连通管（13），循环气连通管（13）从下气室部位的外壳（9）穿出后连接到未反应气输入口（48）上；上气室（Ⅹ）由上端头（3）和外壳（9）上段围护的空间构成，上端头（3）呈圆盘体结构，上端头（3）上有催化剂加料口（Ⅺ），催化剂加料口（Ⅺ）由顶盖（1）进行封闭；下降通道（Ⅸ）由壁体（7）与外壳（9）中段之间的空间构成，下降通道（Ⅸ）中有冷却盘管（51），冷却盘管（51）的下端从外壳（9）的下部穿出后连接到冷却水进口（49）上，冷却盘管（51）的上端从外壳（9）的上部穿出后连接到冷却水出口（52）上；下气室（Ⅱ）由下端头（21）和外壳（9）下段围护的空间构成，下气室（Ⅱ）中有集气罩（16），集气罩（16）的内空间构成集气室（Ⅲ），集气室（Ⅲ）的顶上有集气管（15）接出，集气管（15）从下气室部位的外壳（9）穿出后连接到未反应气输出口（47）上；反应室（Ⅰ）连通到上气室（Ⅹ），上气室（Ⅹ）通过下降通道（Ⅸ）连通到下气室（Ⅱ）。下气室（Ⅱ）的下部为集液区（Ⅳ），集液区（Ⅳ）的底部有产物出口（19）接出；下气室（Ⅱ）的中部有混合气输入接口（22）接入，下气室（Ⅱ）的混合气输入接口（22）连接到合成室（Ⅵ）的混合气输出接口（23）；集气管（15）上的未反应气输出口（47）通过连接管b（46）连接到热交换室（Ⅴ）的输入端口（44）上；循环气连通管（13）上的未反应气输入口（48）连接到热交换室（Ⅴ）的输出端口（42）上。

本发明中，电离室a（Ⅶ）的后端有原料气输入接口a（26）以切线方向接入，离子气通道（34）以切线方式连通到合成室（Ⅵ）中，离子气通道（34）连通到合成室（Ⅵ）的角度与电离室b（Ⅷ）连通到合成室（Ⅵ）的角度呈相互垂直；电离室b（Ⅷ）的后端有原料气输入接口b（41）以切线方式接入，电离室a（Ⅶ）通过离子气通道（34）进入合成室（Ⅵ）的切线方向与电离室b（Ⅷ）进入合成室（Ⅵ）的切线方向相反；伸进电离室a（Ⅶ）中的中心电极a（32）上有石英套管a（27）进行封装，中心电极a（32）的后端有电极接口a（28），使用电极紧固件a（29）把中心电极a（32）固定在绝缘端头a（30）上；伸进电离室b（Ⅷ）中的中心电极b（39）上有石英套管b（40）进行封装，中心电极b（39）的后端有电极接口b（38），使用电极紧固件b（37）把中心电极b（39）固定在绝缘端头b（36）上；循环气输入口（12）为多通孔的半隔断结构；在反应室壁体（7）的外侧壁上安装绝热层（8）在反应室（Ⅰ）的下部有加热器（10），加热器（10）为电热器和热交换器其中的一种；在下气室（Ⅱ）中有气液分离器（18），气液分离器（18）包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器。

上述的发明中，把离子气通道（34）以切线方式连通到合成室（Ⅵ），并且其的角度与电离室b（Ⅷ）连通到合成室（Ⅵ）的角度进行相互垂直设计以及采取离子气通道（34）的切线方向与电离室b（Ⅷ）的原料气输入接口b（41）的切线方向相反的措施，其目的是为了能使进入到合成室（Ⅵ）的二种电离后原料气进行更好的混合，更有利于完成化学合成反应。

上述发明中，由于反应室（Ⅰ）、上气室（Ⅹ）、下降通道（Ⅸ）和下气室（Ⅱ）同在外壳（9）的空间内，并且反应室（Ⅰ）直接连通到上气室（Ⅹ）、上气室（Ⅹ）直接连通到下降通道（Ⅸ）、下降通道（Ⅸ）直接连通到下气室（Ⅱ），因此，化合反应器是在等压力条件下进行自循环催化合成反应，使得反应室（Ⅰ）的壁体（7）不承受压力，可以大大减少壁体（7）的材料用量。

上述的发明在应用时，需配备高压静电发生器，把静电发生器的高压电源正极分别连接到外电极a（31）上和电极接口b（38）上，把静电发生器的高压电源负极分别连接到外电极b（35）上和电极接口a（28）上，通电后，便在电离室a（Ⅶ）中产生正极性的静电场，在电离室b（Ⅷ）中产生负极性的静电场。静电场是电荷周围空间存在的一种特殊形态的物质,在电场力的作用下出现静电感应现象,使原来中和的气体分子出现正、负电荷分离现象。当向电离室a（Ⅶ）中输入参于化学合成反应其中的一种原料气和向电离室b（Ⅷ）中输入参于化学合成反应中的另一种原料气时，二种原料气分别在电离室a（Ⅶ）中和电离室b（Ⅷ）中被电离为活性物质，输入到电离室a（Ⅶ）的原料气成为带正电子的活性离子气，输入到电离室b（Ⅷ）中原料气成为带负电子的活性离子气，当带正电子的活性离子气和带负电子的活性离子气在合成室（Ⅵ）中混合后，根据异性相吸的原理，极容易进行化学合成而成为目标产物。本发明把参与化学反应的原料分别进行电离活化，使之成为不同极性的活性离子气，使得化合反应变得容易进行。由于存在可逆反应，所以从合成室（Ⅵ）输出的是目标产物与未反应气的混合物，混合物输入到下气室（Ⅱ）中进行气液分离，把液态的目标产物从反应器中分离出来，再把未反应气通过自循环方式逐渐在反应室（Ⅰ）中化合为目标产物。 

上述的发明采取静电协同催化的措施把原料气化合为目标产物，以提高催化效率，进而提高产量。具体实施时，还把冷却水进口（49）连接到冷却系统的供水管上，把冷却水出口（52）连接到冷却系统的回水管上，同时在反应室（Ⅰ）中设置催化剂，催化剂按目标产物的要求选用并活化，然后分别通过原料气输入接口a（26）和原料气输入接口b（41）向电离室a（Ⅶ）和电离室b（Ⅷ）输入不同的参与化学反应的原料气，不同的原料气分别在电离室a（Ⅶ）和电离室b（Ⅷ）中被电离为不同极性的离子气，不同极性的离子气进入到合成室（Ⅵ）进行混合，化合为目标产物；目标产物与未反应气进入到下气室（Ⅱ）中，通过气液分离器（18）进行分离，把目标产物以液态分离出来，未反应气通过集气管（15）和连接管b（46）进入热交换室（Ⅴ）进行预热，然后通过连接管a（45）和循环气连通管（13）由循环气输入口（12）进入反应室（Ⅰ），在催化剂存在的条件下，进行化合反应，生成目标产物，在进行化合反应时，会产生热量，所生成的反应热会使反应室（Ⅰ）内升温，从而使反应室（Ⅰ）内的未反应气和气态目标产物升温，使未反应气和气态目标产物混合的气态混合物的密度变小，根据重力循环原理，升温后的气态混合物会进行上升运动，进入到上气室（Ⅹ）中；同时，下降通道（Ⅸ）受到冷却盘管（51）的冷却作用，使下降通道（Ⅸ）中的未反应气或气态混合物受到冷却，温度下降，使未反应气或气态混合物的密度增大，根据重力循环原理，降温后的未反应气或气态混合物会进行下降运动，进入到下气室（Ⅱ）中，气态混合物在下气室（Ⅱ）中经气液分离器（18）进行分离后，分离为液态的目标产物和气态的未反应气，液态的目标产物通过产物出口（19）和产物输出管（20）输出进入产品贮罐，未反应气通过集气管（15）、热交换室（Ⅴ）、循环气连通管（13）由循环气输入口（12）进入反应室（Ⅰ）进行循环反应，合成目标产物所消耗的原料气通过原料气输入接口a（26）和原料气输入接口b（41）进行补充，如此周而复始，由反应器自己在内部等压条件形成自动循环，并及时分离出目标产物，使化合反应器内的目标产物浓度始终低于平衡点，使得化合反应能持续进行。本发明使原料气只需通过一次压缩就能全部合成为目标产物，而不需把混合物输出反应器外分离，克服了原料气需进行反复循环压缩电能消耗大的缺点，提高了催化效率，实现节能减排。

上述的发明中，在化合反应器内的反应室壁体（7）与外壳（9）之间的空间中设置冷却盘管（51），使气态混合物快速降温而进行下降运动，自动产生向下引力，从而使反应室壁体（7）与外壳（9）之间的空间受到冷却作用而构成气态混合物的下降通道（Ⅸ），把上气室（Ⅹ）中的气态混合物引入到下气室（Ⅱ）中，再在下气室（Ⅱ）中把气态混合物进行分离，分离出的未反应气通过循环气输入口（12）及时补充进反应室（Ⅰ）内，推动反应室（Ⅰ）内升温的气态混合物加速上升运动，反应室（Ⅰ）内加速上升运动的气态混合物又通过循环作用使下降通道（Ⅸ）内的气态混合物加速下降运动，由此，由反应器自己在内部不断产生循环动力。本发明采用冷却盘管（51）作为下降通道（Ⅸ）中的冷却装置，使冷却盘管均匀地盘绕在下降通道（Ⅸ）中，实现下降通道（Ⅸ）的降温作用，下降通道（Ⅸ）只需一个输入接口和一个输出接口，因此，在外壳（9）的上段和下段，各只有一个穿出点，与冷却管束的冷却装置相比，省略了分水箱和集水箱，并且，制作更简单和节省材料。

上述的发明中，在热交换室（Ⅴ）中设置螺旋肋板（25），螺旋肋板（25）焊接在合成室的壳体（43）上，使合成室（Ⅵ）中产生的反应热能及时移进热交换室（Ⅴ）中，提供给未反应器进行预热，螺旋肋板（25）使热交换室（Ⅴ）中形成螺旋通道，使得物理行程得到延长和换热面积增大，从而提高了换热效率。

上述的发明中，在反应室（Ⅰ）的下部设置加热器（10）的作用是为反应室（Ⅰ）进行辅助加热，在设备投入运行的初始产生适合目标产物合成的室温，在设备正常运行时进行操作温度的调节，同时，起到使原料气加速循环催化的作用。所述的加热器（10）为电热器或热交换器，选用市场现有产品。

上述的发明中，在下气室（Ⅱ）中设置集气罩（16），其作用是使未反应气在集气罩（16）聚集，使集气罩（16）的内空间构成集气室（Ⅲ），使比重大的目标产物进不到集气罩（16）的顶部，从而防止下气室（Ⅱ）中的气态目标产物反馈到反应室（Ⅰ）内，有利于提高反应室（Ⅰ）内的催化效率。

上述的发明中，在下气室（Ⅱ）中设置气液分离器（18），其目的是把目标产物及时分离出来，降低化合反应器内的目标产物浓度，使化合反应向有利的方向进行，使原料气加快合成目标产物，提高催化效率。所述的气液分离器（18）包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器，当使用百页窗式分离器时，以碰撞分离方式进行气液分离，混合物中的雾化产物粒子在流动过程中遇到百页档板时，经碰撞相互凝结成团而形成液态的目标产物；当使用盘管冷却分离器和表冷器式分离器时，以冷凝分离方式进行气液分离，在盘管或表冷器的表面温度降到目标产物的蒸发温度以下时，便使气态的目标产物凝结在盘管或表冷器的表面而分离出液态产物，或者在下气室（Ⅱ）的室温降低到目标产物的蒸发温度以下时，气态的目标产物便冷凝成液态的目标产物，达到分离目的。

上述的发明中，循环气输入口（12）设计为多通孔的半隔断结构，使得反应室（Ⅰ）中的催化剂不会通过循环气输入口（12）泄漏，而多通孔的半隔断结构不会阻碍未反应气进入反应室（Ⅰ）内。

上述的发明中，在反应室的壁体（7）的外侧壁上安装绝热层（8）的目的是使反应室（Ⅰ）内的反应热不会影响到下降通道（Ⅸ）的冷却作用，同时也使下降通道（Ⅸ）的冷却作用不会影响到反应室（Ⅰ）内的升温作用，从而保证反应室（Ⅰ）内保持化学反应需要的温度。

上述的发明中，高压静电发生器输出的高压电为12KV以上的直流电；绝缘端头a（30）、电极紧固件a（29）、绝缘连接件（33）、绝缘端头b（36）和电极紧固件b（37）采用绝缘材料制作，所述的绝缘材料制作包括聚四氟乙烯、胶木、氧化铝陶瓷等材料，其它部件采用金属材料制作。

本发明的有益效果是：采用静电协同催化的措施，把参与化学反应的原料气分别通过电离为不同极性的离子气，再进行化合反应，使得反应更容易进行，提高了催化率。生产时，使原料气只需通过一次压缩就能全部合成为目标产物，以大幅降低电能消耗和提高催化效率，在化学合成的生产过程中实现节能减排。与常规技术相比，本发明克服了常规的化学合成设备需把原料气进行反复循环压缩电能消耗大的缺点。本发明可在甲醇、二甲醚、合成氨等化学合成产品的生产线上应用。

附图说明

附图是本发明的一种静电协同催化的合成反应器结构图。

图中：1.顶盖，2.密封圈a，3.上端头，4.密封圈b，5.上支撑件，6.温度传感器，7.反应室壁体，8.绝热层，9.外壳，10.加热器，11.催化剂卸料出口，12.循环气输入口，13.循环气连通管，14.催化剂卸料管，15.集气管，16.集气罩，17.密封圈c，18.气液分离器，19.产物出口，20.产物输出管，21.下端头，22.混合气输入接口，23.混合气输出接口，24.热交换室的外壁，25.螺旋肋板，26.原料气输入接口a，27.石英套管a，28.电极接口a，29.电极紧固件a，30.绝缘端头a，31.外电极a，32.中心电极a，33.绝缘连接件，34.离子气通道，35.外电极b，36.绝缘端头b，37.电极紧固件b，38.电极接口b，39.中心电极b，40.石英套管b，41.原料气输入接口b，42.热交换室的输出端口，43.合成室的壳体，44.热交换室的输入端口，45.连接管a，46.连接管b，47.未反应气输出口，48.未反应气输入口，49.冷却水进口，50.下支撑件，51.冷却盘管，52.冷却水出口，Ⅰ.反应室，Ⅱ.下气室，Ⅲ.集气室，Ⅳ.集液区，Ⅴ.热交换室，Ⅵ.合成室，Ⅶ.电离室a，Ⅷ.电离室b，Ⅸ.下降通道，Ⅹ.上气室，Ⅺ.催化剂加料口。

具体实施方式

附图所示的实施例中，静电协同催化的合成反应器主要由电离室a（Ⅶ）、电离室b（Ⅷ）、合成室（Ⅵ）、反应室（Ⅰ）、上气室（Ⅹ）、下降通道（Ⅸ）和下气室（Ⅱ）组成，其中，电离室a（Ⅶ）由外电极a（31）的内空间构成，外电极a（31）为圆筒体结构，电离室a（Ⅶ）内有中心电极a（32），中心电极a（32）的后端通过绝缘端头a（30）连接在外电极a（31）的后端；电离室b（Ⅷ）由外电极b（35）的内空间构成，外电极b（35）为圆筒体结构，电离室b（Ⅷ）内有中心电极b（39），中心电极b（39）的后端通过绝缘端头b（36）连接在外电极b（35）的后端；合成室（Ⅵ）由壳体（43）的内空间构成，壳体（43）为圆筒体结构，壳体（43）的后端通过绝缘连接件（33）分别连接到外电极a（31）的前端和外电极b（35）的前端，电离室a（Ⅶ）通过离子气通道（34）连通到合成室（Ⅵ），电离室b（Ⅷ）直接连通到合成室（Ⅵ）；合成室（Ⅵ）的前部呈渐缩的倒喇叭口结构，合成室（Ⅵ）的前端有混合气输出接口（23）接出；合成室（Ⅵ）嵌入在外壁（24）的内空间中，外壁（24）为圆筒体结构，外壁（24）的两端有封头进行封闭，合成室（Ⅵ）的壳体（43）与外壁（24）之间的空间构成热交换室（Ⅴ），热交换室（Ⅴ）内有螺旋肋板（25），螺旋肋板（25）焊接在合成室（Ⅵ）的壳体（43）上；在热交换室前端的外壁（24）上有输入端口（44）接入，在在热交换室后端的外壁（24）上有输出端口（42）接出。反应室（Ⅰ）、上气室（Ⅹ）、下降通道（Ⅸ）和下气室（Ⅱ）设置在外壳（9）的内空间中，反应室（Ⅰ）由壁体（7）的内空间构成，壁体（7）呈圆筒侧壁圆弧底结构，壁体（7）通过上支撑件（5）和下支撑件（50）连接在外壳（9）的内侧面上，壁体（7）的圆弧底上有循环气输入口（12）接入和催化剂卸料出口（11）接出，循环气输入口（12）上连接有循环气连通管（13），循环气连通管（13）从下气室部位的外壳（9）穿出后连接到未反应气输入口（48）上；上气室（Ⅹ）由上端头（3）和外壳（9）上段围护的空间构成，上端头（3）呈圆盘体结构，上端头（3）上有催化剂加料口（Ⅺ），催化剂加料口（Ⅺ）由顶盖（1）进行封闭；下降通道（Ⅸ）由壁体（7）与外壳（9）中段之间的空间构成，下降通道（Ⅸ）中有冷却盘管（51），冷却盘管（51）的下端从外壳（9）的下部穿出后连接到冷却水进口（49）上，冷却盘管（51）的上端从外壳（9）的上部穿出后连接到冷却水出口（52）上；下气室（Ⅱ）由下端头（21）和外壳（9）下段围护的空间构成，下气室（Ⅱ）中有集气罩（16），集气罩（16）的内空间构成集气室（Ⅲ），集气室（Ⅲ）的顶上有集气管（15）接出，集气管（15）从下气室部位的外壳（9）穿出后连接到未反应气输出口（47）上；反应室（Ⅰ）连通到上气室（Ⅹ），上气室（Ⅹ）通过下降通道（Ⅸ）连通到下气室（Ⅱ）。下气室（Ⅱ）的下部为集液区（Ⅳ），集液区（Ⅳ）的底部有产物出口（19）接出；下气室（Ⅱ）的中部有混合气输入接口（22）接入，下气室（Ⅱ）的混合气输入接口（22）连接到合成室（Ⅵ）的混合气输出接口（23）；集气管（15）上的未反应气输出口（47）通过连接管b（46）连接到热交换室（Ⅴ）的输入端口（44）上；循环气连通管（13）上的未反应气输入口（48）连接到热交换室（Ⅴ）的输出端口（42）上。本实施例中，电离室a（Ⅶ）的后端有原料气输入接口a（26）以切线方向接入，离子气通道（34）以切线方式连通到合成室（Ⅵ）中，离子气通道（34）连通到合成室（Ⅵ）的角度与电离室b（Ⅷ）连通到合成室（Ⅵ）的角度呈相互垂直；电离室b（Ⅷ）的后端有原料气输入接口b（41）以切线方式接入，电离室a（Ⅶ）通过离子气通道（34）进入合成室（Ⅵ）的切线方向与电离室b（Ⅷ）进入合成室（Ⅵ）的切线方向相反；伸进电离室a（Ⅶ）中的中心电极a（32）上有石英套管a（27）进行封装，中心电极a（32）的后端有电极接口a（28），使用电极紧固件a（29）把中心电极a（32）固定在绝缘端头a（30）上；伸进电离室b（Ⅷ）中的中心电极b（39）上有石英套管b（40）进行封装，中心电极b（39）的后端有电极接口b（38），使用电极紧固件b（37）把中心电极b（39）固定在绝缘端头b（36）上；循环气输入口（12）为多通孔的半隔断结构；在反应室壁体（7）的外侧壁上安装绝热层（8）在反应室（Ⅰ）的下部有加热器（10），加热器（10）为电热器，选用市售产品；在下气室（Ⅱ）中有气液分离器（18），气液分离器（18）为表冷器式分离器，选用市售产品；在顶盖（1）与上端头（3）连接面之间有密封圈a（2）；上端头（3）安装在外壳（9）的上端口，在上端头（3）与外壳（9）上端口的连接面之间有密封圈b（4）；下端头（21）为圆弧底结构，下端头（21）安装在外壳（9）的下端口，外壳（9）的下端口与下端头（21）的连接面之间有密封圈c（17）；在上气室（Ⅹ）中有温度传感器（6）。本实施例中，绝缘端头a（30）、电极紧固件a（29）、绝缘连接件（33）、绝缘端头b（36）和电极紧固件b（37）采用绝缘材料制作，所述的绝缘材料制作包括聚四氟乙烯、胶木、氧化铝陶瓷等材料，其它部件采用金属材料制作。

本实施例采取静电协同催化的措施把原料气化合为目标产物。在应用时，配备高压静电发生器，把静电发生器的高压电源正极分别连接到外电极a（31）上和电极接口b（38）上，把静电发生器的高压电源负极分别连接到外电极b（35）上和电极接口a（28）上；把冷却水进口（49）连接到冷却系统的供水管上，把冷却水出口（52）连接到冷却系统的回水管上，同时在反应室（Ⅰ）中设置催化剂，催化剂按目标产物的要求选用并活化。对电离室a（Ⅶ）和电离室b（Ⅷ）施加3万伏的直流电后，便在电离室a（Ⅶ）中产生正极性的静电场，在电离室b（Ⅷ）中产生负极性的静电场；然后分别通过原料气输入接口a（26）和原料气输入接口b（41）向电离室a（Ⅶ）和电离室b（Ⅷ）输入不同的参与化学反应的原料气，不同的原料气分别在电离室a（Ⅶ）和电离室b（Ⅷ）中被电离为不同极性的离子气，不同极性的离子气进入到合成室（Ⅵ）进行混合，化合为目标产物；目标产物与未反应气进入到下气室（Ⅱ）中，通过气液分离器（18）进行分离，把目标产物以液态分离出来，未反应气通过集气管（15）和连接管b（46）进入热交换室（Ⅴ）进行预热，然后通过连接管a（45）和循环气连通管（13）由循环气输入口（12）进入反应室（Ⅰ），在催化剂存在的条件下，进行化合反应，生成目标产物，在进行化合反应时，会产生热量，所生成的反应热会使反应室（Ⅰ）内升温，从而使反应室（Ⅰ）内的未反应气和气态目标产物升温，使未反应气和气态目标产物混合的气态混合物的密度变小，根据重力循环原理，升温后的气态混合物会进行上升运动，进入到上气室（Ⅹ）中；同时，下降通道（Ⅸ）受到冷却盘管（51）的冷却作用，使下降通道（Ⅸ）中的未反应气或气态混合物受到冷却，温度下降，使未反应气或气态混合物的密度增大，根据重力循环原理，降温后的未反应气或气态混合物会进行下降运动，进入到下气室（Ⅱ）中，气态混合物在下气室（Ⅱ）中经气液分离器（18）进行分离后，分离为液态的目标产物和气态的未反应气，液态的目标产物通过产物出口（19）和产物输出管（20）输出进入产品贮罐，未反应气通过集气管（15）、热交换室（Ⅴ）、循环气连通管（13）由循环气输入口（12）进入反应室（Ⅰ）进行循环反应，合成目标产物所消耗的原料气通过原料气输入接口a（26）和原料气输入接口b（41）进行补充，如此周而复始，由反应器自己在内部等压条件形成自动循环，并及时分离出目标产物，使化合反应器内的目标产物浓度始终低于平衡点，使得化合反应能持续进行。在生产过程中，通过温度传感器（6）获得反应室（Ⅰ）中的温度，然后通过操作加热器（10）运行或停止来控制反应室（Ⅰ）中的温度，使之符合化学合成的温度要求。

上述的实施例作为甲醇、二甲醚、合成氨或其它化学合成产品的生产线上应用。当作为合成甲醇设备应用时，在合成室（Ⅵ）中和反应室（Ⅰ）中设置以48%的CuO、46%的ZnO和5%的Al₂O₃为组份的颗粒状催化剂，再把一体积的一氧化碳输入到电离室b（Ⅷ）中和把二体积的氢气输入到电离室a（Ⅶ）中，进行合成甲醇生产，原料气合成为甲醇的反应式为CO+2H₂→CH₃OH+102.5kj；当作为一步法合成二甲醚设备应用时，在合成室（Ⅵ）中和反应室（Ⅰ）中设置以48%的CuO、46%的ZnO和5%的Al₂O₃为组份的颗粒状催化剂，再加填ZSM-5分子筛，再把一体积的一氧化碳输入到电离室b（Ⅷ）中和二体积的氢气输入到电离室a（Ⅶ）中，进行合成二甲醚生产，原料气合成为二甲醚的反应式为2CO+4H₂→（CH₃）₂O+H₂O+200.2kj；当作为合成氨设备应用时，在合成室（Ⅵ）中和反应室（Ⅰ）中设置以催化剂组份以Fe为主，以 Al₂O₃、K₂O、CaO、SiO₂、BaO为促进剂，再把一体积的氮气输入到电离室b（Ⅷ）中和把三体积的氢气输入到电离室a（Ⅶ）中，进行合成氨生产，原料气合成为氨的反应式为N₂+3H₂→2NH₃+92.1kj。

Claims (9)

1.一种静电协同催化的合成反应器，其特征是反应器主要由电离室a（Ⅶ）、电离室b（Ⅷ）、合成室（Ⅵ）、反应室（Ⅰ）、上气室（Ⅹ）、下降通道（Ⅸ）和下气室（Ⅱ）组成，其中，电离室a（Ⅶ）由外电极a（31）的内空间构成，外电极a（31）为圆筒体结构，电离室a（Ⅶ）内有中心电极a（32），中心电极a（32）的后端通过绝缘端头a（30）连接在外电极a（31）的后端；电离室b（Ⅷ）由外电极b（35）的内空间构成，外电极b（35）为圆筒体结构，电离室b（Ⅷ）内有中心电极b（39），中心电极b（39）的后端通过绝缘端头b（36）连接在外电极b（35）的后端；合成室（Ⅵ）由壳体（43）的内空间构成，壳体（43）为圆筒体结构，壳体（43）的后端通过绝缘连接件（33）分别连接到外电极a（31）的前端和外电极b（35）的前端，电离室a（Ⅶ）通过离子气通道（34）连通到合成室（Ⅵ），电离室b（Ⅷ）直接连通到合成室（Ⅵ）；合成室（Ⅵ）的前部呈渐缩的倒喇叭口结构，合成室（Ⅵ）的前端有混合气输出接口（23）接出；合成室（Ⅵ）嵌入在外壁（24）的内空间中，外壁（24）为圆筒体结构，外壁（24）的两端有封头进行封闭，合成室（Ⅵ）的壳体（43）与外壁（24）之间的空间构成热交换室（Ⅴ），热交换室（Ⅴ）内有螺旋肋板（25），螺旋肋板（25）焊接在合成室（Ⅵ）的壳体（43）上；在热交换室前端的外壁（24）上有输入端口（44）接入，在在热交换室后端的外壁（24）上有输出端口（42）接出；

反应室（Ⅰ）、上气室（Ⅹ）、下降通道（Ⅸ）和下气室（Ⅱ）设置在外壳（9）的内空间中，反应室（Ⅰ）由壁体（7）的内空间构成，壁体（7）呈圆筒侧壁圆弧底结构，壁体（7）通过上支撑件（5）和下支撑件（50）连接在外壳（9）的内侧面上，壁体（7）的下部或圆弧底上有循环气输入口（12）接入和催化剂卸料出口（11）接出，循环气输入口（12）上连接有循环气连通管（13），循环气连通管（13）从下气室部位的外壳（9）穿出后连接到未反应气输入口（48）上；上气室（Ⅹ）由上端头（3）和外壳（9）上段围护的空间构成，上端头（3）呈圆盘体结构，上端头（3）上有催化剂加料口（Ⅺ），催化剂加料口（Ⅺ）由顶盖（1）进行封闭；下降通道（Ⅸ）由壁体（7）与外壳（9）中段之间的空间构成，下降通道（Ⅸ）中有冷却盘管（51），冷却盘管（51）的下端从外壳（9）的下部穿出后连接到冷却水进口（49）上，冷却盘管（51）的上端从外壳（9）的上部穿出后连接到冷却水出口（52）上；下气室（Ⅱ）由下端头（21）和外壳（9）下段围护的空间构成，下气室（Ⅱ）中有集气罩（16），集气罩（16）的内空间构成集气室（Ⅲ），集气室（Ⅲ）的顶上有集气管（15）接出，集气管（15）从下气室部位的外壳（9）穿出后连接到未反应气输出口（47）上；反应室（Ⅰ）连通到上气室（Ⅹ），上气室（Ⅹ）通过下降通道（Ⅸ）连通到下气室（Ⅱ）；

下气室（Ⅱ）的下部为集液区（Ⅳ），集液区（Ⅳ）的底部有产物出口（19）接出；下气室（Ⅱ）的中部有混合气输入接口（22）接入，下气室（Ⅱ）的混合气输入接口（22）连接到合成室（Ⅵ）的混合气输出接口（23）；集气管（15）上的未反应气输出口（47）通过连接管b（46）连接到热交换室（Ⅴ）的输入端口（44）上；循环气连通管（13）上的未反应气输入口（48）连接到热交换室（Ⅴ）的输出端口（42）上。

2.根据权利要求1所述的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是电离室a（Ⅶ）的后端有原料气输入接口a（26）以切线方向接入，离子气通道（34）以切线方式连通到合成室（Ⅵ）中，离子气通道（34）连通到合成室（Ⅵ）的角度与电离室b（Ⅷ）连通到合成室（Ⅵ）的角度呈相互垂直。

3.根据权利要求1所述的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是电离室b（Ⅷ）的后端有原料气输入接口b（41）以切线方式接入，电离室a（Ⅶ）通过离子气通道（34）进入合成室（Ⅵ）的切线方向与电离室b（Ⅷ）进入合成室（Ⅵ）的切线方向相反。

4.根据权利要求1所述的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是伸进电离室a（Ⅶ）中的中心电极a（32）上有石英套管a（27）进行封装，中心电极a（32）的后端有电极接口a（28），使用电极紧固件a（29）把中心电极a（32）固定在绝缘端头a（30）上。

5.根据权利要求1所述的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是伸进电离室b（Ⅷ）中的中心电极b（39）上有石英套管b（40）进行封装，中心电极b（39）的后端有电极接口b（38），使用电极紧固件b（37）把中心电极b（39）固定在绝缘端头b（36）上。

6.根据权利要求1所述的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是循环气输入口（12）为多通孔的半隔断结构。

7.根据权利要求1所述的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是在反应室壁体（7）的外侧壁上安装绝热层（8）。

8.根据权利要求1所述的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是在反应室（Ⅰ）的下部有加热器（10），加热器（10）为电热器和热交换器其中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种静电协同催化的合成反应器，其特征是在下气室（Ⅱ）中有气液分离器（18），气液分离器（18）包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器。

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