具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如前所述,本发明的第一方面提供了一种分解硫化氢的高通量低温等离子体系统,该系统中含有依次通过管线连接的供气-配气单元、等离子体反应单元和产物分离单元,所述等离子体反应单元中含有低温等离子体反应器和等离子体电源,该反应器包括:
内筒,所述内筒上分别设置有反应器入口和产物出口,并且,所述内筒中含有至少两个并列设置的反应管,各个所述反应管的顶部和底部分别对应相通,使得由所述反应器入口进入的原料能够分别进入到各个所述反应管中,以及使得各个所述反应管中产生的产物能够由所述产物出口引出;
外筒,所述外筒嵌套在所述内筒的外部,且所述外筒上分别设置有导热介质入口和导热介质出口,由所述导热介质入口引入的导热介质能够分布在所述内筒的各个所述反应管之间,并且所述导热介质由所述导热介质出口引出;
中心高压电极,所述中心高压电极分别设置在所述内筒的各个所述反应管中;
接地电极,形成所述接地电极的材料为固体导电材料,且所述接地电极形成各个所述反应管的至少部分侧壁或者所述接地电极分别环绕设置在各个所述反应管的侧壁上;
阻挡介质,所述阻挡介质形成各个所述反应管的至少部分侧壁使得至少部分所述阻挡介质环绕所述中心高压电极;或者所述阻挡介质环绕设置在各个所述反应管的内侧壁上;或者所述阻挡介质设置在所述中心高压电极的至少部分外表面上,使得至少部分伸入所述内筒中的中心高压电极的外表面上包裹有所述阻挡介质;
在各个所述反应管中,所述阻挡介质的设置位置使得所述中心高压电极和所述接地电极之间的放电区域由所述阻挡介质间隔。
本发明的“侧壁”与“外侧壁”和“内侧壁”之间的区别为:“外侧壁”和“内侧壁”分别表示“侧壁”外表面和内表面。
在本发明中,为了进一步提高硫化氢的转化率,优选情况下,在所述低温等离子体反应器中,在各个所述反应管中,所述中心高压电极的外侧壁与所述接地电极的内侧壁之间的距离为d1,以及所述阻挡介质的厚度为D1,L1=d1-D1,L1与所述放电区域的长度L2之间的比例关系为:L1:L2=1:(0.5~6000),更优选L1:L2=1:(2~3000)。
特别地,本发明的发明人发现,在各个反应管中,控制L1:L2的比例关系在本发明的前述范围内,并且控制L1与所述阻挡介质的厚度D1的比例关系为:L1:D1=(0.05~100):1;更优选L1:D1=(0.1~30):1时,利用本发明的系统进行硫化氢的分解时,能够在相对更低的分解能耗下实现更高的硫化氢分解转化率。
本发明中,顶部和底部分别对应相通的各个所述反应管共同形成的结构称为内筒。
本发明的各个所述反应管中分别设置有中心高压电极,优选所述中心高压电极设置于各个反应管的轴芯位置,从而有利于本发明的反应单元的均匀放电。设置于各个轴芯位置的各个反应管中的中心高压电极可以分别与供电电源连接;设置于各个轴芯位置的各个反应管中的中心高压电极也可以在所述反应单元的内筒中并联连接,然后将并联连接的各个中心高压电极与供电电源连接。
根据第一种优选的具体实施方式,在所述低温等离子体反应器中,所述阻挡介质形成各个所述反应管的至少部分侧壁使得至少部分所述阻挡介质环绕所述中心高压电极。更优选地,各个所述反应管的侧壁全部由所述阻挡介质形成。
根据另一种优选的具体实施方式,在所述低温等离子体反应器中,在各个所述反应管中,所述阻挡介质设置在所述中心高压电极的至少部分外表面上,使得至少部分伸入所述内筒中的中心高压电极的外表面上包裹有所述阻挡介质,以及所述接地电极形成各个所述反应管的至少部分侧壁。
在本发明的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统中,特别地,在所述等离子体反应单元的低温等离子体反应器中,夹套筒式结构设计,能够使得导热介质在壳层循环流动,在保证放电强度的同时可使整个反应单元维持在一定温度范围内,使生成的硫磺以液态形式流出反应单元,能够有效避免硫化氢分解生成的硫磺凝固,可在达到较高的转化率的同时使此分解过程持续、稳定的实现长周期运行。
前述有关阻挡介质和接地电极的设置位置有利于本发明的反应系统的大功率均匀放电。关于阻挡介质和接地电极彼此之间的固定方式,或者是阻挡介质和接地电极与内筒壁的固定方式,本发明没有特别的要求,本领域技术人员可以根据形成阻挡介质、内筒和接地电极的材质来选择合适的固定形式,本发明对此没有特别的限定。
根据一种优选的具体实施方式,各个所述反应管中的中心高压电极彼此并联连接。
优选地,在所述低温等离子体反应器中,形成所述阻挡介质的材料为电绝缘材料,更优选形成所述阻挡介质的材料选自玻璃、陶瓷、搪瓷、聚四氟乙烯和云母中的至少一种。所述玻璃可以为石英玻璃或硬质玻璃。形成所述阻挡介质的材料还可以为其它具有高压电绝缘设计的金属和非金属复合材料等。所述陶瓷可以为氧化铝陶瓷。
优选地,所述低温等离子体反应器中还包括接地线,所述接地线设置在所述外筒的外侧壁上,且一端与各个所述反应管的侧壁上的所述接地电极电连接。
优选地,在所述低温等离子体反应器中,所述反应器入口设置在所述内筒的上部,所述产物出口设置在所述内筒的下部和/或底部。
根据一种优选的具体实施方式,在所述低温等离子体反应器中,所述产物出口包括气体产物出口和液体产物出口,且所述气体产物出口设置在所述内筒的下部,以及所述液体产物出口设置在所述内筒的底部。
根据一种优选的具体实施方式,各个所述反应管的尺寸相同。所述尺寸相同表示各个所述反应管的大小及形状均完全相同。本发明的所述反应管的排布方式没有特别的限制,其排布横截面可以是正三角形、正六边形、圆形等。
在各个所述反应管中,所述反应管的内径与所述产物出口的孔径之比可以为(0.1~100):1。
本发明的所述反应器入口的孔径与所述产物出口的孔径之比可以为(0.1~120):1。
本发明的所述反应管的长度与所述反应管的内径之间的比例可以为(0.5~500):1。
优选情况下,在所述低温等离子体反应器中,所述气体产物出口设置在全部所述放电区域的下方,且所述气体产物出口的设置位置相对于所述内筒底部的高度H1与所述放电区域的长度L2之间的比例关系为:H1:L2=1:(0.05~25000);优选为H1:L2=1:(0.1~10000);更优选为H1:L2=1:(0.5~1000)。
优选地,在所述低温等离子体反应器中,所述导热介质入口和所述导热介质出口分别设置在所述外筒的下部和上部。
在本发明中,所述内筒中主要用于发生硫化氢分解反应,而所述外筒主要用于维持等离子体反应器的所需温度,因此,本领域技术人员能够根据该用途调整并选择合适的内筒和外筒之间的尺寸比。
本发明的所述反应器入口可以设置为使得进入所述内筒中的原料气与所述内筒的内径平行或者呈一定的角度,例如可以切向设置。
本发明的所述内径均表示直径。
优选地,形成所述接地电极的材料选自石墨管、金属管、金属箔或金属网。本发明的固体接地电极,在注入功率一定的条件下产生的微放电电流更大,更有利于硫化氢的断键分解反应。形成所述接地电极的材料中的金属管和金属箔可以包括单质金属管、单质金属箔、合金金属管、合金金属箔。本发明的发明人发现,采用固体导电材料作为接地电极环绕设置在所述内筒的侧壁上或者形成各个所述反应管的至少部分侧壁时,能够使得采用本发明提供的系统进行硫化氢分解反应时,硫化氢的转化率更显著地提高。
形成所述中心高压电极的材料为导电材料,优选地,形成所述中心高压电极的材料选自石墨棒、石墨管、石墨粉、金属棒、金属管、金属粉和导电粉体的机械混合物中的至少一种。所述金属棒、金属管可以包括单质金属棒、合金金属棒、单质金属管、合金金属管,所述金属粉可以包括单质金属粉、合金金属粉。本发明的形成所述中心高压电极的材料有可以为其它具有导电性能的棒状、粉状及管状材料。
本发明能够通过在低温等离子体反应器的所述内筒的外侧壁与所述外筒的内侧壁之间的区域引入导热介质而使得具有夹套结构的低温等离子体反应器的温度维持在例如119~444.6℃之间,以保证硫化氢分解产生的硫磺以液态形式流出放电区。
本发明的所述低温等离子体反应器中还可以装填能够催化硫化氢分解成单质硫和氢气的催化剂,所述催化剂优选装填在所述低温等离子体反应器的内筒中。本发明对所述催化剂的装填体积以及装填种类没有特别的要求,关于催化剂的种类,例如可以为CN102408095A、CN101590410A和CN103495427A中公开的催化剂中的任意一种或者多种。
本发明提供的所述低温等离子体反应器对分解硫化氢所涉及的分解反应的条件没有特别的限制,可以为本领域内常规采用的等离子体分解硫化氢方法中所涉及的各种条件来进行分解,本发明的实施例部分示例性地列举了分解硫化氢的条件,本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。
在本发明中,对形成所述外筒的材质没有特别的限定,只要形成所述外筒的材质能够承受导热介质的设定温度即可。
本发明提供的所述低温等离子体反应器对反应器入口处的气体中的硫化氢的浓度没有特别的限定,例如气体中硫化氢的浓度可以为0.01~100体积%。
本发明的所述等离子体反应单元中可以含有1个或者2个以上的低温等离子体反应器。
以下提供本发明前述的低温等离子体反应器分解硫化氢的优选的具体实施方式:
从反应器入口向高通量等离子体反应装置的内筒中通入氮气,以清除放电区域中的空气,并且气体从产物出口引出。同时,从导热介质入口向外筒中引入导热介质,引入的导热介质从导热介质出口引出。导热介质的温度保持为系统反应需要的温度。然后从反应器入口向高通量等离子体反应装置的内筒中通入含有硫化氢的原料气,原料气充满各个反应管中,待原料气流平稳之后接通高压电源,通过调节电压和频率使中心高压电极和接地电极之间形成等离子体放电场。硫化氢气体在放电区域发生电离,分解为氢气和单质硫,放电产生的单质硫沿内筒壁缓缓流下,并从产物出口流出。
优选地,本发明的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统中还含有硫化氢循环单元,该硫化氢循环单元用于回收由所述产物分离单元中获得的含有硫化氢的气相物质中的硫化氢,并将所得的硫化氢循环至所述供气-配气单元或所述等离子体反应单元。
优选情况下,所述硫化氢循环单元中含有用于吸收硫化氢的胺液吸收塔和用于使得硫化氢解析的解析塔。
优选地,在本发明的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统中,所述产物分离单元中含有气液分离器,以及任选含有微粒净化器和/或载气分离器。
本发明的所述硫化氢循环单元可以附属于所述产物分离单元中,并且,优选情况下,所述产物分离单元和所述硫化氢循环单元的连接方式包括:所述产物分离单元中的气液分离器通过管线与所述等离子体反应单元连接,使得来自所述等离子体反应单元的气相产物和液相硫单质能够进入所述气液分离器中分离以分别获得第一气态物质和液体硫,任选地将所述第一气态物质引入至微粒净化器中以进一步分离获得残余固体硫和第二气态物质,所述液体硫和所述残余固体硫均能够通过管线引出本发明的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统。进一步地,所述硫化氢循环单元通过管线与所述产物分离单元连接,使得所述第二气态物质能够通过管线进入所述硫化氢循环单元中的胺液吸收塔中,以分别获得除硫化氢气体和含硫化氢液体,所述除硫化氢气体任选通过管线进入载气分离器中分离其中可能存在的载气,从而获得含氢粗产物,所述含氢粗产物可以根据需要被进一步提纯;所述含硫化氢液体通过管线引入至解析塔中解析出硫化氢气体以用于至所述供气-配气单元或所述等离子体反应单元。
优选地,本发明的所述供气-配气单元中含有能够调节含硫化氢的气体和载气的体积比的设备,也即,所述通过所述供气-配气单元能够获得合适的气体种类以及硫化氢含量的原料气以进入所述等离子体反应单元中。例如,所述述供气-配气单元中可以含有混合器,使得含有硫化氢的气体与载气混合后再作为原料气进入所述等离子体反应单元中。
如前所述,本发明的第二方面提供了一种分解硫化氢的方法,该方法在本发明前述第一方面所述的高通量低温等离子体系统中实施,该方法包括:
来自供气-配气单元的含有硫化氢的原料气通过管线进入等离子体反应单元中;
在由所述等离子体反应单元中的低温等离子体反应器和等离子体电源产生的等离子放电场存在下,所述原料气通过反应器入口进入低温等离子体反应器的内筒中进行硫化氢分解反应,反应后获得的气相物质和液相硫单质由产物出口引出所述低温等离子体反应器;
来自所述低温等离子体反应器的气相物质和液相硫单质进入产物分离单元中分离以分别获得单质硫、氢气和含硫化氢的尾气;
任选地将所述产物分离单元中获得的含硫化氢的尾气引入至硫化氢循环单元中进行分离以获得循环至所述供气-配气单元或所述等离子体反应单元的硫化氢。
优选地,在本发明的方法中,来自所述低温等离子体反应器的气相物质和液相硫单质进入产物分离单元的气液分离器中分离以分别获得第一气态物质和液体硫,任选地将所述第一气态物质引入至所述产物分离单元中任选含有的微粒净化器中以进一步分离获得残余固体硫和第二气态物质。进一步地,所述第二气态物质进入所述硫化氢循环单元中的胺液吸收塔中,以分别获得除硫化氢气体和含硫化氢液体,任选地所述除硫化氢气体进入所述产物分离单元中任选含有的载气分离器中分离其中可能存在的载气,从而获得含氢粗产物。本发明获得的前述含硫化氢液体引入至所述硫化氢循环单元中的解析塔中解析出硫化氢气体,并且通过解析获得的硫化氢循环回所述供气-配气单元或所述等离子体反应单元中。
在本发明中,优选所述原料气中含有硫化氢和载气,对所述载气的种类没有特别的限定,可以为氢气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、一氧化碳、空气、气态烃类等。本发明的所述原料气中的硫化氢气体的来源可以为纯硫化氢气体,也可以为工业生产中获得的含有硫化氢以及其它气体的工业废气,并且,当所述原料气中含有载气时,优选通过例如阀门和流量计等设备控制载气在原料气中的体积含量。
本发明的含氢粗产物可以根据需要被进一步提纯。本发明对进一步提纯含氢粗产物的方法没有特别的限定,例如可以将含氢粗产物引入至含有氢氧化钠的碱性溶液中。
本发明的方法中获得的所述液体硫和所述残余固体硫用于回收。
以下结合图1提供本发明的低温等离子体反应器的一种优选的具体实施方式的结构,具体地:
该反应器具有同轴夹套筒式结构,且该反应器包括:
内筒1,所述内筒1上分别设置有反应器入口11和产物出口,并且,所述内筒1中含有至少两个并列设置的反应管14,各个所述反应管14的顶部和底部分别对应相通,使得由所述反应器入口11进入的原料能够分别进入到各个所述反应管14中,以及使得各个所述反应管14中产生的产物能够由所述产物出口引出;
外筒2,所述外筒2嵌套在所述内筒1的外部,且所述外筒2上分别设置有导热介质入口21和导热介质出口22,由所述导热介质入口21引入的导热介质能够分布在所述内筒1的各个所述反应管14之间,并且所述导热介质由所述导热介质出口22引出;
中心高压电极3,所述中心高压电极3分别设置在所述内筒1的各个所述反应管14中;
接地电极4,形成所述接地电极4的材料为固体导电材料,且所述接地电极4形成各个所述反应管14的至少部分侧壁或者所述接地电极4分别环绕设置在各个所述反应管14的侧壁上;
阻挡介质,所述阻挡介质形成各个所述反应管14的至少部分侧壁使得至少部分所述阻挡介质环绕所述中心高压电极3;或者所述阻挡介质环绕设置在各个所述反应管14的内侧壁上;
在各个所述反应管14中,所述阻挡介质的设置位置使得所述中心高压电极和所述接地电极之间的放电区域由所述阻挡介质间隔。
以下结合图2提供本发明的低温等离子体反应器的另一种优选的具体实施方式的结构,具体地:
该反应器具有同轴夹套筒式结构,且该反应器包括:
内筒1,所述内筒1上分别设置有反应器入口11和产物出口,并且,所述内筒1中含有至少两个并列设置的反应管14,各个所述反应管14的顶部和底部分别对应相通,使得由所述反应器入口11进入的原料能够分别进入到各个所述反应管14中,以及使得各个所述反应管14中产生的产物能够由所述产物出口引出;
外筒2,所述外筒2嵌套在所述内筒1的外部,且所述外筒2上分别设置有导热介质入口21和导热介质出口22,由所述导热介质入口21引入的导热介质能够分布在所述内筒1的各个所述反应管14之间,并且所述导热介质由所述导热介质出口22引出;
中心高压电极3,所述中心高压电极3分别设置在所述内筒1的各个所述反应管14中;
接地电极4,形成所述接地电极4的材料为固体导电材料,且所述接地电极4形成各个所述反应管14的至少部分侧壁;
阻挡介质6,所述阻挡介质6设置在所述中心高压电极3的至少部分外表面上,使得至少部分伸入所述内筒1中的中心高压电极3的外表面上包裹有所述阻挡介质6,
在各个所述反应管14中,所述阻挡介质的设置位置使得所述中心高压电极和所述接地电极之间的放电区域由所述阻挡介质间隔。
在图1和图2中,优选本发明的低温等离子体反应器还具有如下特征:
优选地,在各个所述反应管14中,所述中心高压电极3的外侧壁与所述接地电极的内侧壁之间的距离为d1,以及所述阻挡介质6的厚度为D1,L1=d1-D1,L1与所述放电区域的长度L2之间的比例关系为:L1:L2=1:(0.5~6000),更优选L1:L2=1:(2~3000)。
优选情况下,在各个所述反应管14中,L1与所述阻挡介质6的厚度D1的比例关系为:L1:D1=(0.05~100):1;更优选L1:D1=(0.1~30):1。
优选地,各个所述反应管14中的中心高压电极3彼此并联连接。
优选情况下,该低温等离子体反应器还包括接地线5,所述接地线5设置在所述外筒2的外侧壁上,且一端与各个所述反应管14的侧壁上的所述接地电极4电连接。
优选地,所述反应器入口11设置在所述内筒1的上部,所述产物出口设置在所述内筒1的下部和/或底部。更优选地,所述产物出口包括气体产物出口12和液体产物出口13,且所述气体产物出口12设置在所述内筒1的下部,以及所述液体产物出口13设置在所述内筒1的底部。
优选情况下,各个所述反应管14的尺寸相同。
优选地,所述气体产物出口12设置在全部所述放电区域的下方,且所述气体产物出口12的设置位置相对于所述内筒1底部的高度H1与所述放电区域的长度L2之间的比例关系为:H1:L2=1:(0.05~25000);优选为H1:L2=1:(0.1~10000);更优选为H1:L2=1:(0.5~1000)。
优选所述导热介质入口21和所述导热介质出口22分别设置在所述外筒2的下部和上部。
以下结合图3提供本发明的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统的一种优选的具体实施方式的流程,具体地:
所述分解硫化氢的高通量低温等离子体系统中含有依次通过管线连接的供气-配气单元A、等离子体反应单元B、产物分离单元和硫化氢循环单元C,所述等离子体反应单元中含有低温等离子体反应器B1和等离子体电源(未示出)。优选情况下,所述低温等离子体反应器B1具有图1或图2所示的结构。并且,优选所述等离子体反应单元B中含有多个,例如4个低温等离子体反应器B1。
优选地,所述供气-配气单元A中含有混合器A1,所述混合器A1用于按需将含有硫化氢气体与例如载气混合形成原料气,并且将得到的原料气引入至等离子体反应单元B中的低温等离子体反应器B1中进行硫化氢分解反应,反应后的产物进入产物分离单元和硫化氢循环单元C中,例如,反应后的产物先进入气液分离器C1中进行气液分离,气液分离后获得的液体硫进入硫磺存储器C6中,气液分离后得到的第一气态物质进入微粒净化器C2中进行进一步分离,进一步分离获得的固体硫也可以进入硫磺存储器C6中。由所述微粒净化器C2中获得的第二气态物质进入胺液吸收塔C3中以分别获得除硫化氢气体和含硫化氢液体(胺液),优选所述除硫化氢气体进入载气分离器C5中分离其中可能存在的载气,从而获得含有大量氢气的含氢粗产物。优选前述胺液引入至解析塔C4中解析出硫化氢气体(称为解吸硫化氢),解析获得的硫化氢气体通过管线循环回所述供气-配气单元A1中。
本发明提供的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统具有如下具体的优点:
(1)由于采用低温等离子体反应器进行硫化氢的分解,而该反应器使用金属、合金或其它导电固体材料作为接地电极,与液体接地电极相比,此种接地电极配合本发明的结构时放电产生的微放电电流更大,更有利于硫化氢分子的放电分解反应。
(2)由于采用低温等离子体反应器进行硫化氢的分解,而该反应器接地电极外侧设置夹套结构,可通过控制夹套中导热介质温度来对反应器进行温度控制,可使硫化氢放电分解产生的硫磺顺利流出放电区,避免硫磺凝固堵塞反应器,使放电持续稳定的进行。
(3)由于采用低温等离子体反应器进行硫化氢的分解,而该反应器优选控制L1与L2之间的比例关系为:L1:L2=1:(0.5~6000),更优选L1:L2=1:(2~3000),配合反应器的结构,能够使得硫化氢的转化率明显提高且分解能耗降低。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中,在没有特别说明的情况下,使用的各种原料均来自商购。
以下实施例和对比例中的阻挡介质的厚度均相同。
以下实例中硫化氢的转化率是根据下式计算得到的:
硫化氢的转化率%=转化的硫化氢的摩尔数/初始硫化氢的摩尔数×100%
以下实例中分解硫化氢的能耗通过示波器检测以及采用利萨如图形计算获得。
以下实施例1中的反应装置内筒的容积为1L,其余实施例和对比例的反应装置内筒的容积能够根据相应的数据计算获得。
实施例1
采用具有图3所示流程图的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统进行硫化氢分解反应,且本实施例中的低温等离子体反应器具有图1所示的结构。
本实施例的工艺流程如前述具体实施方式所示,并且,低温等离子体反应器的结构参数如下:
低温等离子体反应器包括:
内筒,所述内筒上分别设置有反应器入口、气体产物出口和液体产物出口,并且,所述内筒中含有4并列设置的反应管,各个所述反应管的顶部和底部分别对应相通,使得由所述反应器入口进入的原料能够分别进入到各个所述反应管中,以及使得各个所述反应管中产生的气态产物能够由所述气体产物出口引出,并且使得各个所述反应管中产生的液态产物能够由所述液体产物出口引出,4个反应管的尺寸完全相同,所述反应管的全部侧壁均由阻挡介质形成,形成所述阻挡介质的材料为硬质玻璃;
外筒,所述外筒嵌套在所述内筒的外部,且所述外筒上分别设置有导热介质入口和导热介质出口,由所述导热介质入口引入的导热介质能够分布在所述内筒的各个所述反应管之间,并且所述导热介质由所述导热介质出口引出;
中心高压电极,所述中心高压电极设置在各个所述反应管的中心轴线位置,形成所述中心高压电极的材料为不锈钢金属棒,各个反应管中的中心高压电极并联连接;
接地电极,所述接地电极分别环绕设置在各个所述反应管的外侧壁上,形成所述接地电极的材料为不锈钢金属箔,且本实施例中的中心高压电极的下沿与所述接地电极的下沿齐平。
在各个反应管中,L1:L2=1:1700;H1:L2=1:48;
L1与所述阻挡介质的厚度D1的比值为6:1;
分解硫化氢的高通量低温等离子体系统的操作步骤:
将氮气从供气-配气单元向等离子体反应单元的低温等离子体反应器中引入,氮气从反应器入口进入低温等离子体反应器的内筒中,以清除放电区域中的空气,并且气体从气体产物出口和液体产物出口引出。同时,从导热介质入口向外筒中引入导热介质(具体为二甲基硅油),引入的导热介质从导热介质出口引出,导热介质的温度保持为145℃。然后将硫化氢气体和Ar载气依次通过配气系统以及混合器混合,获得原料气,原料气中H2S体积分数为30%,原料气从反应器入口进入低温等离子体反应器的内筒中,控制原料气流速使得气体在放电区的平均停留时间为8.3s。原料气通入反应器30min后,接通交流高压电源,通过调节电压和频率使中心高压电极和接地电极之间形成等离子体放电场。其中放电条件为:电压为18.3kV、频率为3.2kHz、电流为1.92A。硫化氢气体在放电区域发生电离,分解为氢气和单质硫,放电产生的单质硫沿内筒壁缓缓流下,并从液体产物出口间歇引出。
上述获得的气体产物和液体产物均进入产物分离单元的气液分离器中进行气液分离,以分别获得第一气态物质和液体硫,所述第一气态物质进入微粒净化器中以进一步分离获得残余固体硫和第二气态物质,所述液体硫和所述残余固体硫均进入硫磺存储器中。进一步地,所述第二气态物质进入所述硫化氢循环单元中的胺液吸收塔中,以分别获得除硫化氢气体和含硫化氢液体,所述除硫化氢气体进入载气分离器中分离载气,从而获得含氢粗产物,所述含硫化氢液体进入解析塔中解析出硫化氢气体,并将解析得到的硫化氢气体循环回供气-配气单元。将所述含氢粗产物引入至含有氢氧化钠的溶液中进一步提纯以获得氢气。
结果:本实施例的硫化氢分解反应持续进行20min后测得H2S转化率为74.2%;且持续放电100h仍未见异常,放电状态和H2S转化率均保持稳定。且本实施例的分解能耗为14.3eV/H2S分子(每分解1分子H2S需要的能量为14.3eV)。
对比例1
本对比例采用与实施例1相似的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统进行硫化氢分解反应,所不同的是:
本对比例的低温等离子体反应器中的接地电极为液体接地电极,且为熔融状态的摩尔比为1:1的LiCl和AlCl3,该液体接地电极也是导热介质,保持温度为145℃,且放置在反应器外筒中。
并且本对比例中的原料气在放电区的平均停留时间为20.5s。
其余与实施例1中相同。
并且本对比例采用与实施例1相同的操作方法进行硫化氢分解反应。
结果:本对比例的硫化氢分解反应持续进行20min后测得H2S转化率为16.1%,持续放电1.5h后H2S转化率降低至6.8%。
本对比例的分解能耗为117.5eV/H2S分子。
实施例2
采用具有图3所示流程图的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统进行硫化氢分解反应,且本实施例中的低温等离子体反应器具有图2所示的结构。
本实施例的工艺流程如前述具体实施方式所示,并且,低温等离子体反应器的结构参数如下:
低温等离子体反应器包括:
内筒,所述内筒上分别设置有反应器入口、气体产物出口和液体产物出口,并且,所述内筒中含有4并列设置的反应管,各个所述反应管的顶部和底部分别对应相通,使得由所述反应器入口进入的原料能够分别进入到各个所述反应管中,以及使得各个所述反应管中产生的气态产物能够由所述气体产物出口引出,并且使得各个所述反应管中产生的液态产物能够由所述液体产物出口引出,4个反应管的尺寸完全相同;
外筒,所述外筒嵌套在所述内筒的外部,且所述外筒上分别设置有导热介质入口和导热介质出口,由所述导热介质入口引入的导热介质能够分布在所述内筒的各个所述反应管之间,并且所述导热介质由所述导热介质出口引出;
中心高压电极,所述中心高压电极设置在各个所述反应管的中心轴线位置,形成所述中心高压电极的材料为不锈钢金属棒,各个反应管中的中心高压电极并联连接;
接地电极,反应管的全部侧壁均由接地电极形成,形成所述接地电极的材料为不锈钢金属箔,且本实施例中的中心高压电极的下沿与所述接地电极的下沿齐平;
阻挡介质,所述阻挡介质设置在所述中心高压电极伸入至所述反应管中的那部分的外表面上,且阻挡介质的上沿高于接地电极的上沿,形成所述阻挡介质的材料为石英玻璃。
在各个反应管中,L1与L2的比值为1:3000;
H1:L2=1:220;
L1与所述阻挡介质的厚度D1之间的比例关系为:L1:D1=15:1;
本实施例中从反应器入口向高通量低温等离子体反应器的内筒中通入H2S/Ar混合气,其中H2S体积分数为30%,控制混合气流速使得气体在放电区的平均停留时间为6.7s。H2S/Ar混合气通入反应器30min后,接通交流高压电源,通过调节电压和频率使中心高压电极和接地电极之间形成等离子体放电场。其中放电条件为:电压为22.7kV、频率为1.7kHz、电流为2.4A。
其余与实施例1中相同。
结果:本实施例的硫化氢分解反应持续进行20min后测得H2S转化率为73.5%;且持续放电100h仍未见异常,放电状态和H2S转化率均保持稳定。且本实施例的分解能耗为14.7eV/H2S分子。
实施例3
本实施例采用与实施例1相似的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统进行硫化氢分解反应,所不同的是:
反应管的全部侧壁均由接地电极形成,形成所述接地电极的材料为铜箔;
阻挡介质设置在各个反应管的内侧壁上,形成所述阻挡介质的材料为陶瓷;
在各个反应管中,L1:L2=1:800;
H1:L2=1:105;
L1与所述阻挡介质的厚度D1的比值为0.5:1;
本实施例中从反应器入口向高通量低温等离子体反应器的内筒中通入H2S/Ar混合气,其中H2S体积分数为30%,控制混合气流速使得气体在放电区的平均停留时间为7.8s。H2S/Ar混合气通入反应器30min后,接通交流高压电源,通过调节电压和频率使中心高压电极和接地电极之间形成等离子体放电场。其中放电条件为:电压为13.9kV、频率为4.7kHz、电流为2.6A。
其余与实施例1中相同。
结果:本实施例的硫化氢分解反应持续进行20min后测得H2S转化率为73.9%;且持续放电100h仍未见异常,放电状态和H2S转化率均保持稳定。且本实施例的分解能耗为15.2eV/H2S分子。
实施例4
本实施例采用与实施例1相似的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统进行硫化氢分解反应,所不同的是:
本实施例的L1:L2=1:3500。
并且本实施例采用与实施例1相同的操作方法进行硫化氢分解反应。
结果:本实施例的硫化氢分解反应持续进行20min后测得H2S转化率为68.3%;且持续放电100h仍未见异常,放电状态和H2S转化率均保持稳定。且本实施例的分解能耗为23.5eV/H2S分子。
实施例5
本实施例采用与实施例2相似的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统进行硫化氢分解反应,所不同的是:
本实施例中的L1:D1=35:1。
其余与实施例2中相同。
分解硫化氢的高通量低温等离子体系统的操作步骤与实施例2相同。
结果:本实施例的硫化氢分解反应持续进行20min后测得H2S转化率为65.8%;且持续放电100h仍未见异常,放电状态和H2S转化率均保持稳定。且本实施例的分解能耗为22.9eV/H2S分子。
由上述结果可以看出,应用本发明提供的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统进行硫化氢的分解时能够相对于现有技术显著地提高硫化氢的转化率,以及本发明提供的分解硫化氢的高通量低温等离子体系统能够在低的分解能耗下长周期地保持高的硫化氢转化率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。