CN111212687B - 脉冲压缩反应器和其操作方法 - Google Patents

Abstract

脉冲压缩反应器可以包括反应器壳体、弹簧活塞和驱动活塞。所述反应器壳体可以限定内部容积并且可以包括通向所述内部容积的第一通道和第二通道。所述弹簧活塞可以定位在所述内部容积内，其中所述弹簧活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的气体弹簧缓冲室的周边。所述驱动活塞可以定位在所述内部容积内，其中所述弹簧活塞、所述驱动活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的反应室的周边。

Description

脉冲压缩反应器和其操作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年10月24日提交的美国临时申请序列号62/576,369的权益，所述美国临时申请以全文引用的方式并入本文中

技术领域

本公开大体上涉及化学处理，并且更具体来说，涉及用于脉冲压缩处理中的反应器设计和方法。

背景技术

一些反应可需要高温和/或高压。利用这些反应条件(即高温和/或高压)在制造特定化学产物时可能需要相对较高的成本。因此，需要改进的反应器和在这些反应器中形成化学产物的方法。

发明内容

根据本文公开的一个或多个实施例，脉冲压缩反应器可适合于生产由于暴露于高温和高压而引起形成的化学产物。脉冲压缩反应器可利用活塞通过减小室的容积来绝热地压缩室内的反应物。在压缩反应物之后，脉冲压缩反应器可将反应物减压以形成产物。用于脉冲压缩反应器的反应室可经历非常高的温度和压力，如至少500℃的温度和/或至少50MPa的压力。在不受理论束缚的情况下，这些反应条件可允许形成不稳定的分子，如自由基，其在压力降低时可形成产物分子，这有时称为淬灭。脉冲压缩反应器中的减压可将不稳定的分子组分“冻结”成新的排列，由此形成产物化学物质。举例来说，但不限于，脉冲压缩反应器可用于由甲烷形成轻质烯烃，这类乙烯。甲烷在压缩时可形成自由基，并且在膨胀时可冻结为乙烯。

本文已经确定脉冲压缩反应器的操作中的几个问题。不受限制地，脉冲压缩反应器存在的问题包括不能安全启动、连续操作和停止脉冲压缩反应器；反应物和产物分子的混合；不能以高冲程速率控制脉冲压缩反应器；和导致性能损失和/或气体密封泄漏的活塞磨损。这些问题以及其它问题已经通过本文所述的脉冲压缩反应器的实施例来解决。在不受理论束缚的情况下，据信本文公开的脉冲压缩反应器和其操作方法克服这些已确定的问题中的至少一些。举例来说，使用转子和定子来控制流体流入脉冲压缩反应器的气体室可允许安全启动、连续操作和停止。本文公开的脉冲压缩反应器中转子和定子的使用和/或多个活塞的使用还可允许脉冲压缩反应器在反应物和产物气体基本上不混合的情况下操作。另外，转子和定子设计可允许以高冲程速率控制脉冲压缩反应器。同样，受控的旋转速度，如转子的非恒定角速度，可减少活塞的磨损。

根据一个或多个实施例，脉冲压缩反应器可包含反应器壳体、弹簧活塞和驱动活塞。反应器壳体可限定内部容积并且可包含通向内部容积的第一通道和第二通道。弹簧活塞可定位在内部容积内，其中弹簧活塞和反应器壳体至少部分地限定内部容积内的气体弹簧缓冲室的周边。驱动活塞可定位在内部容积内，其中弹簧活塞、驱动活塞和反应器壳体至少部分地限定内部容积内的反应室的周边。驱动活塞和反应器壳体可至少部分地限定内部容积内的主驱动室的周边。脉冲压缩反应器可为可操作的以穿过第一通道将反应物气体接收到反应室中，穿过第二通道将驱动气体接收到主驱动室中，和/或使由来自反应室的产物气体形成的反应物气体传递通过第一通道，所述接收驱动气体使驱动活塞朝向弹簧活塞平移。

根据另一实施例，脉冲压缩反应器可包含反应器壳体和一个或多个活塞。反应器壳体可包含转子和定子。转子可包含内部容积，其中转子在反应器壳体的径向轴线上旋转转子可包含与内部容积流体连通的至少第一通道。一个或多个活塞可定位在内部容积中并且适于在径向轴线的方向上平移。当转子在径向轴线上旋转时，第一通道可与定子中的一个或多个通道对准，以允许定子与内部容积之间的流体连通。

根据另一实施例，脉冲压缩反应器可包含反应器壳体和一个或多个活塞。反应器壳体可包含转子和定子。转子可包含内部容积，其中转子在反应器壳体的径向轴线上旋转。转子可包含与内部容积流体连通的至少第一通道。一个或多个活塞可定位在内部容积中并且适于在径向轴线的方向上平移。转子可以一定的角度方向旋转，并且一个或多个活塞可以相同的角度方向旋转。转子可以非恒定角速度旋转。

应理解，前述发明内容和以下具体实施方式两者呈现本技术的实施例，并且旨在提供用于理解如所要求保护的技术的本质和特征的综述或框架。包括附图以提供对技术的另外理解，并且所述附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。图式说明各种实施例，并且连同描述一起用以解释技术的原理和操作。此外，图式和描述意指仅为说明性的，并且不旨在以任何方式限制权利要求书的范围。

本文公开的技术的额外特征和优点将在下文具体实施方式中阐述，并且将部分地由本领域的技术人员从所述描述而容易地了解或通过实践如本文所述的技术(包括下文具体实施方式、权利要求书和附图)而认识到。

附图说明

以下对本公开的具体实施例的详细描述在结合以下图示阅读时可最佳地理解，其中相似的结构用相似的附图标记指示，并且其中：

图1示意性地描绘根据本文所述的一个或多个实施例的脉冲压缩反应器的横截面侧视图；

图2示意性地描绘根据本文所述的一个或多个实施例的图1的脉冲压缩反应器的放大横截面侧视图；

图3A示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第一阶段期间穿过内部容积的上部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图3B示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第一阶段期间穿过内部容积的下部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图3C示意性地描绘根据一个或多个实施例的示出在操作的第一阶段期间的活塞位置的脉冲压缩反应器的侧视图；

图4A示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第二阶段期间穿过内部容积的上部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图4B示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第二阶段期间穿过内部容积的下部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图4C示意性地描绘根据一个或多个实施例的示出在操作的第一阶段期间的活塞位置的脉冲压缩反应器的侧视图；

图5A示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第三阶段期间穿过内部容积的上部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图5B示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第三阶段期间穿过内部容积的下部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图5C示意性地描绘根据一个或多个实施例的示出在操作的第三阶段期间的活塞位置的脉冲压缩反应器的侧视图；

图6A示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第四阶段期间穿过内部容积的上部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图6B示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第四阶段期间穿过内部容积的下部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图6C示意性地描绘根据一个或多个实施例的示出在操作的第四阶段期间的活塞位置的脉冲压缩反应器的侧视图；

图7A示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第五阶段期间穿过内部容积的上部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图7B示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第五阶段期间穿过内部容积的下部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图7C示意性地描绘根据一个或多个实施例的示出在操作的第五阶段期间的活塞位置的脉冲压缩反应器的侧视图；

图8A示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第六阶段期间穿过内部容积的上部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图8B示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第六阶段期间穿过内部容积的下部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图8C示意性地描绘根据一个或多个实施例的示出在操作的第六阶段期间的活塞位置的脉冲压缩反应器的侧视图；

图9A示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第七阶段期间穿过内部容积的上部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图9B示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第七阶段期间穿过内部容积的下部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图9C示意性地描绘根据一个或多个实施例的示出在操作的第七阶段期间的活塞位置的脉冲压缩反应器的侧视图；

图10A示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第八阶段期间穿过内部容积的上部部分的转子和定子的俯视横截面图；

图10B示意性地描绘根据一个或多个实施例的在操作的第八阶段期间穿过内部容积的下部部分的转子和定子的俯视横截面图；和

图10C示意性地描绘根据一个或多个实施例的示出在操作的第八阶段期间的活塞位置的脉冲压缩反应器的侧视图。

现在将更详细地参考各种实施例，其一些实施例在附图中说明。在可能的情况下，相同的参考号将贯穿这些附图而被使用以指示相同或类似的零件。

具体实施方式

本文公开与脉冲压缩反应器和用于操作脉冲压缩反应器的方法相关的实施例。现在参考图1和2，脉冲压缩反应器100可包含可限定内部容积130的反应器壳体110。举例来说，反应器壳体110可形成内部容积130的周边的一侧或多侧。内部容积130通常可为反应器壳体110内的开放区域(例如腔)。根据一个或多个实施例，反应器壳体110可包含转子122和定子124。转子122可限定内部容积130，并且至少部分地被定子124包围。举例来说，如图1中所描绘，转子122通常在脉冲压缩反应器100的内部，并且定子124围绕转子122定位。然而，应当理解，本文公开的一些实施例可不包括转子122和定子124。举例来说，反应器壳体110可为一体的。根据一个或多个实施例，定子124可附接到基板125。定子124可包括基板125，其可为定子124的其它部分提供机械支撑和/或稳定性。基板125可包括圆柱形开口，以便允许转子122与基板125对准，使得转子122可在基板125的内部区域中旋转，如图1中所描绘。

如本文中详细讨论的，转子122可为可操作的以围绕脉冲压缩反应器100的中心轴线210旋转，而定子124可不明显地移动(即，定子124可为静止的)。根据一个或多个实施例，转子122的移动可关闭和/或打开从内部容积130引入转子122并且进入定子124的通道。

根据一个或多个实施例，反应器壳体110可包含各自通向内部容积130的上部通道112(有时在本文中称为第一通道)和下部通道114(有时在本文中称为第二通道)。如图2中所描绘，上部通道112和下部通道114可设置在转子122中。定子124中的互补通道可与上部通道112和/或下部通道114对准，以提供从内部容积130到定子124的流体连通。这类互补通道的例子实施例参考下文描述的图3-10详细描述。

内部容积130可包含上部部分132(有时在本文中称为第一部分)和与上部部分132相邻的下部部分134(有时在本文中称为第二部分)。内部容积130的上部部分132可具有圆柱形周边，并且内部容积130的下部部分134也可具有圆柱形周边。上部部分132的直径可小于下部部分134的直径。上部通道112可在内部容积130的上部部分132处连接到内部容积130，并且下部通道114可在内部容积130的下部部分134处连接到内部容积130。

脉冲压缩反应器100可另外包含弹簧活塞140和/或驱动活塞150。弹簧活塞140和驱动活塞150可定位在反应器壳体110的内部容积130内。驱动活塞150可包含第一头部152和第二头部154。第一头部152和第二头部154可通过杆156连接，使得第一头部152、第二头部154和杆156可形成一体。第一头部152、第二头部154和/或弹簧活塞140可各自具有圆柱形形状，如活塞在本领域中惯用的形状。杆156也可为圆柱形的，并且可具有比第一头部152和/或第二头部154小的直径。弹簧活塞140可完全定位在内部容积130的上部部分132内，而驱动活塞150可定位在内部容积130的上部部分132和下部部分134两者内。举例来说，第一头部152可定位在上部部分132内，而第二头部154可定位在下部部分134内。

弹簧活塞140和驱动活塞150在内部容积130中的定位可将内部容积130细分为多个室，如气体弹簧缓冲室162、反应室164、主驱动室166和副驱动室168。在这类实施例中，弹簧活塞140、驱动活塞150或两者的尺寸可与内部容积130的尺寸互补。举例来说，如图2中所描绘，弹簧活塞140的直径可仅略小于内部容积130的上部部分132的直径。弹簧活塞140可向上滑动至可在操作期间机械地抑制弹簧活塞140的向上运动的机械止动件133。第一头部152的直径也可仅略小于上部部分132的直径，并且第二头部154的直径可仅略小于内部容积130的下部部分134的直径。因此，弹簧活塞140可以可滑动地接合在内部容积130的上部部分132中，第一头部152可与内部容积130的上部部分132可滑动地接合，和/或第二头部154可与内部容积130的下部部分134可滑动地接合。

根据一个或多个实施例，内部容积130的定位在内部容积130和弹簧活塞140之间的部分可构成反应室164。即，内部容积130、弹簧活塞140和反应器壳体110(例如，转子122)可至少部分地限定反应室164的周边。气体弹簧缓冲室162可至少部分地由反应器壳体110(例如，转子122)和弹簧活塞140限定。气体弹簧缓冲室162在脉冲压缩反应器100的整个操作过程中可含有固定量的气体，使得随着压力在反应室164中累积，弹簧活塞140可具有弹簧功能。

根据一个或多个实施例，主驱动室166的周边可由反应器壳体110(例如，转子122)和驱动活塞150(例如，驱动活塞150的第二头部154)中的一个或多个限定。如图1所示，在一些实施例中，脉冲压缩反应器100可包括对称反应室164、弹簧活塞140、驱动活塞150等。这类设计可为期望的，以使在脉冲压缩反应器100的操作期间引起的振动降到最低。在这类实施例中，两个驱动活塞150可限定主驱动室166的周边。然而，在额外实施例中，脉冲压缩反应器100中可仅包括一个驱动活塞150，并且内部容积130的底部可限定主驱动室166的边缘。

驱动活塞150和内部容积130的轮廓可形成副驱动室168。副驱动室168的周边可至少部分地由驱动活塞150的第一头部152、驱动活塞150的第二头部154、驱动活塞150的杆156和反应器壳体110(例如，转子122)限定。当反应器壳体110包括具有不同直径的上部部分132和下部部分134时，随着驱动活塞150在内部容积130内平移，副驱动室168的容积可改变。

弹簧活塞140和/或驱动活塞150可在内部容积130内平移。举例来说，在图1和2中，弹簧活塞140和/或驱动活塞150可在竖直方向上(即，在图2中上下)移动。这类移动可由气体弹簧缓冲室162、反应室164、主驱动室166和/或副驱动室168内的压力差引起。因此，应理解，随着弹簧活塞140和/或驱动活塞150沿内部容积130的路径平移，室(如气体弹簧缓冲室162、反应室164、主驱动室166和/或副驱动室168)可改变位置。应注意，取决于驱动活塞150的位置，上部通道112可与反应室164或副驱动室168流体连通。下部通道114可始终保持与主驱动室166流体连通。

根据一个或多个实施例，脉冲压缩反应器100可通常通过经由上部通道112和下部通道114将气体(反应物或其它处理气体)注射到内部容积130的各个室中来进行操作。在实施例中，脉冲压缩反应器100可穿过上部通道112将反应物气体接收到反应室164中，这可使弹簧活塞140远离驱动活塞150平移。这可使反应室164的容积膨胀。然后，脉冲压缩反应器100可穿过下部通道114将驱动气体接收到主驱动室166中，这可使驱动活塞150朝向弹簧活塞140平移。这可减小反应室164的容积，并且引起反应室164中的温度和/或压力增加。在一个或多个实施例中，当驱动活塞150朝向弹簧活塞140平移时，副驱动室168中的气体可通过上部通道112从副驱动室168流出。一旦反应室164已经膨胀(即，减压)，产生的产物气体就可接着从反应室164传递通过上部通道112。驱动活塞150在远离弹簧活塞140的方向上的平移(使反应室164膨胀)可由穿过上部通道112接收到副驱动室168中的淬灭气体引起或辅助。随着驱动活塞150远离弹簧活塞140移动，主驱动室166中存在的气体可经由下部通道114从主驱动室166排出，从而降低主驱动室166中的压力并且引起其容积收缩。

脉冲压缩反应器100的一个或多个实施例的操作在图3-10中描绘。图3-10中的每一个包括“A”、“B”和“C”图。图3A-10A描绘在上部通道112处穿过内部容积130的上部部分132的脉冲压缩反应器100的横截面俯视图。图3B-10B描绘在下部通道114处穿过内部容积130的下部部分134的脉冲压缩反应器100的横截面俯视图。图3C-10C描绘在转子122的旋转的每个阶段的活塞位置。图3C-10C描绘线“A”和“B”以分别示出图3A-10A和3B-10B的横截面视图的平面。在图3C-10C中的每一个中，转子122移动等于一圈的八分之一的一个“阶段”。随着转子122旋转，上部通道112和下部通道114与定子124中的不同通道对准，从而允许流体连通。通常，图3-10中的箭头描绘脉冲压缩反应器100内的处理气体的总体流动。应注意，在图3A-10A和3B-10B中未描绘弹簧活塞140和驱动活塞150。还应注意，本文描绘的实施例包括两个上部通道112和两个下部通道114。然而，其它实施例可包括一个、三个或甚至更多个上部通道112和/或下部通道114。额外的上部通道112或下部通道114的存在可改变定子124的通道的配置(例如，每个阶段的旋转度数)，但是本文所涵盖的实施例不限于特定数量的上部通道112或下部通道114。在图3A-10A和3B-10B中，定子124中通道末端的圆圈指示定子124的进入/离开。举例来说，这些圆圈可代表通向外部供应处理气体、反应物气体或产物气体的通道。

现在参考图3A、3B和3C，根据一个或多个实施例描绘脉冲压缩反应器100的操作的第一阶段。上部通道112不与定子124的通道中的任一个对准，并且下部通道114不与定子124的通道中的任一个对准。驱动活塞150处于其最低位置，并且弹簧活塞140也处于其最低位置。

操作的第二阶段在图4A-4C中描绘，其中转子122已经旋转一圈的八分之一。在第二阶段中，上部通道112可与定子124的反应物气体通道172对准。反应物气体通道172和上部通道112的对准可允许反应物气体流入内部容积130的反应室124中。当反应物气体传递到内部容积130中时，弹簧活塞140可被向上(即，在远离驱动活塞150的方向上)推动，从而引起反应室164的容积膨胀。弹簧活塞140可为浮动活塞，其移动以通过调节气体弹簧缓冲室162和反应室164的容积来平衡它们中的压力。第二阶段可被称为脉冲压缩反应器100的操作的填充阶段。

现在参考图5A-5C，描绘第三阶段。弹簧活塞140处于其最向上的位置，而驱动活塞150相对于第二阶段尚未移动。此时，反应室164具有其最大容积。上部通道112和下部通道114不与定子124的任何通道对准。

在图6A-6C中所描绘的第四阶段中，下部通道114可与定子124的驱动气体入口通道174对准。在转子122的下部通道114和定子124的驱动气体入口通道174对准期间，驱动气体可进入内部容积130的主驱动室168。驱动气体通常可为任何压缩气体，使得其压力大于反应室164的压力。在一些实施例中，驱动气体可为压缩反应物或产物气体。在其它实施例中，驱动气体可包含但不限于空气、蒸汽或氩气中的一种或多种。驱动气体可填充主驱动室166并且向上(即，在朝向弹簧活塞140的方向上)驱动驱动活塞150

在图7A-7C中所描绘的第五阶段中，下部通道114也与定子124的驱动气体入口通道174对准。与第四阶段一样，驱动气体可经由定子124的驱动气体入口通道174和转子122的下部通道114进入内部容积130。在第五阶段期间，驱动活塞150可继续在弹簧活塞140的方向上平移，从而减小反应室164的容积。另外，在第五阶段中，上部通道112可与定子124的气体释放通道176对准。气体释放通道176与内部容积130的流体连通可允许气体穿过上部通道112从副驱动室168排出。驱动活塞150的移动允许上部通道112在第五阶段期间与副驱动室168而不是反应室164流体连通。排出副驱动室168中的气体可允许驱动活塞150的移动中的阻力减小。这是由内部容积130和驱动活塞150的几何形状引起的，其中随着驱动活塞150向上移动，副驱动室168的容积减小。

现在参考图8A-8C，描绘第六阶段。在第六阶段中，反应室164处于完全收缩状态(即，其最小容积)，从而引起有助于化学反应的反应条件，如高温和高压。弹簧活塞140保持在其最向上的位置，而驱动活塞150移动到其最向上的位置。应理解，在一个或多个实施例中，一个或多个室的压力条件，如压力平衡，使驱动活塞150的移动停止(即，驱动活塞150不因其与内部容积130的下部部分134的顶部接触而停止)。在第六阶段(即，完全收缩)中的反应室164的容积可为在第三阶段(即，完全膨胀)中的反应室164的容积的10％或更小、5％或更小、1％或更小、0.5％或更小或甚至0.1％或更小。在第六阶段期间，上部通道112不与定子124中的任何通道对准，并且下部通道114不与定子124中的任何通道对准。

在图9A-9C中所描绘的第七阶段中，下部通道114与定子124的驱动气体释放通道178对准，而上部通道112不与定子124的任何通道对准。在第七阶段(有时称为淬灭阶段)期间，定子124的驱动气体释放通道178允许驱动气体从主驱动室166排出。驱动气体从主驱动室166排出允许驱动活塞150在远离弹簧活塞140的方向上移动，由此使反应室164膨胀。另外，在第七阶段期间，存储在上部通道112中的气体可传递到副驱动室168中，从而允许驱动活塞150更容易向下平移。

在第八阶段中，其可为再循环回到第一阶段之前的最后阶段，上部通道112与定子124的产物气体通道180对准，这使产物气体从反应室164排出。在第八阶段期间，下部通道114可不与定子124中的任何通道对准。弹簧活塞140可在朝向驱动活塞150的方向上平移，使得弹簧活塞140返回到其在第一阶段的位置。弹簧活塞140的向下运动(至如第一阶段所示的最终位置)可用于至少部分地排空反应室164。反应室164中产物气体的这种排空可减少反应室164中产物气体与反应物气体之间的混合量。在不受理论束缚的情况下，据信压缩后在反应室164中较少的排空(可以引起反应物流和产物流之间的混合增加)可导致不希望的效果，例如产物气体被多次反应，这可形成不想要的副反应。多次处理反应产物可降低反应选择性，这可导致脉冲压缩反应器下游的更昂贵和能量密集的分离过程。

在一个或多个实施例中，弹簧活塞140和/或驱动活塞150可以至少1Hz、至少10Hz、至少100Hz或甚至至少400Hz的速度操作。在实施例中，转子122可以至少1Hz、至少10Hz、至少100Hz或甚至至少400Hz的速度旋转。可通过转子122的移动来控制脉冲压缩反应器100的操作，并且可基于转子122的旋转的开始或停止来开始或停止反应。

根据一个或多个实施例，转子122可以一定的角度方向旋转，并且脉冲压缩反应器100的一个或多个活塞(如弹簧活塞140和/或驱动活塞150)可以相同的角度方向旋转。弹簧活塞140和/或驱动活塞150可为气体润滑的(例如，不需要液体润滑剂)。转子122的移动可引起弹簧活塞140和/或驱动活塞150以大约等于转子122角速度的角速度旋转。然而，已经观察到，当弹簧活塞140和/或驱动活塞150以与转子122相同的角速度旋转时，转子122、弹簧活塞140或驱动活塞150可经历增加的磨损，从而可最终在操作期间在脉冲压缩反应器100内引起机械问题。举例来说，增加的器具可允许气体在室之间(如，在气体弹簧缓冲室162与反应室164之间、在反应室164与副驱动室168之间或在主驱动室166与副驱动室168之间)传递。这种气体泄漏为不期望的，因为这可导致脉冲压缩反应器100的操作效率低下。

根据一个或多个实施例，转子122可以非恒定角速度来进行操作。在这类实施例中，弹簧活塞140和/或驱动活塞150可不以与转子122相同的速率旋转，从而避免那些零件的机械退化。举例来说，当转子122的角速度改变时，弹簧活塞140和/或驱动活塞150可以与转子122不同的速度旋转并且不可“追上”转子122的角速度。即，在不受理论束缚的情况下，据信由于弹簧活塞140和/或驱动活塞150花费一些时间来与转子122对准旋转(至少部分地基于旋转惯性)，因此如果转子122以非恒定角速度旋转时，弹簧活塞140和/或驱动活塞150的角速度将落后于转子122的角速度。各种机械驱动设备可用于以非恒定角速度平移转子122。举例来说，但不限于，电动机上的变速驱动可用于以非恒定速度平移转子122。如本文所述，非恒定速度是指在转子循环内改变的速度。举例来说，循环内的至少一个角速度不同于所述循环内的至少一个其它角速度。在一个或多个实施例中，转子122的角速度可为正弦的。在额外实施例中，转子122的角速度在循环的一部分中可为恒定的，并且对于循环的另一部分改变为另一恒定角速度。

根据一个或多个实施例，反应气体可选自甲烷、氮气、一氧化碳或二氧化碳中的一种或多种。反应室164内的条件可包括高压和/或高温。举例来说，当反应室164具有其最小容积时，反应室164中的压力可为至少50MPa、至少100MPa、至少200MPa或甚至至少300MPa，和/或温度可为至少500℃、至少1000℃、至少2000℃或甚至至少3000℃。产物流可包括但不限于甲烷、乙烯、乙炔、直链烃(如包括烷烃、烯烃和/或炔烃的C1-C8)或氢气中的一种或多种。

根据一个或多个实施例，反应物流可包含甲烷(如至少20wt％、至少30wt％、至少40wt％、至少50wt％、至少60wt％、至少70wt％、至少80wt％、至少90wt％、至少95wt％或甚至至少99wt％的甲烷)。由含甲烷的反应物流产生的产物流可包含乙烯(例如2wt％至30wt％)、乙炔(例如2wt％至30wt％)或来自C1-C8的直链烃(例如3wt％至40wt％)中的一种或多种。一些甲烷可以例如10wt％至40wt％的量残留在产物流(即，未转化的甲烷)中。根据一些实施例，如当将甲烷用作反应物时，反应可为吸热的。在一些实施例中，反应可为吸热的，并且在其它实施例中，反应可为放热的。本发明所公开的脉冲压缩反应器可在两种类型的反应下起作用。

根据额外实施例，用于操作脉冲压缩反应器100的方法可包含如关于图3-10所述的阀和气体的移动。在实施例中，方法可包括供应或利用本文所述的脉冲压缩反应器100的实施例中的任一个。用于操作脉冲压缩反应器100的方法可包括以下一种或多种：(a)使反应物气体从反应物气体通道172传递并且穿过上部通道112并且进入内部容积130的反应室164，这可引起弹簧活塞140在与驱动活塞150相反的方向上移动；(b)使驱动气体从定子124的驱动气体入口通道174传递并且穿过下部通道114并且进入内部容积130的主驱动室166，这可引起驱动活塞150在朝向弹簧活塞140的方向上移动；(c)使气体从内部容积130的副驱动室168传递并且穿过上部通道112并且进入定子124的气体释放通道176，这可允许驱动活塞150在朝向弹簧阀140的方向上移动中的阻力减小；(d)使驱动气体从内部容积130的主驱动室166传递并且穿过下部通道114并且进入定子124的释放通道178，这可引起驱动活塞150在与弹簧阀140相反的方向上移动；和/或(e)使产物气体从内部容积130的反应室164传递并且穿过上部通道112并且进入定子124的产物气体通道180。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变型。因为本领域的技术人员可进行并入本发明的精神和实质的所公开的实施例的修改组合、子组合和变化，所以本发明应被解释为包括在所附权利要求书和其等效物的范围内的所有事物。

本申请可包括当前描述的多个非限制性方面。根据第一方面，一种脉冲压缩反应器，其可包含：限定内部容积的反应器壳体，所述反应器壳体包含通向所述内部容积的第一通道和第二通道；定位在所述内部容积内的弹簧活塞，其中所述弹簧活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的气体弹簧缓冲室的周边；和定位在所述内部容积内的驱动活塞，其中所述弹簧活塞、所述驱动活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的反应室的周边，并且其中所述驱动活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的主驱动室的周边；其中所述脉冲压缩反应器为可操作的以穿过所述第一通道将反应物气体接收到所述反应室中，穿过所述第二通道将驱动气体接收到所述主驱动室中，并且使由来自所述反应室的产物气体形成的反应物气体传递通过所述第一通道，所述接收驱动气体使所述驱动活塞朝向所述弹簧活塞平移。

根据第二方面，一种脉冲压缩反应器，其可包含：包含转子和定子的反应器壳体，所述转子包含内部容积，其中所述转子在所述反应器壳体的径向轴线上旋转，并且其中所述转子包含与所述内部容积流体连通的至少第一通道；和定位在所述内部容积中并且适于在所述径向轴线的方向上平移的一个或多个活塞；其中当所述转子在所述径向轴线上旋转时，所述第一通道与所述定子中的一个或多个通道对准，以允许所述定子与所述内部容积之间的流体连通。

根据第三方面，一种脉冲压缩反应器，其可包含：包含转子和定子的反应器壳体，所述转子包含内部容积，其中所述转子在所述反应器壳体的径向轴线上旋转，并且其中所述转子包含与所述内部容积流体连通的至少第一通道；定位在所述内部容积中并且适于在所述径向轴线的方向上平移的一个或多个活塞；其中所述转子以一定的角度方向旋转并且所述一个或多个活塞以相同的角度方向旋转，并且其中所述转子以非恒定速度旋转。

第四方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中当所述反应室接收所述反应物气体时，所述弹簧活塞在远离所述驱动活塞的方向上平移，使得所述反应室的容积膨胀。

第五方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中当所述驱动室接收所述驱动气体时，所述驱动活塞在朝向所述弹簧活塞的方向上平移，使得所述反应室的容积收缩。

第六方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述驱动活塞包含第一头部和第二头部，所述第二头部的直径大于所述第一头部的直径，所述第一头部和第二头部通过杆连接，并且其中所述第一头部、所述第二头部、所述杆和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的副驱动室的周边。

第七方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述内部容积包含圆柱形的第一部分和与第一部分相邻的圆柱形的第二部分，所述第一部分的直径小于第二部分的直径，并且其中所述驱动活塞的所述第一头部定位在所述内部容积的所述第一部分内，并且所述驱动活塞的所述第二头部定位在所述内部容积的所述第二部分内。

第八方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中当所述驱动活塞朝向所述弹簧活塞平移时，所述副驱动室中的气体通过所述第一通道从所述副驱动室流出。

第九方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述反应器为可操作的以穿过所述第一通道将淬灭气体接收到所述副驱动室中。

第十方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中当所述副驱动室接收所述淬灭气体时，所述驱动活塞在远离所述弹簧活塞的方向上平移，使得所述反应室的容积膨胀。

第十一方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中当所述产物气体从所述反应室传递通过所述第一通道时，所述弹簧活塞在朝向所述驱动活塞的方向上平移，使得所述弹簧活塞的移动至少部分地从所述反应室排出所述产物气体。

第十二方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述定子包含反应物气体通道，并且当所述定子的所述反应物气体通道与所述转子的所述第一通道对准时，反应物气体进入所述内部容积。

第十三方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述一个或多个活塞包含弹簧活塞，所述弹簧活塞在所述反应物气体进入所述内部容积时平移。

第十四方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述转子包含第二通道，并且当所述定子的所述第二通道与所述转子的驱动气体入口通道对准时，驱动气体进入所述内部容积。

第十五方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述一个或多个活塞包含驱动活塞，所述驱动活塞在所述驱动气体进入所述内部容积时平移。

第十六方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述定子包含产物气体通道，并且当所述定子的所述产物气体通道与所述转子的所述第一通道对准时，产物气体离开所述内部容积。

第十七方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述转子包含第二通道，并且其中所述定子包含驱动气体释放通道，并且当所述定子的所述驱动气体释放通道与所述转子的所述第二通道对准时，驱动气体离开所述内部容积。

第十八方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述一个或多个活塞以非恒定速度旋转。

第十九方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中所述转子包含与所述内部容积流体连通的至少第一通道。

第二十方面可以包括前述方面中任一项所述的脉冲压缩反应器，其中当所述转子在所述径向轴线上旋转时，所述第一通道与所述定子中的一个或多个通道对准，以允许所述定子与所述内部容积之间的流体连通。

Claims (13)

1.一种脉冲压缩反应器，其包含：

限定内部容积的反应器壳体，所述反应器壳体包含通向所述内部容积的第一通道和第二通道；

定位在所述内部容积内的弹簧活塞，其中所述弹簧活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的气体弹簧缓冲室的周边；和

定位在所述内部容积内的驱动活塞，其中所述弹簧活塞、所述驱动活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的反应室的周边，并且其中所述驱动活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的主驱动室的周边；

其中所述脉冲压缩反应器为可操作的以穿过所述第一通道将反应物气体接收到所述反应室中，穿过所述第二通道将驱动气体接收到所述主驱动室中，并且使由来自所述反应室的反应物气体形成的产物气体传递通过所述第一通道，接收驱动气体使所述驱动活塞朝向所述弹簧活塞平移；并且

其中当所述产物气体从所述反应室传递通过所述第一通道时，所述弹簧活塞在朝向所述驱动活塞的方向上平移，使得所述弹簧活塞的移动至少部分地从所述反应室排出所述产物气体。

2.根据权利要求1所述的脉冲压缩反应器，其中当所述反应室接收所述反应物气体时，所述弹簧活塞在远离所述驱动活塞的方向上平移，使得所述反应室的容积膨胀。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲压缩反应器，其中当所述驱动室接收所述驱动气体时，所述驱动活塞在朝向所述弹簧活塞的方向上平移，使得所述反应室的容积收缩。

4.根据权利要求1或2所述的脉冲压缩反应器，其中所述驱动活塞包含第一头部和第二头部，所述第二头部的直径大于所述第一头部的直径，所述第一头部和第二头部通过杆连接，并且其中所述第一头部、所述第二头部、所述杆和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的副驱动室的周边。

5.根据权利要求4所述的脉冲压缩反应器，其中所述反应器为可操作的以穿过所述第一通道将淬灭气体接收到所述副驱动室中。

6.一种脉冲压缩反应器，其包含：

包含转子和定子的反应器壳体，所述转子包含内部容积，其中所述转子在所述反应器壳体的径向轴线上旋转，并且其中所述转子包含与所述内部容积流体连通的至少第一通道，并且所述定子包含一个或多个通道；

定位在所述反应器壳体的内部容积内的弹簧活塞，其中所述弹簧活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的气体弹簧缓冲室的周边；和

定位在所述内部容积中并且适于在所述径向轴线的方向上平移的驱动活塞，其中所述弹簧活塞、所述驱动活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的反应室的周边；

其中当所述转子在所述径向轴线上旋转时，所述第一通道与所述定子中的所述一个或多个通道对准，以允许所述定子与所述内部容积之间的流体连通；并且

其中当产物气体从所述反应室传递通过所述第一通道时，所述弹簧活塞在朝向所述驱动活塞的方向上平移，使得所述弹簧活塞的移动至少部分地从所述反应室排出所述产物气体。

7.根据权利要求6所述的脉冲压缩反应器，其中所述定子包含反应物气体通道，并且当所述定子的所述反应物气体通道与所述转子的所述第一通道对准时，反应物气体进入所述内部容积。

8.根据权利要求6或7所述的脉冲压缩反应器，其中所述转子包含第二通道，并且当所述定子的所述第二通道与所述转子的驱动气体入口通道对准时，驱动气体进入所述内部容积。

9.根据权利要求6或7所述的脉冲压缩反应器，其中所述定子包含产物气体通道，并且当所述定子的所述产物气体通道与所述转子的所述第一通道对准时，产物气体离开所述内部容积。

10.根据权利要求9所述的脉冲压缩反应器，其中所述转子包含第二通道，并且其中所述定子包含驱动气体释放通道，并且当所述定子的所述驱动气体释放通道与所述转子的所述第二通道对准时，驱动气体离开所述内部容积。

11.一种脉冲压缩反应器，其包含：

包含转子和定子的反应器壳体，所述转子包含内部容积，其中所述转子在所述反应器壳体的径向轴线上旋转，并且其中所述转子包含与所述内部容积流体连通的至少第一通道；

定位在所述反应器壳体的内部容积内的弹簧活塞，其中所述弹簧活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的气体弹簧缓冲室的周边；

定位在所述内部容积中并且适于在所述径向轴线的方向上平移的驱动活塞，其中所述弹簧活塞、所述驱动活塞和所述反应器壳体至少部分地限定所述内部容积内的反应室的周边；和

以一定的角度方向旋转所述转子的电动机，并且一个或多个活塞以相同的角度方向旋转，并且其中所述转子以非恒定速度旋转；

其中当产物气体从所述反应室传递通过所述第一通道时，所述弹簧活塞在朝向所述驱动活塞的方向上平移，使得所述弹簧活塞的移动至少部分地从所述反应室排出所述产物气体。

12.根据权利要求11所述的脉冲压缩反应器，其中所述驱动活塞和所述弹簧活塞以非恒定速度旋转。

13.根据权利要求11所述的脉冲压缩反应器，其中当所述转子在所述径向轴线上旋转时，所述第一通道与所述定子中的一个或多个通道对准，以允许所述定子与所述内部容积之间的流体连通。

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