CN109351300B - 一种串联式等离子体裂解流动反应器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联式等离子体裂解流动反应器及其操作方法，包括串联式流动管、介质层、高压铜极板、低压铜极板、上电极壳、下电极壳、电极转接接耳、高压电极和接地电极；所述串联式流动管包括一级裂解装置、二级裂解装置、电极固定面、圆管、观察窗、测温口、燃料进口及产物出口，一级裂解装置和二级裂解装置位于串联式流动管中部，并且相距适当距离。本发明结构紧凑，设计合理；可通过在一级裂解装置后布置二级裂解装置，控制气流速度以改变被处理物种在两个裂解区域间的停留时间，使得经过初级裂解后到达二级裂解装置时的物种状态不同，研究等离子体处理稳态物种和裂解中间物种对最终裂解产物的影响。

Description

一种串联式等离子体裂解流动反应器及其操作方法

技术领域

本发明属于等离子体燃料裂解技术领域，涉及一种流动反应器及其操作方法，具体地说，涉及一种串联式等离子体裂解流动反应器及其操作方法。

背景技术

在研究等离子体裂解燃油时，为了降低研究难度，控制单一变量，通常会将气态燃料或将汽化后的液态燃料(常温下)稀释后通入石英管，并使其经过放电等离子体区域，利用等离子体中所含的高能粒子(如电子和激发态粒子)与燃料分子发生碰撞裂解反应生成质量数更小的可燃物质。但是现有的流动反应器通常只含有一个等离子体发生装置，其研究内容单一，通常改变气流速度研究被处理物质在等离子体区域的停留时间对等离子体裂解产物的影响，或是改变加载电压和放电频率研究放电参数对等离子体裂解产物的影响等。并不能对以下两种情形进行对比研究：通过改变放电频率以实现对等离子体裂解燃料深度的研究；裂解已经经过一次等离子体处理后生成的稳态物种，以及被处理燃料在经过一次等离子体裂解后所经过的时间对于二次等离子体裂解的影响的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联式等离子体裂解流动反应器及其操作方法，该产品是可以研究二次等离子体裂解对产物分布影响的流动反应器。

其技术方案如下：

一种串联式等离子体裂解流动反应器，包括串联式流动管、介质层、高压铜极板、低压铜极板、上电极壳、下电极壳、电极转接接耳、高压电极和接地电极；所述串联式流动管包括一级裂解装置、二级裂解装置、电极固定面、圆管、观察窗、测温口、燃料进口及产物出口，一级裂解装置和二级裂解装置位于串联式流动管中部，一级裂解装置和二级裂解装置之间的间距为30～70mm，一级裂解装置和二级裂解装置内部为方形孔，一级裂解装置和二级裂解装置上下表面平整光滑为电极固定面，一级裂解装置和二级裂解装置与圆管连接通过圆转方过渡焊接，串联式流动管两端分别为测温口和观察窗，串联式流动管两端和串联式流动管本体垂直的两个圆管分别为燃料进口和产物出口；所述介质层为长方形薄片状，介质层放置于一级裂解装置和二级裂解装置的电极固定面；所述高压铜极板和低压铜极板结构相同，均为长方形薄片状，高压铜极板和低压铜极板四个角均为圆角，防止尖端效应造成爬电，高压铜极板和低压铜极板分别放置于介质层外表面；所述上电极壳包括卡边儿、电极凹槽、螺栓孔和上连接螺纹孔；下电极壳包括卡边儿、电极凹槽、螺纹孔和下连接螺纹孔，上电极壳和下电极壳分别置于高压铜极板和低压铜极板外侧，并保持高压铜极板和低压铜极板均置于上电极壳和下电极壳的凹槽中，上电极壳和下电极壳的卡边儿均在一级裂解装置和二级裂解装置两侧，避免横向滑动，上电极壳和下电极壳在四角螺栓孔和螺纹孔处通过螺栓连接，螺栓孔含有沉孔，避免螺栓头部置于上电极壳外侧；所述电极转接接耳一端为螺纹，一端为接耳，电极转接接耳与上电极壳和下电极壳在下连接螺纹孔处通过螺纹连接，且电极转接接耳螺纹顶端抵至高压铜极板和低压铜极板，使得高压铜极板和低压铜极板压紧一级裂解装置和二级裂解装置的电极固定面；所述接地电极为铜螺杆，与一级裂解装置和二级裂解装置同侧的接触低压铜极板的电极转接接耳串联连接，配合方式为紧配合，接地电极另一侧引出接地；所述高压电极为铜螺杆，分别与一级裂解装置和二级裂解装置处的与高压铜极板接触的电极转接接耳连接，并且两个铜螺杆分别从两侧引出与外接电路连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述串联式流动管、上电极壳和下电极壳的材质为石英，高压铜极板、低压铜极板、电极转接接耳、高压电极和接地电极的材质为纯铜，介质层的材质为Al₂O₃陶瓷。

作为本发明的一种优选技术方案，一级裂解装置和二级裂解装置之间的间距为50mm。

作为本发明的一种优选技术方案，所述螺栓为石英螺栓或陶瓷螺栓。

作为本发明的一种优选技术方案，所述电源为脉冲电源或交流源。

作为本发明的一种优选技术方案，所述外接电路为多路放电电路。

本发明所述串联式等离子体裂解流动反应器的操作方法，包括以下步骤：

步骤1.通过两个独立不同的电源供电，使碳氢燃料分别通过不同的放电区域，比较不同放电组合对裂解产物的影响；

步骤2.通过改变气流速度，从而影响通过两次裂解区域的时间间隔，研究两次裂解反应间隔时间对裂解产物的分布的影响；

步骤3.开展低温等离子体和热裂解协同，独立，顺次裂解对产物分布的影响。

本发明的有益效果：

与传统流动反应器相比，本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器结构紧凑，设计合理；可通过在一级裂解装置后布置二级裂解装置，控制气流速度以改变被处理物种在两个裂解区域间的停留时间，使得经过初级裂解后到达二级裂解装置时的物种状态不同，研究等离子体处理稳态物种和裂解中间物种对最终裂解产物的影响。本发明相较于传统的单一等离子体裂解装置可以开展一次实验条件下的各种组合实验方式，有利于发挥一加一大于二的组合效果。

附图说明

图1为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的总体结构图；

图2为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的总体结构剖面图；

图3为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的串联式流动管的结构示意图；

图4为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的介质层的结构示意图；

图5为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的高压铜极板和低压铜极板的结构示意图；

图6为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的上电极壳的结构示意图，其中图6A为上电极壳的外部结构示意图，图6B为上电极壳的内部结构示意图；

图7为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的下电极壳的结构示意图，其中图7A为下电极壳的外部结构示意图，图7B为下电极壳的内部结构示意图；

图8为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的电极转接接耳的结构示意图；

图9为本发明的一种串联式等离子体裂解流动反应器的高压电极和接地电极的结构示意图；

其中：1-串联式流动管、2-介质层、3-高压铜极板、4-低压铜极板、5-上电极壳、6-下电极壳、7-电极转接接耳、8-高压电极、9-接地电极、11-一级裂解装置、12-二级裂解装置、13-电极固定面、14-圆管、15-观察窗、16-测温口、17-燃料进口、18-产物出口、61-卡边儿、62-电极凹槽、63-螺栓孔、64-上连接螺纹孔、71-卡边儿、72-电极凹槽、73-螺纹孔、74-下连接螺纹孔。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1-图9，一种串联式等离子体裂解流动反应器，包括串联式流动管、介质层、高压铜极板、低压铜极板、上电极壳、下电极壳、电极转接接耳、高压电极和接地电极；所述串联式流动管包括一级裂解装置、二级裂解装置、电极固定面、圆管、观察窗、测温口、燃料进口及产物出口，一级裂解装置和二级裂解装置位于串联式流动管中部，一级裂解装置和二级裂解装置之间的间距为30～70mm，一级裂解装置和二级裂解装置内部为方形孔，一级裂解装置和二级裂解装置上下表面平整光滑为电极固定面，一级裂解装置和二级裂解装置与圆管连接通过圆转方过渡焊接，串联式流动管两端分别为测温口和观察窗，串联式流动管两端和串联式流动管本体垂直的两个圆管分别为燃料进口和产物出口；所述介质层为长方形薄片状，介质层放置于一级裂解装置和二级裂解装置的电极固定面；所述高压铜极板和低压铜极板结构相同，均为长方形薄片状，高压铜极板和低压铜极板四个角均为圆角，防止尖端效应造成爬电，高压铜极板和低压铜极板分别放置于介质层外表面；所述上电极壳包括卡边儿、电极凹槽、螺栓孔和上连接螺纹孔；下电极壳包括卡边儿、电极凹槽、螺纹孔和下连接螺纹孔，上电极壳和下电极壳分别置于高压铜极板和低压铜极板外侧，并保持高压铜极板和低压铜极板均置于上电极壳和下电极壳的凹槽中，上电极壳和下电极壳的卡边儿均在一级裂解装置和二级裂解装置两侧，避免横向滑动，上电极壳和下电极壳在四角螺栓孔和螺纹孔处通过螺栓连接，螺栓孔含有沉孔，避免螺栓头部置于上电极壳外侧；所述电极转接接耳一端为螺纹，一端为接耳，电极转接接耳与上电极壳和下电极壳在下连接螺纹孔处通过螺纹连接，且电极转接接耳螺纹顶端抵至高压铜极板和低压铜极板，使得高压铜极板和低压铜极板压紧一级裂解装置和二级裂解装置的电极固定面；所述接地电极为铜螺杆，与一级裂解装置和二级裂解装置同侧的接触低压铜极板的电极转接接耳串联连接，配合方式为紧配合，接地电极另一侧引出接地；所述高压电极为铜螺杆，分别与一级裂解装置和二级裂解装置处的与高压铜极板接触的电极转接接耳连接，并且两个铜螺杆分别从两侧引出与外接电路连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述串联式流动管、上电极壳和下电极壳的材质为石英，高压铜极板、低压铜极板、电极转接接耳、高压电极和接地电极的材质为纯铜，介质层的材质为Al₂O₃陶瓷。

一级裂解装置和二级裂解装置之间的间距为50mm。

所述螺栓为石英螺栓或陶瓷螺栓。

所述电源为脉冲电源或交流源。

所述外接电路为多路放电电路。

待研究的液态碳氢燃料通过蠕动泵按照预订的流量泵入预热蒸发装置，同时通入氩气作为载气将气化的碳氢燃料稀释并吹出蒸发装置进入串联式等离子体裂解装置当中。其中，氩气通过质量流量控制器使其按照额定流量流入系统。串联式等离子体裂解装置由两个独立的电源供电或由一个共同的电源供电。石英壳上测两根独立的铜螺杆可分别连接电源的高压极，石英壳下侧两根并联的铜螺杆共同连接电源的地线。当电源加载电压后会在两方形石英玻璃管中间形成体积介质阻挡放电，待反应气体通过放电区域进行裂解。裂解反应器通过管式炉加热，一方面可保持碳氢燃料的气态特征，另一方面可以研究预热温度对等离子体裂解的协同影响。不同于单一的裂解反应装置，本发明所述串联式等离子体裂解流动反应器的可创新开展以下实验：

包括以下步骤：

步骤1.通过两个独立不同的电源供电，使碳氢燃料分别通过不同的放电区域，比较不同放电组合对裂解产物的影响；例如前后两个反应装置分别采用微秒，纳秒等不同脉宽的脉冲放电形式进行裂解组合，采用不同频率的放电组合进行裂解研究，还有采用例如正弦和脉冲等不同波形的放电组合形式来研究对裂解产物的影响。

步骤2.通过改变气流速度，从而影响通过两次裂解区域的时间间隔，研究两次裂解反应间隔时间对裂解产物的分布的影响；研究比较中间稳定产物与二次深度裂解产物的物种分布变化，更清晰的分析中间产物的深度裂解机理。

步骤3.开展低温等离子体和热裂解协同，独立，顺次裂解对产物分布的影响。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种串联式等离子体裂解流动反应器，其特征在于：包括串联式流动管、介质层、高压铜极板、低压铜极板、上电极壳、下电极壳、电极转接接耳、高压电极和接地电极；所述串联式流动管包括一级裂解装置、二级裂解装置、电极固定面、圆管、观察窗、测温口、燃料进口及产物出口，一级裂解装置和二级裂解装置位于串联式流动管中部，一级裂解装置和二级裂解装置之间的间距为50mm，一级裂解装置和二级裂解装置上下表面平整光滑为电极固定面，一级裂解装置和二级裂解装置与圆管连接通过圆转方过渡焊接，串联式流动管两端分别为测温口和观察窗，串联式流动管两端和串联式流动管本体垂直的两个圆管分别为燃料进口和产物出口；介质层放置于一级裂解装置和二级裂解装置的电极固定面；高压铜极板和低压铜极板分别放置于介质层外表面；所述上电极壳包括卡边儿、电极凹槽、螺栓孔和上连接螺纹孔；下电极壳包括卡边儿、电极凹槽、螺纹孔和下连接螺纹孔，上电极壳和下电极壳分别置于高压铜极板和低压铜极板外侧，并保持高压铜极板和低压铜极板均置于上电极壳和下电极壳的凹槽中，上电极壳和下电极壳的卡边儿均在一级裂解装置和二级裂解装置两侧，避免横向滑动，上电极壳和下电极壳在四角螺栓孔和螺纹孔处通过螺栓连接；所述电极转接接耳一端为螺纹，一端为接耳，电极转接接耳与上电极壳和下电极壳在下连接螺纹孔处通过螺纹连接，且电极转接接耳螺纹顶端抵至高压铜极板和低压铜极板，使得高压铜极板和低压铜极板压紧一级裂解装置和二级裂解装置的电极固定面；所述接地电极为铜螺杆，与一级裂解装置和二级裂解装置同侧的接触低压铜极板的电极转接接耳串联连接，配合方式为紧配合，接地电极另一侧引出接地；所述高压电极为铜螺杆，分别与一级裂解装置和二级裂解装置处的与高压铜极板接触的电极转接接耳连接，并且两个铜螺杆分别从两侧引出与外接电路连接；

一级裂解装置和二级裂解装置内部为方形孔；

所述介质层为长方形薄片状；

所述高压铜极板和低压铜极板结构相同，均为长方形薄片状，高压铜极板和低压铜极板四个角均为圆角；

串联等离子体裂解装置由两个独立的电源供电或由一个共同的电源供电，所述电源为脉冲电源或交流源。

2.根据权利要求1所述的串联式等离子体裂解流动反应器，其特征在于：所述螺栓为石英螺栓或陶瓷螺栓。

3.根据权利要求1所述的串联式等离子体裂解流动反应器，其特征在于：所述外接电路为多路放电电路。

4.根据权利要求1所述的串联式等离子体裂解流动反应器，其特征在于：螺栓孔含有沉孔。

5.一种权利要求1所述串联式等离子体裂解流动反应器的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1.通过两个独立不同的电源供电，使碳氢燃料分别通过不同的放电区域，比较不同放电组合对裂解产物的影响；

步骤2.通过改变气流速度，从而影响通过两次裂解区域的时间间隔，研究两次裂解反应间隔时间对裂解产物的分布的影响；

步骤3.开展低温等离子体和热裂解协同，独立，顺次裂解对产物分布的影响。

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