CN104853838B - 用于制备化学化合物的超音速碰撞冲击波反应机理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用于进行化学反应的新方法和设备。将高度压缩的气流如H2、CO、CO2、H2O、O2或CH4提高到马赫速率以形成包含冲击波的超音速射流。两种或更多种这样的射流物理地碰撞在一起以形成局部反应区域，在该局部反应区域，来自冲击波的能量引起其中打破反应物气体的化学键的吸热反应。在反应物之间发生分子表面的相互作用和分子表面化学。在接下来的放热反应中，形成期望的新化学产物，并且由于自由射流的膨胀导致的绝热冷却，这种产物被锁定在低焓状态(生成能的状态)。

Description

用于制备化学化合物的超音速碰撞冲击波反应机理的方法和 设备
背景技术
本申请要求于2012年10月31日提交的名称为“用于制备化学化合物的超音速碰撞冲击波反应机理的方法和设备(Process and Apparatus for Supersonic CollisionShockwave Reaction Mechanism for Making Chemical Compounds)”的美国临时专利申请No.61/720,919的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本公开内容一般地涉及化学化合物生产领域，更具体地，涉及用于使用极具时间效益、能量输出效益并因此极具成本效益的“碰撞物理学”以借助超音速碰撞冲击波反应机理来实现化学化合物的生产的方法和设备。
多个世纪以来，常规化学反应方式是基于在添加或不添加液体的搅拌、共混或混合方法中使两种或更多种化学物质混合，通常辅以热量、压力和时间的输入，有时还辅以向反应中引入催化剂。目的是使化合物A和不同的化合物B的原本各自的键合松开，从而允许因AB的新配对而产生一种或更多种新化合物。如果A和B中的一者或两者本身是化合物，则为A和B的组分的若干变化的新配对。
以甲醇生产为例
已经由多种原料生产低碳醇，这些原料包括木材、生物质、甲烷(CH4)和合成气。多个世纪以前，当时被称为“pyroxylic spirit”的甲醇是由木材的热解生产的。甲醇是最简单的醇。最初，用于生产甲醇的合成气来源于煤。1923，BASF的德国化学家Alwin Mittasch和Mathias Pier开发了一种将主要来自煤和石油原料的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和氢气(H2)的混合物转化为甲醇(CH3OH)的方法。BASF在1926年获得了一种在“不含铁的”催化剂的存在下由一氧化碳和氢气制备甲醇的方法的美国专利1,569,775，所述方法的改进在于反应中完全排除了铁。BASF方法在50至220大气压(735psig至3,200psig)的压力下和482°F至1,112°F(250℃至600℃)的温度下使用铬和锰氧化物催化剂。
煤的气化是一种用于将煤转化为一氧化碳气和氢气的化学方法。一氧化碳气和氢气的混合物被称为合成气体(通常也成为“合成气”)。在20世纪20年代，名为Franz Fischer和Hans Tropsch的两位德国研究者发明了一种可将一氧化碳气和氢气转化为多种形式的液态烃的催化化学反应方法(费-托法)。该方法中使用的典型催化剂基于铁和钴。该方法的主要目的是生产用作合成润滑油或合成燃料的合成石油替代品。
以下化学方程式描述了用于“合成气”重整(方程式1)和用于烷烃重整(方程式2)的原本的费-托法：
(方程式1)CH4+0.5O2→2H2+CO+热
(方程式2)(2n+1)H2+n CO→CnH(2n+2)+n H2O
方程式1中描述的步骤是甲烷原料的煤的气化过程。方程式2中描述的步骤是费-托液化过程。液化是物质由固态或气态向液态的转变。费-托法的实用性主要在于其在由固体原料如煤或固体含碳废物生产液态烃或氢气中的作用。众所周知固体材料的非氧化热解产生合成气，后者可不经过费-托过程直接使用或作为燃料。如果期望液态石油类燃料、润滑剂或蜡，可实施费-托法。
近年来，合成气生产中的进步包括等离子体热解，其已经被应用于从生物质生产合成气。热解是在没有氧气参与的情况下有机材料在升高的温度下的热化学分解。应用于合成气生产的等离子体热解是使用等离子炬使烃分子键断裂为气态形式。
从那时起，已经为现在被称为天然气的蒸汽重整的方法授予了很多专利。在这些专利中，授予Air Products and Chemicals的美国专利6,706,770为用于同时生产甲醇和包含一些中间产物和回收的合成气的氢气合成气的方法。通过使用能够在较低压力下工作的催化剂，现代甲醇生产已经更高效，Imperial Chemical Industries，Ltd.(ICI)在20世纪60年代后期利用现在属于利益受让人(Johnson Matthey)的技术开发了现代低压甲醇(LPM)，其为甲醇工艺的主要全球许可方。
目前，最广泛使用的催化剂是铜、氧化锌和氧化铝的混合物，其由ICI在1966年首次使用。在5-10MPa(50-100atm)和482°F(250℃)下，其可在重复过程中高选择性(＞99.8％)地催化由一氧化碳(CO)和氢气(H2)产生甲醇：
CO+2H2+催化剂→CH3OH
今天，由于天然气包含氢气，最通常地由天然气中的甲烷组分产生合成气。商业上使用三种方法。在4MPa(40atm)的中等压力和约1,562°F(850℃)的高温下，甲烷与蒸汽在镍催化剂上根据以下化学方程式反应产生合成气：
CH4+H2O蒸汽+催化剂→CO+3H2
这个反应通常被称为蒸汽-甲烷重整，是吸热的，热传递的局限性限制了所使用的催化反应器的尺寸和压力。甲烷也可被分子氧部分氧化以产生合成气，如以下方程式所示：
2CH4+O2→2CO+4H2
这个反应是放热的，放出的热可原位用于驱动蒸汽-甲烷重整反应。从分析的角度，该方程式可如下表示：CH4+1.5O2→CO+2H2O，并且可以看作是非常放热的反应，提供热输入到上述的蒸汽辅助方程中。当两个过程合并时，称为自热重整。蒸汽重整所需的高压和高温在设备上要求比简单局部氧化过程所需更多的资本投资，但是，除非来自局部氧化的废热被利用，否则蒸汽重整的能量效率高于局部氧化。
观察到由甲烷和蒸汽生产合成气时每产生一摩尔一氧化碳产生三摩尔氢气，而甲醇合成时每消耗一摩尔一氧化碳仅消耗两摩尔氢气。处理过量氢气的一种方法是向甲醇合成反应器中注入二氧化碳，所述二氧化碳也在反应器中根据以下方程式反应生成甲醇：
CO2+3H2→CH3OH+H2O
2010年，授予了Cooper，Tang等美国专利7,842,264。该专利涉及用于用一系列反应器相继从气流中除去颗粒、金属、二氧化硫、NOx和二氧化碳的方法和设备，所述一系列反应器使用“超音速喷嘴”(即，以设计的马赫速率范围注入)和亚音速喷嘴使注入的液体流分散为非常小的高速液滴，所述液滴与污染物反应、捕捉、包裹然后除去污染物。超音速喷嘴被描述为de Laval缩放喷嘴，是本领域技术人员周知的。然后，含污染物的液滴“生长”到一定尺寸使得借助用于使液相分离于气相的空气动力学聚结剂他们可容易地与快速移动的气流分开并被除去。该专利还公开了回收的CO2可通过已知的变换反应器以产生CO，然后通过已知的甲醇合成工艺使用常规热化学原理产生甲醇。同样地，所述专利公开了使用常规热化学原理由这种被回收的CO2生产乙烯、乙醇、二氯乙烯和聚氯乙烯(PVC)。
分子表面化学
分子表面化学描述了发生在表面或一个分子与另一个分子之间的界面的现象。其涉及分子表面能量转移、电荷转移、吸附、原始键的断裂、新键的重新生成、中间物和过渡分解，以及组分的可能的新键合或配对的重新缔合、解吸附、质量和能量转移、催化等。由于涉及反应物的新表面的形成需要打破原始构成分子之间的引力，这是一个吸热过程，所涉及分子的表面变得相对更不稳定并且涉及生成的正自由能的流动。表面为整个系统贡献这种自由能，也称为表面张力。但是，在能量守恒模式下，系统试图使所涉及表面的这种不利的自由能最小化。该表面迅速对系统中可用的其他分子产生引力。结果是降低表面张力。牛津大学物理和理论化学实验室为本申请人描述的这种分子表面化学提供了的讲座和书面解释。美国能源部布鲁克黑文国家实验室(BNL)为这种分子表面化学提供了非常描述性的插图说明，如图1所示。
因此，BNL的化学部如下描述表面化学动力学：“分子的表面化学透视图-[图1]在分子水平上图示描述了材料表面上参与反应物向产物转变的现象的富度。分子可从表面散开，与表面不进行或进行一些有限程度的能量交换。或者，分子表面能量转移可导致吸纳和物理吸附或化学吸附。在一些情况下，物理吸附是化学吸附的前导，一些情况下，化学吸附需要键的解离。电荷转移在一些吸附过程中发挥重要作用。一旦在表面上，被吸附的中间物可以以随温度变化的速率向旁边扩散，形成包括吸附原子、空位和台阶的表面特征。他们可紧紧结合到缺位上。多种被吸附的中间物可在缺位处或规则晶格位处相遇，并且形成短暂的过渡态结构和最终的产物分子。最后，产物被以温度依赖的速率从表面脱附，将缔合反应的一部分能量赋予表面。表面化学动力学的目的是鉴别包括表面化学转变的这些各种机理步骤的作用，量化其速率并理解其物理学。”
值得注意的是，在过去50年研究分子表面化学的之前实践中，几乎每一件有文献记录的所讨论实例在激活或测量化学转化或转变的尝试中均使用光子、光电、激光作用、电化学、微波或超声波(如在声波脉冲中以引起振动)来赋予能量。这些文献大部分描述了分子的振动激发及其行为，和以一些转化或转变形式获得的结果，以及预期产生效率的问题。仅在之前“错过”的被称为超音速冲击波的能量转移现象中保持了沉默。
上文列出的文献需要一系列步骤来提供非常高的能量输入，包括但不限于在过程中的多个点重复加热和冷却以及升高和降低压力。为了提高产生甲醇、任何其他烃或其他有机或无机化学物质的过程的效率，可能期望限制所需的步骤以及减少整个过程中所需的能量输入。减少步骤数目还降低了CAPEX(资本支出)和OPEX(运营费用)。以下为根据2009年5月11日的题目为“Thermodynamic Analysis of Coal to Synthetic Natural GasProcess”的MIT论文，其一般性结论很有启发性并且适用于许多其它行业中的许多方法和应用：主要竞争性气化技术提供者Lurgi、Siemens、KBR、ConocoPhillips、Shell、GEEnergy/Texaco等之间的常规热力学比较始终围绕着比较能量输入、温度、压力、催化剂的使用和化学计量比的相对小的变化或改变，导致稍有产率改善，但是均在55％至62％的范围，65％的产率成为了理想目标。几乎没有引入新的思考和突破。为了达到超过70％的任何值的产率，需要超高的能量消耗和压力输入，使得极大成本牺牲并且无法与其他公司竞争。
发明内容
本公开内容一般地涉及用于使用超音速冲击波反应机理直接生产甲醇、其他醇和烃以及其他有机和无机化学物质的方法和设备，由于其能量、时间和成本效率，所述反应机理旨在降低使用者的CAPEX和OPEX。超音速冲击波(作为物理碰撞-冲击)本身是能量和质量转移现象，并且本身可作为催化剂。任何反应物的震动-碰撞的冲击充当“冲击表面以使反应物能够发生表面化学。
特别地，在本公开内容中，借助于超音速冲击波反应和相互作用机理，碰撞物理学形成用于向分子表面化学进行能量和质量转移的合适的和必需的反应机理。它将理解为包括分子表面的碰撞化学的碰撞物理学。当恰当平衡的反应物化学物质被以与期望反应相匹配的化学计量摩尔比注入以生成平衡方程中预期的产物时，将反应并生成预期化学产物。反应的转变或转化将在局部反应区域瞬间发生。所需的能量最初将非常吸热，由冲击波和冲击点(恰好是在需要能量以激活反应的地方)处的震动碰撞/相互作用的能量递送，接着是随着反应物经过冲击波，冲击波“船尾”下方的快速冷却和压力下降的另一现象(其在物理上描述为“焦耳-汤姆逊(开尔文)效应”)。
物理和热力学中使用的术语“焦耳-汤姆逊(开尔文)效应”描述了当气体或液体被迫通过开口(例如打开的阀(喷嘴)或多孔塞)时，在没有与环境的热交换的情况下其温度的变化。这种现象可发生在真空或大气环境下。随着气体膨胀，分子之间的平均距离增大。膨胀造成气体势能增加。由于本方法和设备被设计为在这种膨胀过程中没有新功的产生或输出，也没有热量传递，由于能量守恒，气体的总能保持相同。势能的增加暗示和意味着动能减少，因此温度降低。随着反应物穿过冲击波的迅速冷却和压力下降能够以非常放热的形式“锁定”碰撞化学反应的终产物的转变的反应状态，而不会出现逆反应，这是因为没有刚刚结束的反应的平衡状态。这种气体的自由膨胀造成温度迅速降低。随着分子彼此远离，压力也下降。这种绝热(无热交换)冷却是不可逆过程。实现了这种具有相关联的快速温度和压力下降的快速冷却，而不需要另外的人工或机械的能量输入来造成冷却，因此极大节省了能量和成本效率。片刻之后，相关联的温度和压力将开始恢复到接近环境，但是依然为稍低于大气压。
如本领域技术人员理解的，如下观察赫斯定律，其中ΔHθ是标准的反应能，ΔHf θ是标准的生成能
ΔHθ 反应＝∑ΔHθ f(产物)-∑ΔHθ f(反应物)
赫斯定律在本发明中的应用解释了终产物状态的锁定：在冲击波的碰撞-冲击下，反应物气体中的所有分子受到其中的冲击波和不连续的影响，而不能逃过这种影响。赫斯定律解释为，任何化学或物理过程的能量和焓变(ΔH值)不依赖于完成该过程所需的途径或步骤的数目。如在最终结果中表示的，仅初始和最终状态是重要的。
术语“焓”(ΔH)”是许多物理化学和物理测量中系统能量变化的优选表达，因为其简化了能量转移的某些说明。焓变解释了在压力下通过膨胀或通过加热转移到环境的能量。由于系统的总焓H无法直接测量，因此焓变ΔH是比其绝对值更有用的量。在吸热反应中变化(ΔH)为正，在释放热量的放热过程中为负。系统的ΔH等于向其施加的非机械功和向其供应的热的总和。焓(ΔH)是描述冲击波反应机理(“SRM”)的能量变化状态的优选方式，而非吉布斯自由能，因为SRM不相关也不依赖于吉布斯下环境的温度(开尔文)。因为吉布斯自由能是可从封闭系统中提取的非膨胀功的最大值，这种最大值只能在完全可逆过程中获得。当系统从明确限定的初始状态变化为明确限定的最终状态时，吉布斯自由能(ΔG)等于系统与其周围环境交换的功减去在系统从同一初始状态“可逆地”转变到同一最终状态的过程中压力的功。在本发明的情况下，SRM并不代表这种具有可逆反应的封闭系统。SRM是在任何温度和/或压力、任何变化的温度和/或压力、任何时间和甚至在过程的同时无论什么样的环境下均可发生的碰撞物理。其普遍地适用于星系、恒星、行星、分子和原子的碰撞。并且SRM的碰撞物理学引起碰撞化学。因此，吉布斯系统不能描述SRM，不应用作测量标尺。
当以与在平衡方程中预测的期望的稳定终产物相匹配的化学计量摩尔比注入恰当平衡的反应物化学物质时，将通过应用赫斯定律产生这样的结果。当在导致低得多的温度范围——接近于操作标准下的稳定终产物的快速放热条件下“筛出”所有中间物和过渡反应时，所有反应中间物是过渡的并且将快速重新生成或重新组合成具有最低能量状态的最终产物。周知的是，如果净焓变为负(ΔHf θ 净＜0)，反应将是放热的，并且更可能是“自发的”(其意味着“一瞬间”)。这种放热反应释放热到气相中，同时终产物将较冷并保持“锁定”内部较低的能量状态。这种较低状态和稳定性效果有助于结果可预测性和产物的选择性。快速冷却焦耳-汤姆逊(开尔文)效应阻止任何可能的平衡状况的可逆性。对于任何不可逆过程，熵会增加。因此，从系统中除去热(冷却)是必需的并且旨在保持不可逆过程中恒定的内部熵以使得其等熵。这是非常重要并且明显的，因为在SRM中，空气动力学管结构(例如，图3中的开口喷嘴13)的设计引入开放的喷嘴，已经形成产物的反应物被迫运动至喷嘴处并离开，并且在喷嘴处意图使得至少产物分子在离开时“自由喷射膨胀”。其能够快速冷却刚刚形成产物的反应物，使不可逆条件发生。
另外，可利用类似的净焓值进一步限定相同化学成分的同族的所得化合物之间的选择性。对于这种离散的产物选择性，期望应用催化剂专门知识。否则，允许赫斯定律最大化生产效益和产物选择性，其中具有最低生成焓状态和最稳定的所得产物将占大多数。图11示出了离开开口喷嘴的气体的“自由喷射”膨胀的纹影摄影的计算机增强图像(即，焦耳-汤姆逊(开尔文)效应的可视化)。如图所示，该视觉图像也传达了以下现实：离开喷嘴的出口的距离和时间(片刻之后)将减弱并消散冲击波效果。
还重要的是要理解，通过高压和高温向任何潜在的化学反应系统的当前常规热力学输入方法可能不足以实际上引起反应物的活化，直到压力和温度如此优势以致于分子的震动能量造成其不可避免地、强力地、反应性地彼此“碰撞”。这是当前用于常规热-化学地使用高压和高能量(远超过对引起期望反应来说充分并足够的情况)的接触，本发明方法和设备旨在对此提供可选择的解决方案。
以自然情况为例：在地下深处的天然气生成中，CH4、CO2和H2已经在400°F至1,500°F和200psig至1,500psig的高压高温(HPHT)下共存并且不反应达数百万年。当挖掘时，其一起从HPHT气井中喷出，在这种高压下依然彼此互相不反应，这是因为其以大致近乎平行或一致的路线前进。当其从气井中喷出时，可能由于小的“碰撞”而发生一些微量的反应，但是以近似线性流运动并没有提供用于分子表面化学的充分碰撞物理学来生成任何显著量的反应产物。
另一个例子：在许多当前的合成甲烷化过程中，需要1,500psig至3,000psig和超过1,750°F的操作条件以开始反应。这种大量的能量输入旨在在反应物之间造成足够的震动“碰撞”以驱动化学反应。但是这些过程通常达到具有充分滞留时间的平衡条件，允许反应的逆转或产生不期望的副反应，结果是令人泄气的低预期产率。需要竞争性设计者催化剂和迭代步骤以保持较高产率来保证能量消耗。
冲击波反应机理：超音速冲击波反应机理(下文简称“SRM”)同样适用于燃烧前气体和燃烧后气体，作为其碰撞物理学的“靶标”。通过一个或更多个超音速喷嘴以马赫速率注入反应物，以在具有“靶标”的局部区域碰撞，所述靶标尤其可以是另一种气体、蒸汽、蒸气或液体试剂。当气体(或多种气体)被通过工业气体压缩机压缩到大于100psig的预设压力并引导离开超音速喷嘴时，可获得马赫速率。对于本领域技术人员来说，可容易地且经济地获得设计马赫速率，并且可引导这种气体离开设计的超音速喷嘴。充当反应物或靶标的液体试剂在通过震动时被打碎成微滴(极大增加用于相互作用的表面积)，同时暴露于在局部反应区域中震动的前沿和后沿不连续的温度、压力和焓。作为微小液滴，其可容易地在SRM的吸热区气化。
可将反应物引导到局部反应区域并以不同角度与靶标碰撞，以产生碰撞强度的变化(与通过改变温度、压力的输入参数和超音速喷嘴的输出量产生各种角度斜震相关联的变化的能量、压力和质量转移擦参数)和在产物生成上的期望效果的变化。当伴随着某些催化剂时，可生成不同烃链结构和燃料。另外，相同反应物的两条流可转向而碰撞到另一条流上以生成“设计者更长链化合物”，例如乙烷与乙烷碰撞生成丁烷，丁烷与丁烷碰撞生成辛烷，等。
在发明方法和设备中，超音速SRM克服了之前利用重整的天然气所遭受的常规热化学和热力学的压力和能量限制的反应障碍。在本发明方法和设备中，以超音速(马赫速率)移动的包含反应物的可压缩流体及其相关联的冲击波(由这种反应物气体如CO2和H2和CH4产生)被递送到注射管内的同一点，在此处所有反应物气体分子必须通过穿过产生设计的分子-分子碰撞的设计的冲击波。这是不共存的并且并不仅在一般湍流区域，而是在震动诱导反应区域。通常，可使用马赫3至马赫8的马赫速率，优选地马赫4至马赫6。在注射管内，冲击波是压力、温度、焓和熵迅速变化并且如上所述碰撞的分子遭受分子表面化学的区域。由于冲击波供应的能量，接触的分子键在吸热反应中被破坏，然后在放热反应中重新生成，以生成新产物。
在这种示例的情况下，赋能的反应物在冲击波后面(“船尾”)(通常被非专业人员描述为“冲击波下面”)的放热条件下转化为产物甲醇(CH3OH)。这是伴随有温度和压力的迅速下降的放热区域。气流中的所有分子必须穿过该区域。没有气体分子能够逃过设计形状隧道中的冲击波效应。物理学支配。这是绝对的。尽管本发明的方法和设备不排除改变注射管内的温度和压力的实践，但是不需要以长“停留时间”常规使用热、压力和其他能量密集输入(如在之前实施中需要的)以及激励相关反应物分子之间大的间距。但是，期望使注射管内局部反应区域的总体区域内的温度保持在50°F至500°F，优选300°F至400°F。这可通过添加“蒸汽夹套”或使用包围在注射管的局部反应区域周围的感应加热元件来实现。
将理解的是，局部反应区域的总体区域内温度和压力升高将降低驱动化学反应所需的马赫速率碰撞-冲击。使用蒸汽作为通过一个或更多个超音速喷嘴递送的能量源和动力可能具有多种益处：如果化学反应需要水，蒸汽本身可以是反应物；蒸汽可向局部反应区域递送热和能量；蒸汽可在局部反应区域提供冲击波，在此处其促进分子碰撞并且如上面提到的其可减少产生反应所需的相当能量所需要的马赫数。一方面，之前描述的常规热化学下的外部能量输入在很大程度上过度耗费热和整个设备室的增压和如填充相对广阔的空间的不相关质量物质以及相关参与分子之间的质量物质。相比之下，本发明方法和设备使用碰撞物理学直接在能量使用点引起膨胀化学，因此热和能量输入成本为常规热和能量输入成本的一部分并且需要很小一部分时间。
“碰撞物理学”是在存在靶标和反应物与冲击波的相互作用的使用点产生的分子-分子接触或碰撞，所述冲击波提供动能、温度和压力的输入，导致“几乎即刻”的反应。碰撞将导致在分子-分子接触处产生热和压力。“瞬间”实现能量和质量转移——原始分子键断裂，引起新的重新键合并转变成设计者产物。碰撞物理学和表面化学反应在反应物以超音速注入到设计的碰撞区(即局部反应区域)后发生，在此处每一个反应物以不同角度(从几乎一致的角度、垂直的90°角、接近逆流的角度到完全逆流的角度)注入，或者每一个反应物的输入条件被改变以产生各种角度的斜震以在广泛的反应区域覆盖范围中造成非常高的能量和压力碰撞。本发明方法和设备使用高速碰撞，因此所有反应物被压缩并以设计的马赫速率递送以彼此碰撞。物理冲击波引起碰撞诱导的分子表面化学反应，这种使用与常规热化学形成鲜明对比。实质上，由于冲击波的效应，能量和质量转移发生在SRM的内部。反应产物极受赫斯定律的影响。当以与在平衡方程中预测的稳定的期望终产物相匹配的化学计量摩尔比注入恰当平衡的反应物化学物质时，SRM应产生应用赫斯定律这样的结果。另外，在反应管(图3中12)内某些催化剂的帮助下，在出口喷嘴(图3中13)之前，可进一步限定具有相同化学组分的同族的所得化合物之间的选择性。对于这种离散产物选择性，期望应用催化剂专门知识。另外，赫斯定律允许最大化生产效应和产物选择性，具有最低生成焓状态和最高稳定性的所得产物占优势。
简明清楚地说：SRM不需要将每一种气体分离到其各自的流中。总入口气流可分成两个或更多个流，所述入口气流(含有GHG：H2、CO、CO2、H2O、O2、CH4中的任意一种或其任意组合)的一种可直接加压到设计的冲击波喷嘴结构中以与类似或不同组分的第二或第三入口气体流碰撞以在SRM下产生产物，其中第二或第三入口气体流也被重新导向并从相对角度或设计的角度进入冲击波喷嘴结构。创造性的构思是使用高度加压的气体组分并且使其以各种设计的马赫速率彼此碰撞——只要使用者已经平衡了平衡方程中每一种气体组分所需的化学计量摩尔比，同时使用SRM作为能量-质量转移机理产生可用产物。马赫速率碰撞的化学反应结果趋向于只剩下在中间物的消除中存活并具有最低的所得生成焓状态的那些，有时可通过使用特殊用途催化剂辅助产物选择性，以形成最终包括同族产物的选择性结果。除了特定产物所需的化学反应物，可以以马赫速率将蒸汽注入到局部反应区域以提供额外的能量来支持或进行期望的化学反应。在这种情况下，蒸汽发挥可压缩流体反应物的作用并且如在本公开内容中所限定。
为了说明在冲击时发生的碰撞能量，在图12(NASA(国家航空航天局)图表说明(驻点温度))中示出了以下美国NASA的说明。在第一图表说明中，NASA示出了在碰撞-冲击处递送以驱动碰撞引起的化学反应的驻点温度，其在本发明的SRM中描述为“吸热的能量和压力输入”。NASA解释：对于运动的气体流，气体的温度有多种不同的值。“总温度”是静态温度和动态温度的总和，总温度的值依赖于流的马赫数。如果运动的气流等熵地突然停止在本体上，如通过碰撞，NASA测量“驻点温度”。驻点温度定义为物体上驻点(不移动)处的温度。由于通过冲击时总体温度不改变，驻点温度和总温度在驻点处具有相同的值。得到的温度和流的马赫速率之间存在相关性。在通过碰撞-冲击减慢或停止流的过程中，由于流的动能而使气体加热。加热量依赖于气体的比热容。如果比容量是恒定值，气体被称为“发热理想的”，如果比容量改变，气体被称为“发热不理想的”，在亚音速和低超音速马赫数下，空气是发热理想的。但是在低的极超音速下，空气是发热不理想的。发热不理想得到的流量变量如音速和等熵流关系稍微不同于发热理想气体的预测的条件，因为流的一些能量激起了空气中氮气和氧气双原子分子的振动模式。
在图12中，NASA绘出了作为海拔和马赫数的函数的标准日大气的华氏温度的驻点温度的值。图中有两组线，这是因为包含了真实气体效应。实线是计算的发热理想气体的驻点温度，虚线是计算的发热不理想气体的驻点温度。在低于马赫3的较低马赫数下，驻点温度的值相同，因为不够高以激发振动模式。但是从马赫3附近开始，真实气体效应变得随着马赫数的增加越来越重要。
对于理想气体(如在NASA的方程式中所述)，驻点温度来源于等熵总温度方程式：
Tt＝T x[1+M2x(γ-1)/2]，
其中：Tt＝总温度
T＝给定海拔的静态温度
M＝马赫数，并且
γ＝发热理想气体的比热比，具有恒定值1.4(对于空气)。
对于发热不理想气体，比热比不是常数，而是静态温度的函数。开发了多种气体的行为的数字模型。
图13示出了与根据下式的甲醇生产相关的图：
CO2+CH4+2H2+SRM→2CH3OH
左边Y轴表示马赫数为M1至M7的冲击波的上游边缘温度，而X轴表示冲击波的相应下游边缘温度。名为“冲击波的累计能量——具有蒸汽”表示反应物CO2、CH4、H2和蒸汽的总能量。如图13所示，如果上游温度(T1)为250°F并且马赫速率为约6，则震动的下游边缘的温度为约3,700°F。可见，在约3,700°F，具有蒸汽注入时下游边缘的焓将为约510kJ/Mol，无蒸汽注入时将为约310kJ/Mol。如下方注出的，甲醇的生成焓值为ΔH298K＝-238.4kj/mol。因此，很明显马赫6冲击波对于SRM过程通常绰绰有余，马赫4.3(含蒸汽)或甚至马赫5.8(不合蒸汽)冲击波是足够的。
将理解的是，可基于反应物的生成焓计算任何期望产物的生成焓。可如下计算具有特定比热容伽马(γ)和马赫数M1的特定气体的下游冲击波温度T2。
对于正激波：
对于斜激波：
上述公式表明，对于正激波，T2是T1的线性函数，因此图13的马赫线是直线。由以下公式计算每一种反应物的焓H：
H＝Cp T
其中Cp是T2下的比热容。这也是线性方程。假设局部反应区域中每种气态反应物处于大约大致相同的温度下，可计算每一种反应物的焓。Cp对每一种气体都是特定，对于图13中的反应物，为如下：
CO2＝0.844kJ/kg°K[等于19.192kJ/摩尔]
CH4＝2.220kJ/kg°K[等于138.75kJ/摩尔]
H2＝14.32kJ/kg°K[等于7,160kJ/摩尔]
蒸汽＝在350°F(134psia饱和)下为2.260kJ/kg°K
[等于125.556kJ/摩尔]
由上表，明显的是由于相对于其他反应物的高热容量，氢气是主要能量来源。
还要指出的是，马赫4级或更高-马赫喷嘴形成冲击波的碰撞表面的温度远超过1,500°F，有时达到3,000°F，但是在马赫4或更高下侧-马赫冲击波低于-159.9℃(-255.95°F)的温度，这反映了近似外太空的条件，≤地球上方约80,000至100,000英尺。作为马赫4级冲击波下侧温度的一个例子，NASA为由235psig蒸汽引起的冲击波提供了快速参考公式，其喷嘴入口温度为855.57°R(兰氏度)，出口温度-冲击波下侧分解为0.238496×855.57°R＝204.045°R(或-255.95°F)。如上文解释的，当分子在部分开放系统中运动并在片刻后稍微离开冲击波效果时，随着距离和时间对冲击波效果的削减和消散，相关联的温度和压力将开始非常迅速地恢复至较近的环境条件，但是依然稍微呈亚大气压。因此，在通过吸热反应形成并以放热模式移动穿过冲击波下侧并进入开放的恢复区的这种气体动态环境中，冷却的甲烷和CO2不能也不会以冻结形式存在，而会采取接近周围环境的状态。甲烷将以液体的形式滴落，任何可利用的H2或CO2将恢复气态并向前流动。
附图描述
图1示出了由美国能源部布鲁克黑文国家实验室提供的对分子表面化学反应的图解说明。
图2示出了用于使用冲击波反应机理生产甲醇和其他化学化合物的所选择设备的实例的俯视图。
图3示出了图2设备的注射管的垂直截面。
图4A和4B是根据本公开内容的用于生产甲醇的方法的框图。
图5A、5B和5C是根据本公开内容的用于生产乙醇的方法的框图。
图6是根据本公开内容的用于生产乙烯的方法的框图。
图7是根据本公开内容的用于生产二氯乙烷的方法的框图。
图8是根据本公开内容的用于生产乙烷的方法的框图。
图9A和9B是根据本公开内容的用于生产环氧乙烷的方法的框图。
图10是根据本公开内容的用于生产任何长链烃或化学化合物的方法的框图。
图11是示出了气体的“自由喷射”膨胀并可视化焦耳-汤姆逊(开尔文)效应的计算机增强的纹影摄影的图像。
图12是由美国NASA提供的图表说明(驻点温度)，示出了理想气体和不理想气体的多种马赫速率碰撞的碰撞-冲击处递送的驻点温度。
图13是图表说明，示出了含蒸汽和不合蒸汽的气态反应物(含CO2、H2和CH4)的多种马赫速率驻点温度、碰撞能量和焓。
具体实施方式
在一个优选实施方案中，氢气(H2)、甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)被新的SRM有效转变为低成本甲醇(CH3OH)或其他碳相关醇。CO2可来源任何生物质、有机物、城市固体废弃物(MSW)，包括发生炉煤气(PG)。CO2或生物质向高级燃料如柴油、煤油和汽油的转化是“可再生”理念的本质。新方法的实际结果是替代费-托法及其衍生方法。SRM克服了之前实施的重整的天然气处理所具有的常规热化学和热力学的反应障碍和能量限制。根据本发明的方法和设备，超音速可压缩流体(例如CO、H2和CH4)的流及其相关联冲击波被通过一个或更多个超音速喷嘴输送到加压的注射管内的共同区域以使得在多种气体的分子之间发生大量碰撞。冲击波是压力、温度、焓和熵迅速变化的区域，冲击波区域内气体分子之间的碰撞点的这种能量现象可用于支持初始的吸热反应。然后，随着反应产物离开冲击波前方的“船首”，其进入了冲击波的“船尾”，发生第二顺序的放热反应以产生期望的终产物(例如，甲醇)。分子碰撞以及随之发生的化学反应被称为分子表面化学，因为分子的界面表面相对于分子的质量大。因此，表面接触和反应(例如，原始键断裂，转化和再形成新键)非常迅速地开始和完成。由于SRM区域内有非常多的近乎同时的碰撞发生，总反应过程几乎瞬间完成。
新方法可应用于任何气体，包括但不限于CO、CO2、合成的气体、天然气、发生炉煤气或“合成气”，以产生“碳-生物气-到-液体燃料或人造高级液体燃料”或其他化学化合物。碳-生物质可以是任何来源的任何形式的碳，包括具有有机物含量的常见来源和不常见来源、MSW、烃，如沥青、沥青质、石油焦、煤、任何炭、炭黑、以及其天然或合成气体或液体形式。如果燃料或高级燃料用在固定粉末燃料或工艺用热产生中，工艺可将其重复地将其在99+％的碳排放“虚拟近似封闭环路循环”中重新转变为可再生燃料。
超音速冲击波的能量、几何学和类型(正交或斜交)是超音速喷射指定和应用的马赫数以及通过超音速喷嘴输送到接触点(冲击波碰撞)的可压缩流体的压力、温度和组成的函数。同样地，冲击波碰撞所需的能量(其由指定的马赫数输送)依赖于生成焓或破坏靶化学物质的化学所需的反应热，因此吸热反应-然后-放热反应可有助于将化合物转变并形成新产物。
图2的10一般地示出了本发明设备的一个优选实施方案，包括注射管12、15(其在图3中详细示出)、第一反应器14、第二反应器16、位于超出注射管12和15的出口端的扩散器17、互相连接的导管18和产物槽20。扩散器17为反应物(其可以是气体、液体或固体)提供热外的传播和混合，以确保在反应器内完成化合反应。
现在参照注射管12和图3，注射管包括上部不锈钢管状部分22，其附加或插入在上部不锈钢T型连接管24内。中部不锈钢管状部分26附加或插入在上部不锈钢T型连接管24和下部不锈钢T型连接管28二者内。下部不锈钢管状部分30附加或插入在下部不锈钢T型连接管28内。具有中心孔的塞子32附加或插入在管状部分22的上端内。超音速喷嘴34沿着管状部分22的轴线可调地装配在塞子32的中孔内。多个小的超音速喷嘴36可调地穿透管状部分22的壁，使得其轴线垂直于超音速喷嘴34的轴线。或者，多个超音速喷嘴37可如图3中所述与喷嘴34的轴线成角度设置。管38可调地设置在塞子40的孔内，塞子40附加或插入在T型连接管24内。管38的内部端固定于弯管42的一端，而管44固定于弯管42的另一端。连接管46可调地固定在管44的下游端上，超音速喷嘴48可调地附加或插入在连接管46内。如图3所示，喷嘴34和48同轴线但是180度相反，结果是来自来喷嘴34、36、37和48的超音速射流指向中点在所有喷嘴的相交轴线上的共同区域。可以看到所有的喷嘴可轴线向地调节以提供最大的设备效率。另外，可根据需要调节压力、温度、流速和气体种类。
多个小超音速喷嘴58可调地附加或穿过管状部分26的壁以使得其轴线垂直于喷嘴68的轴线。管60可调地设置为穿过塞子70中的孔并且以其内部端连接于弯管62的一端，弯管62的另一端连接于管64的一端，管64的另一端可调地附加或插入到连接管66的一端中。超音速喷嘴68可调地连接于连接管66的另一端。或者，超级喷嘴59可与喷嘴34和68的共同轴线成一定角度设置。喷嘴68与喷嘴34和48同轴线，并且与喷嘴48方向相同。如上部部分中的喷嘴一样，超音速喷射流指向共同区域，即，中点在所有喷嘴的相交点轴线上的局部反应区域。若需要，喷嘴34、36、37、48、58、59和68中的任何一种可以是能够输送由可压缩流体喷射携带的极细液体或固体的双流体喷嘴。在图2中，注射管12和15端部的喷嘴13可以是音速或亚音速喷嘴，并且旨在在反应器14和16内提供冷却以抵消局部反应区中的放热反应。可以发现理想的是将注射物以1、2、3个组供给至喷嘴36、37、58、59以使得可以将不同量的气体或不同气体和液体注入到设备中而不改变设备的基本设计。这种方法将能够使设备产生许多不同的产物。
液面控制器72和74控制反应器14和16最下端中的液体产物(例如，甲醇)的水平并将过量产物通过阀73、75引入到槽20中。液面控制器76类似地控制槽20中的产物。压力控制阀78在气态产物离开设备10的位点控制第二反应器12内的压力，因此影响第一(上游)反应器14的压力。设置在槽20的底部附近的阀80允许从产物槽20中提取产物。分别为反应器14和16设置了截止阀82、84和排液阀86、88。在一些情况下，可能不需要使用注射管的12、15或反应器16的下部，在这种情况下，可关闭设备的这些部分。压力指示器90和温度指示器92分别设置上下T型管中24和28中，以便分别测量注射管12和15以及反应器14和16内的压力和温度。另外，压力指示器90和温度指示器92位于每一注入点和反应器14和16内。阀94设置在每一注入点的进料线96内，使得可根据需要关闭设备的一部分。
如要希望由设备10生产甲醇，可例如向反应器14和16二者的喷嘴34提供二氧化碳，例如向反应器14和16二者的喷嘴48和68提供甲烷。可例如通过喷嘴组36、37和58、69向两个反应器提供氢气。在反应器内，以甲烷为例，发生以下反应和方程式5(下)中示出的最终物质平衡方程式，如图4A所示：
1.CO2+CH4+SRM→2CO+2H2
2.CO2+3H2+SRM→CH3OH+H2O
3.CH4+H2O+SRM→CO+3H2
4.CO+2H2+SRM→CH3OH
5.CO2+CH4+2H2+SRM→2CH3OH
甲醇和水(若有的话)将下降到反应器的底部并通过由液面控制器72和74操作的阀73和75进入槽20，而任何未反应的气体将通过压力控制阀78离开。如果气体的供应恰当平衡，则仅应产生甲醇并进入槽20。如果气体输入不平衡，通过阀78的离开流中可能出现CO和H2，其可直接用作燃料，或再引入到第二反应器中以完全消耗在二次甲醇生产中。
当任何液体化学反应物注入到反应机理的冲击波区域中，甚至来自最好的市售喷雾嘴(其通常为50微米至200微米)的最微小的液滴也就将被冲击波打碎成更小的接近微尘尺寸的极度微小液滴。这将增大遇到靶反应物并与之相互混合的反应物液体的表面积，使得接近分子水平的更迅速和更紧密地相互混合，从而几乎瞬时的化学反应和化学转化。这是“分子表面化学”的一个清楚的例子，因为微细液滴具有大“表面积质量比”，使得可以发生快速的质量转移化学反应，并用于简化化学过程以及显著降低整体自己和生产费用。
使用可预测的设计的中等反应温度(相当于设计为275°F至675°F)，“碰撞物理学”，结合有催化剂(例如，铁和沸石以及其他现代催化剂)可限制C7至C10的更长碳链的再形成(导致生成苯类、汽油类和煤油类液体)。
使用中等马赫速率(2,000英尺/秒至6,000英尺/秒)，可将按质量(重量)计小至相当于靶气体/蒸汽或液体的90％质量的约10％的反应物气体(例如H2)加速以碰撞并引起分子-分子碰撞的热和压力的产生——“瞬间”能量和质量转移——原始分子键断裂并引起新的重新键合并转化成设计者产物。可以看出，当辅以中等加热如通过电热器或其他加热装置并压缩至马赫速率时，气体例如氢气(H2)可被加速至非常高的速度。H2是最轻、更容易地和经济低加热的反应物气体。在两种相对的反应物候选是CO2(主流)和CH4(逆流)时，推荐以与其流动成90°的角或者与其主要的靶反应物成一定逆流角注入氢气。后续连续和重复的碰撞以及碰撞后将有助于完成必要的反应物之间的紧密接触。
“设计者应用”冲击波反应机理(“SRM”)：以超音速使任何气体与另一种气体/蒸汽或液体反应物碰撞提供了解决方案：具有或不具有H2O的情况下CO+H2或CH4+H2与碳、CO或CO2、O2的任意组合的碰撞(例如，蒸汽重组或重整)可生成甲醇、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)，并且可添加HCl或Cl2以生成二氯乙烯(EDC)或二氯乙烷(DCE)，以制备PVC塑料等。
以甲醇生产为例，当以超音速将反应物注入到设计的碰撞区域后，将发生以下反应，其中每一种反应物以不同角度(接近相同角度、垂直90°角、接近逆流角度和完全逆流角度)注入以在广泛的反映区域范围造成非常高的能量和压力碰撞：
CO2+CH4+SRM→2CO+2H2[ΔH298K＝247kJ/mol]
CO2+3H2+SRM→CH3OH+H2O(蒸汽)[甲醇]
CH4+H2+SRM→CO+3H2[ΔH298K＝206kJ/mol]
CO+2H2+SRM→CH3OH[甲醇]
最终“净输出”基本平衡的方程表示为：
2CO2+2CH4+4H2+SRM→4CH3OH[甲醇]
或者，如图4A所示：
CO2+CH4+2H2+SRM→2CH3OH[甲醇‘A’]
将充足的停留时间设计到设备中以允许重新形成期望的化合物。甲醇具有ΔH298K＝-238.4kJ/mol的生成焓值。放热反应后表现为负数的结果是稳定的醇产物。或者，为了由CO2生产甲醇而不如上述使用CH4，图4B中示出了另一条制备CH3OH和水H2O的途径：
CO2+3H2+SRM→CH3OH+H2O[甲醇‘B’]
这是湿甲醇，在其他方法中，分离水和甲醇的常规方法是将水结成冰或将一种从另一种中蒸发掉。为此，可能需要单独输入能量。
由所生产的甲醇(上)，已表明，可如图5A和图5B中所示可产生以下乙醇产物作为稳定的醇产物：
CH4+CH3OH+SRM/H2→C2H5OH+H2[乙醇‘A’]
CH3OH+CH3OH+SRM/H2→C2H5OH+H2O[乙醇‘B’]
在乙醇‘A’应用中，使用之前产生的CH3OH(上面的甲醇生产方法中)作为原料。甲醇的沸点非常低，为64.7℃，338K和148°F。将反应物CH3OH通过双流体喷嘴轴线向注入到反应管状室中，所述双流体喷嘴中氢气(H2)可作为载体气体和催化剂，同样作为原料的CH4气体以马赫速率以180度相反轴线向注入到注射管中作为第二流体反应物。甲醇将被超音速射流的功率冲击并汽化(或打碎成极小液滴然后汽化)，从而提供优异的接触表面以能够进行后续反应。生成乙醇‘A’的期望碰撞反应将发生在SRM的富氢还原环境中。
在乙醇‘B’应用中，使用之前产生的CH3OH(如上所述)作为主要原料。将一多半的反应物CH3OH通过双流体喷嘴轴线向注射到注射管中，所述双流体注射管中，以马赫速率喷射的作为驱动或动力的氢气(H2)或蒸汽可充当载体气体和催化剂。一少半反应物CH3OH以马赫速率180度对向轴线向注入，其中氢气(H2)或蒸汽也可充当载体气体和催化剂。一些氢气(H2)还可与轴线成90垂直到角度注入到CH3OH的两个流在其中相遇的反应区域。CH3OH的两个流可被超音速射流的功率冲击并汽化(或打碎成极小液滴然后汽化)，从而提供优异的接触表面以能够进行后续反应。然后，H2气体(提供还原环境并充当催化剂参与者)可帮助在SRM内打开形成的C＝O和C-O键以重新形成新的C-H和O-H键。生成乙醇‘B’和水的期望碰撞反应将在这种SRM的还原环境中发生。因此，以超音速注入的氢气(H2)发挥了改良作用。
因此，大量冲击波及其后效应中输送的广泛的碰撞冲击(随之的能量和质量转移)能够使化学键重新形成，并产生设计的结果。足够的停留时间通过连续冲击波引起的多次后续碰撞的机会被设计到了设备的成形和设计中以允许通过消除过渡和中间反应而使赫斯定律生效，从而导致重新生成期望的和更稳定的化合物。本领域技术人员将采用航空航天和气体动力学原理对塑造和设计设备以实现预期效果。
另外，为了以整体节省模式在整体上节省资源、能量和时间，本发明(例如)可部署用于附加税的工业捕获的CO2(参见，美国专利7,842,264)的大量供应作为具有整体持续性和可再生性特征的更高值资源来帮助之额比乙醇——导致产生乙烯和塑料。用于制备乙醇的最终“净输出”基本平衡的方程式示出在图5C中：
CO2+3CH4+SRM→2C2H5OH[乙醇‘C’]
在物理上迅速并同时发生的步骤是：
CO2+3CH4+SRM→2C2H5O＊+2H＊(＊碰撞能引起的激发)
2C2H5O＊+2H＊+SRM→2CH3CH2OH[乙醇‘C’]
乙醇具有ΔH298K＝-277.7kJ/mol的生成焓值。放热反应后表现为负数的结果是稳定的醇产物。
乙烯被广泛用在化学工业中，其全世界产量(在2010年超过了1.2亿tpy)超过了任何其他有机化合物。可利用本发明制备乙烯。从上面的乙醇方程式，可见：
CO2+CH4+SRM→2CO+2H2[ΔH298K＝247kJ/mol]
2CO+2H2+2H2+SRM→CH2＝CH2+2H2O[乙烯-放热]
理论副反应或副产物如下：
2CO+2H2+2H2+SRM→CH3-CH3+H2O+0.5O2[乙烷+水+1/2O2]但是，在赫斯定律和实践效果中，通过向反应器中提供第二+2H2，产生乙烯和2H2O(放热)的结果比产生乙烷气体和O2气体的结果更优先，这是因为在冲击波的“主干”下迅速降低的温度和压力条件下所有反应物各自的焓状态。O2气体优先竞争可利用的2H2并放热地产生2H2O，其将导致对于所有反应物更稳定的总体条件，乙烯化合物的C＝C键将不能优先破坏以夺取其他可用的H2气体。最终“净输出”的物质平衡的方程示出在图6中：
CO2+CH4+2H2+SRM→CH2＝CH2+2H2O[乙烯+水]
通过迅速除去降落到设计的液相-气相分离设备的底部的液态水，同时使反应室保持非常温暖，乙烯[ΔH298K＝52.4kJ/mol][沸点-103.7℃(-154.7°F]可保持为分离的气体产物。
为了制备塑料，如PVC，使用上述乙烯方程并添加Cl2气体(或与H2气体成正确比例的2HCl)。最终“净输出”物质平衡方程示出在图7中：
CO2+CH4+2H2+Cl2+SRM→C2H4Cl2+2H2O[二氯乙烷-DCE]DCEo+DCEn+SRM→PVC塑料
为了制备乙烷，向上述乙烯方程中添加另一个H2，如图8所示：
CO2+CH4+3H2+SRM→CH3-CH3+2H2[乙烷]
环氧乙烷(C2H4O)是一种重要的化学中间物，其当前全球消耗量超过3千万tpy。大部分C2H4O用于生产乙二醇，但是另一些主要用途是用于生产乙醇胺、乙二醇醚和多种羟乙基物。C2H4O在商业上以银基催化剂上乙烯(C2H4)和氧气(O2)的蒸汽相反应产生。这种反应是放热的，并可包括非选择性和竞争性的副反应。当前的热化学生产方法需要有效控制并花费巨大努力来通过常规热交换方法从系统中除去热，但是依然得到低产率。然而，使用本发明的SRM方法，可以使用例如银催化剂在注射管或反应器室的催化剂辅助的反应区域内在较短时间以较高产率通过至少两种商业上不同的方式产生C2H4O，如图9A和图9B所示：
2CH3CH2OH+O2+SRM→2C2H4O+2H2O[乙醇途径]
[ΔH298K＝-52.6kJ/mol]
2C2H4+O2+SRM→2C2H4O [乙烯途径]
环氧乙烷具有ΔH298K＝-52.6kJ/mol的生成焓值。在放热反应后表现为负数的结果是稳定的化学中间产物。
赫斯定律预测和解释了所有反应物的所得焓状态的稳定性。这些是构建模块，这是以最有效同时使用和再循环工业捕获的CO2来进一步设计和构建作为中间物或终产物大的丁烷和辛烷或产生液体燃料的方法。通常，对于本领域技术人员来说，实际应用是能够用功率和“能量和质量转移”冲击波反应机理在前述步骤后设计长链烃和其他化学化合物，其可以示出了以下的广义方程式中：
CnHX+CnHx+nH2+[CHONPS]+SRM→任何设计者长链烃或液体燃料或化学化合物，包括药物、生化试剂和药剂[见图10]
本文使用的“CHONPS”意在说明可用在SRM中以制备“设计者化合物”的“设计者反应物”的整个范围。CHONPS是对于生命系统中天然存在的主要元素的便捷记法：任何碳、氢、氧、氮、磷或硫。例如，任何有机、无机、矿物或金属化学物质或化合物，包括结合的络合物，包括任何碳、氢、氧、氮、磷、硫或水本身均可使用。
需要注意的是，当用平衡供应的H2气体和充足的冲击能设计时，例如，乙烯或丙烯可通过沼气(CH4)与纯C(例如，来自：来自宠物焦炭的黑色烟煤、黑色碳，或来自石墨)的碰撞在SRM中产生。为了说明本发明，本申请人选择讨论由工业捕获的CO2(例如，来自燃烧后释放或来自燃烧前天然气组分)制备乙烯的“构建块步骤”，因为其具有较大社会福利以及物质和另类的总体守恒，最重要的，其降低了对环境的温室气体效应，并且可有助于为捕获的CO2提供实用的世界性解决方案。
已经实用的术语和表达以说明的方式而非限制的方式使用，这些术语和表达的使用并未意在排除示出和描述的特征或其一部分的任何等同物，应承认可在要求保护的本发明范围内进行多种修改。
参考文献
以下参考文献在为对本文给出的内容的提供示例性程序上或其他细节上的补充的程度上特别地通过引用并入。
专利文献
美国专利：6,706,770
美国专利：7,842,264

Claims (27)

1.一种用于使用超音速冲击波产生化学产物的方法，包括：
对第一可压缩流体反应物加压；
使所述第一可压缩流体反应物通过第一超音速喷嘴，以产生第一超音速射流，其中所述第一超音速喷嘴被配置成以马赫3至马赫8的马赫速率注射所述第一可压缩流体反应物，其中所述第一超音速射流含有延伸到所述第一超音速喷嘴的出口端之外的冲击波；
对第二可压缩流体反应物加压；
使所述第二可压缩流体反应物通过第二超音速喷嘴，以产生第二超音速射流，其中所述第二超音速喷嘴被配置成以马赫3至马赫8的马赫速率注射所述第二可压缩流体反应物，其中所述第二超音速射流含有延伸到所述第二超音速喷嘴的出口端之外的冲击波；
其中所述第一超音速喷嘴和所述第二超音速喷嘴以对向关系设置在注射管中以使得所述第一超音速喷嘴的轴线和所述第二超音速喷的轴线彼此相交，以在所述注射管中的所述第一超音速射流和所述第二超音速射流碰撞并与所述冲击波相互作用的区域中形成局部反应区域；
由此通过碰撞和与所述冲击波的相互作用使所述局部反应区域的至少一部分中的温度和压力升高，从而在所述第一可压缩流体反应物与所述第二可压缩流体反应物之间发生快速的吸热化学反应接着快速的放热反应和绝热冷却以产生化学产物。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对第三可压缩流体反应物加压；
使所述第三可压缩流体反应物通过第三超音速喷嘴，以产生含有延伸到所述第三超音速喷嘴的出口端之外的冲击波的第三超音速射流；
其中所述第三超音速喷嘴设置在所述注射管中以使得所述第三超音速喷嘴的轴线在所述注射管中的所述第一超音速射流、所述第二超音速射流和所述第三超音速射流碰撞并与所述冲击波相互作用的区域中的所述局部反应区域中与所述第一超音速喷嘴和所述第二超音速喷嘴的轴线相交；
由此通过所述碰撞和与所述冲击波的相互作用使所述局部反应区域的至少一部分中的温度和压力升高，从而在所述第一可压缩流体反应物、所述第二可压缩流体反应物和所述第三可压缩流体反应物之间发生快速的吸热化学反应接着快速的放热反应和绝热冷却以产生化学产物。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
对第四可压缩流体反应物加压；
使所述第四可压缩流体反应物通过第四超音速喷嘴，以产生含有延伸到所述第四超音速喷嘴的出口端之外的冲击波的第四超音速射流；
其中所述第四超音速喷嘴设置在所述注射管中以使得所述第四超音速喷嘴的轴线在所述注射管中的所述第一超音速射流、所述第二超音速射流、所述第三超音速射流和所述第四超音速射流碰撞并与所述冲击波相互作用的区域中的所述局部反应区域中与所述第一超音速喷嘴、所述第二超音速喷嘴和所述第三超音速喷嘴的轴线相交；
由此通过与所述冲击波的所述碰撞和相互作用使所述局部反应区域的至少一部分中的温度和压力升高，从而在所述第一可压缩流体反应物、所述第二可压缩流体反应物、所述第三可压缩流体反应物和所述第四可压缩流体反应物之间发生快速的吸热化学反应接着快速的放热反应和绝热冷却以产生化学产物。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一可压缩流体反应物是二氧化碳，所述第二可压缩流体反应物是甲烷，所述第三可压缩流体反应物是氢气，所述第四可压缩流体反应物是氯气，所述化学产物是二氯乙烷和水，所述反应物与所述产物的摩尔比率分别为1:1:2:1→1:2。
5.根据权利要求3所述的方法，其中至少一种可压缩流体反应物是蒸汽。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一可压缩流体反应物是二氧化碳，所述第二可压缩流体反应物是甲烷，所述第三可压缩流体反应物是氢气，所述化学产物是甲醇，并且所述反应物和所述化学产物的摩尔比率分别为1:1:2→2。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一可压缩流体反应物是二氧化碳，所述第二可压缩流体反应物是甲烷，所述第三可压缩流体反应物是氢气，所述化学产物是乙烷和水，并且所述反应物和所述产物的摩尔比率分别为1:1:3→1:2。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一超音速喷嘴的轴线与所述第二超音速喷嘴的轴线之间的角度为基本180度，所述第三超音速喷嘴的轴线与所述第一或第二超音速喷嘴的轴线之间的角度为基本90度。
9.根据权利要求2所述的方法，其中至少一种可压缩流体反应物是蒸汽。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一可压缩流体反应物是汽化甲醇，所述第二可压缩流体反应物是汽化甲醇，所述第一超音速喷嘴的轴线与所述第二超音速喷嘴的轴线之间的角度为基本180度，所述化学产物是乙醇和水。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一可压缩流体反应物包含至少两种可压缩流体反应物的混合物。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一可压缩流体反应物和所述第二可压缩流体反应物均包含至少两种可压缩流体反应物的混合物。
13.根据权利要求1所述的方法，其中至少一种可压缩流体反应物是蒸汽。
14.一种使用超音速冲击波来产生化学产物的设备，包括：
具有第一入口端和第一出口端的第一竖式反应器；
具有第一入口端和第一出口端的第一注射管，所述第一注射管通过所述第一注射管的所述第一出口端相连至所述第一竖式反应器的第一入口端；
附接在所述第一注射管的所述第一入口端的第一超音速喷嘴，所述第一超音速喷嘴的出口端和轴线与所述第一注射管的轴线对齐，其中所述第一超音速喷嘴被配置成以马赫3至马赫8的马赫速率注射第一可压缩流体反应物，其中第一超音速射流含有延伸到所述第一超音速喷嘴的出口端之外的冲击波；
设置在所述第一注射管内部的第二超音速喷嘴，所述第二超音速喷嘴的出口端和轴线与所述第一注射管的轴线对齐，其中所述第二超音速喷嘴被配置成以马赫3至马赫8的马赫速率注射第二可压缩流体反应物，其中第二超音速射流含有延伸到所述第二超音速喷嘴的出口端之外的冲击波，其中所述第二超音速喷嘴与所述第一超音速喷嘴对向设置；
穿过所述第一注射管的壁装配并以一定角度设置的一组第三超音速喷嘴，使得所述第三超音速喷嘴的轴线与所述第一超音速喷嘴和所述第二超音速喷嘴的轴线相交于所述第一注射管内的同一点；
设置在所述第一竖式反应器的所述第一入口端的下游的在所述第一竖式反应器内部的第一扩散器；
与所述第一竖式反应器的所述第一出口端相连的产物槽。
15.根据权利要求14所述的设备，还包括：穿过所述第一注射管的壁装配并以一定角度设置的一组第四超音速喷嘴，使得所述第四超音速喷嘴的轴线与所述第一超音速喷嘴、所述第二超音速喷嘴和所述第三超音速喷嘴的轴线相交于所述第一注射管内的同一点。
16.根据权利要求14所述的设备，还包括：设置在所述第一注射管内部并与所述第二超音速喷嘴同向设置的具有出口端和轴线的第五超音速喷嘴，其中所述第五超音速喷嘴被配置成以马赫3至马赫8的马赫速率注射第五可压缩流体反应物，其中第五超音速射流含有延伸到所述第五超音速喷嘴的出口端之外的冲击波；以及穿过所述第一注射管的壁装配并以一定角度设置的一组第六超音速喷嘴，使得所述第六超音速喷嘴的轴线与所述第五超音速喷嘴的轴线相交于所述第一注射管内的同一点。
17.根据权利要求16所述的设备，还包括：穿过所述第一注射管的壁并以一定角度设置的一组第七超音速喷嘴，使得所述第七超音速喷嘴的轴线与所述第五超音速喷嘴和所述第六超音速喷嘴的轴线相交于所述第一注射管内的同一点。
18.根据权利要求14所述的设备，还包括：
具有第二入口端和第二出口端的第二竖式反应器；
具有第二入口端和第二出口端的第二注射管，所述第二注射管通过所述第二注射管的所述第二出口端相连至所述第二竖式反应器的所述第二入口端；
附接在所述第二注射管的所述第二入口端的第八超音速喷嘴，所述第八超音速喷嘴的出口端和轴线与所述第二注射管的轴线对齐，其中所述第八超音速喷嘴被配置成以马赫3至马赫8的马赫速率注射第八可压缩流体反应物，其中第八超音速射流含有延伸到所述第八超音速喷嘴的出口端之外的冲击波；
与所述第一竖式反应器、所述第八超音速喷嘴和所述第二注射管的所述第二入口端相连的第一导管；
设置在所述第二注射管内部的第九超音速喷嘴，所述第九超音速喷嘴的出口端和轴线与所述第二注射管的轴线对齐，其中所述第九超音速喷嘴被配置成以马赫3至马赫8的马赫速率注射第九可压缩流体反应物，其中第九超音速射流含有延伸到所述第九超音速喷嘴的出口端之外的冲击波，其中所述第九超音速喷嘴与所述第八超音速喷嘴对向设置；
穿过所述第二注射管的壁装配并以一定角度设置的一组第十超音速喷嘴，使得所述第十超音速喷嘴的轴线与所述第九超音速喷嘴的轴线相交于所述第二注射管内的同一点；
设置在所述第二竖式反应器的所述第二入口端下游的在所述第二竖式反应器内部的第二扩散器；
与所述第二竖式反应器和所述产物槽相连的第二导管。
19.根据权利要求18所述的设备，还包括：穿过所述第二注射管的壁装配并以一定角度设置的一组第十一超音速喷嘴，使得所述第十一超音速喷嘴的轴线与所述第九超音速喷嘴和所述第十超音速喷嘴的轴线相交于所述第二注射管内的同一点。
20.根据权利要求18所述的设备，还包括：设置在所述第二注射管内部出口端在所述第八超音速喷嘴下游并且与所述第九超音速喷嘴同向设置的第十二超音速喷嘴，其中所述第十二超音速喷嘴被配置成以马赫3至马赫8的马赫速率注射第十二可压缩流体反应物，其中第十二超音速射流含有延伸到所述第十二超音速喷嘴的出口端之外的冲击波；以及穿过所述第二注射管的壁装配并以一定角度设置的一组第十三超音速喷嘴，使得所述第十三超音速喷嘴的轴线与所述第十二超音速喷嘴的轴线相交于所述第二注射管内的同一点。
21.根据权利要求20所述的设备，还包括：穿过所述第二注射管的壁装配并以一定角度设置的一组第十四超音速喷嘴，使得所述第十四超音速喷嘴的轴线与所述第十二超音速喷嘴和所述第十三超音速喷嘴的轴线相交于所述第二注射管内的同一点。
22.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对第一可压缩流体加压；
使所述第一可压缩流体和第一液体反应物通过第一双流体喷嘴，以产生含有所述第一液体反应物的微细液滴的第一射流；
其中所述第一双流体喷嘴设置在所述注射管中以使得所述第一双流体喷嘴的轴线与所述第一超音速喷嘴和所述第二超音速喷嘴的轴线彼此相交于所述注射管中的所述局部反应区域，在此含有所述第一液体反应物的微细液滴的所述第一射流与所述第一超音速射流和所述第二超音速射流碰撞并与所述冲击波相互作用；
由此通过所述碰撞和与所述冲击波的相互作用使所述局部反应区域的至少一部分中的温度和压力升高，从而在所述第一液体反应物的所述液滴与所述第一可压缩流体反应物和所述第二可压缩流体反应物之间发生快速的化学反应以产生化学产物。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：
对第二可压缩流体加压；
使所述第二可压缩流体和第二液体反应物通过第二双流体喷嘴，以产生含有所述第二液体反应物的微细液滴的第二射流；
其中所述第二双流体喷嘴设置在所述注射管中以使得所述第二双流体喷嘴的轴线与所述第一双流体喷嘴以及所述第一超音速喷嘴和所述第二超音速喷嘴的轴线彼此相交于所述注射管中的所述局部反应区域，在此含有所述第一液体反应物和所述第二液体反应物的微细液滴的射流与含有冲击波的所述第一超音速射流和所述第二超音速射流碰撞并与所述冲击波相互作用；
由此通过所述碰撞和与所述冲击波的相互作用使所述局部反应区域的至少一部分中的温度和压力升高，从而在所述第一液体反应物的微细液滴和所述第二液体反应物的微细液滴与所述第一可压缩流体反应物和所述第二可压缩流体反应物之间发生快速的化学反应以产生化学产物。
24.根据权利要求22所述的方法，其中至少一种所述可压缩流体是蒸汽。
25.根据权利要求23所述的方法，其中至少一种所述可压缩流体是蒸汽。
26.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一液体反应物包含至少两种液体反应物的混合物。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一可压缩流体反应物包含至少两种可压缩流体反应物的混合物。
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