CN112512680A - 液态烃中的浸没式甲烷和氢气混合物放电 - Google Patents

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Abstract

一种使用包括甲烷和氢气的载气将液态烃材料裂化为轻质烃馏分的方法和设备。

Description

液态烃中的浸没式甲烷和氢气混合物放电
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年4月20日提交的名称为“液态烃中的浸没式甲烷和氢气混合物放电(SUBMERGED METHANE AND HYDROGEN MIXTURE DISCHARGE IN LIQUIDHYDROCARBONS)”的美国临时专利申请第62/660,725号的优先权，并且其通过引用整体并入本文。
技术领域
本技术整体上涉及一种气体中的高效电火花放电电路，以用于将重质液态烃经济地转化为较轻质的产物。
背景技术
石油和天然气工业被分为时间上的三个阶段：上游、中游和下游。上游阶段涉及勘探和生产部分。其涉及从地下或水下领域搜索、生产和回收原油和/或天然气。其还涵盖了钻井过程和对井操作的过程，这些过程用于回收原油和原料气并将它们带到地面。勘探包括进行地质和地球物理勘测、寻找潜在的地下或水下原油和天然气田、获得租赁权和钻井许可以及整个钻井过程。
中游阶段涉及原油或精炼石油产品的运输，通常通过管道、油轮、驳船、卡车或铁路进行。最终目的地是炼油厂，然后开始下游过程。中游阶段还包括存储这些产品以及任何批发营销活动。由于其中间位置，中游阶段也可以包括上游和下游的要素。例如，中游阶段可能包括天然气加工厂，这些工厂净化原始天然气，并去除和生产单质硫和液化天然气(NGL)作为最终产品。
近来，由于原油价格上涨、中轻质原油储量下降以及充裕的非常规原油，重质原油和沥青储量的开采受到了极大的青睐。然而，重质原油和沥青在其生产和在将其运输到炼油厂方面都需要克服多重挑战。由于其高密度和高粘度(>1000cP)以及在储层温度下的低迁移率，很难通过管道运输重质原油。此外，诸如沥青质沉积、重金属、硫和盐水或盐之类的污染物使得难以使用常规精炼方法进行运输和精炼[1]。重质原油中盐水或盐的存在会导致管道腐蚀。在某些情况下，其可能会导致形成乳液，例如油水混合物，从而使运输变得困难[2]。由于重质原油的重分子量和高粘度，沿管道的高压降预计会使其昂贵且耗能。此外，沥青质沉积情况会堵塞壁面，从而减小了可用于油流的横截面积。
因此，为了解决这些问题并运输重质原油，需要进行进一步的处理。它们包括：
·降低粘度，例如预热重质原油和沥青，然后加热管道、共混并用轻质烃或溶剂稀释。共混混合物的粘度由所添加的稀释剂及其比例决定。重质原油的稀释需要两条管道，一条用于油，另一条用于稀释剂，这进一步增加了额外的成本。
·通过形成水包油进行乳化
·减小阻力/摩擦(例如，通过使用芯环流、减阻添加剂实现的管道润滑)，以及
·重质原油的原地部分提质，以生产具有改进的粘度、美国石油学会(API)比重度和最小化沥青质、硫和重金属含量的合成原油[3]。
重油的部分提质涉及仅转化一部分减压渣油，并生产含有5％至25％渣油的合成原油(SCO)。它们的开发成本仅为完全提质成本的一半，但由于缺乏技术、与SCO的稳定性和经济性有关的问题而无法实现商业化。然而，在加拿大这样的国家中，由于其庞大的重质原油资源，部分提质正成为一种可行的选择。
下游阶段是石油和天然气工业的最后阶段。其包括石油原油的精炼以及原始天然气的加工和提纯。来自原油和天然气的产品的市场营销和分销也是该阶段的一部分。交付给普通消费者的产品包括汽油或汽油、煤油、喷气燃料、柴油、取暖油、燃料油、润滑剂、蜡、沥青、天然气和液化石油气(LPG)以及数百种石化产品。
在标准的炼油过程中，将原油脱盐并通过常压蒸馏，常压蒸馏根据沸点范围将其分离为多种馏分。常压渣油(AR)的截止温度为约350-360℃[4]。低于这些的馏分汽化并分离，而来自含有较长碳链的常压蒸馏的渣油需要在减压和高温下进一步蒸馏。因此，出现了减压蒸馏过程，其对于进一步对原油提质和提取油很重要。减压渣油(VR)的截止温度为约565℃[5]。
然而，尽管进行了AR和VR处理，但处理较重原油的炼油厂仍将有相当一部分进入的原油作为渣油(例如，在温度460℃下，劳埃德明斯特共混渣油(Lloydminster Blendresidue)为约50％)。因此，需要进一步的若干过程来裂化重油。当前，有几种可用于裂化原油的技术。其中，热裂化被认为是最有效的，并且被广泛用于将重质的较高分子量的烃转化为较轻质的较低分子量的馏分。
最常用的裂化技术是加氢裂化、流化催化裂化和延迟焦化。尽管所有这些裂化过程都具有某些优点，但它们也具有明显的缺点。一般优点包括能够大量生产从轻质航空煤油到重质燃料油的不同类型的燃料。
然而，目前采用的由原油合成较轻质燃料的方法的一个显著缺点是与该技术的实现相关的高财务成本。这些方法的资本和运营成本通常都很高。另外由于规模化扩大的经济性，所有热处理仅在相对于表面积较大体积情况下才是最有效的。据估计，全范围炼油厂的最低有效规模约为每天20万桶(MBD)原油产能。
特别地，现有技术是在工作介质的高温和高压下实现的，因此需要用于制造化学反应器和其他专用设备的特殊材料。例如，反应器通常由特殊等级的合金钢制成。增加这些过程的巨大成本的另一个因素是H2脆化及其质量控制。氢脆化是由于氢的引入和随后扩散到金属中而使氢化物形成金属(例如钛、钒、锆、钽和铌)变脆和断裂的过程。
单级加氢裂化器的操作条件为660°F至800°F，每天增加0.1°F至0.2°F以抵消催化剂活性的损失，以及压力范围为1,200至2,000磅/平方英寸(psig)[6]。燃油焦化器在910°F至930°F的温度下工作，典型压力为15psig。对于流化催化裂化器，反应器和再生器被认为是流化催化裂化单元的核心。该反应器处于约535℃的温度和约25psig的压力下，而用于催化剂的再生器在约1,320°F的温度和约35psig的压力下操作[7]。维持这些操作条件非常昂贵。
此外，诸如加氢裂化器的重整单元的资本成本非常昂贵。据估计，加氢裂化器所需的资本成本是常压蒸馏的5倍。例如，如果一个100,000桶/天的原油蒸馏单元的建造成本约为9,000万美元，那么其加氢裂化器(复杂度为5)将需要4.5亿美元来处理相同产能的油[8]。
另外，FCC工艺中使用的催化剂对原油中各种杂质的含量高度敏感。原油中硫的存在尤其导致催化剂的催化性能的快速降低。因此，需要对原料进行预处理(脱硫)，这增加了成本的负担。此外，FCC原料中存在的镍、钒、铁、铜和其他污染物，都对催化剂的活性和性能产生有害影响。镍和钒尤其麻烦。此外，为了维持FCC技术所需的活性水平，取出一些循环催化剂作为废催化剂并用新鲜催化剂代替它们，增加了该方法的操作成本。
等离子体化学方法使用各种类型的放电来产生等离子体。此类油裂化和重整的方法已经在各种专利和出版物中进行了描述。例如，美国专利公开第2005/0121366号公开了一种通过使放电直接通过液体来重整油的方法和设备。该方法的缺点是电极资源少并且在这些电极之间相关的点火火花失效的高可能性。由于油的高电阻，电极之间的距离要求非常小。例如，该距离可能为大约1mm。然而，电极间距离由于电极腐蚀而迅速增加，从而导致系统终止和/或故障。此外，在电极之间使用此类小间隙允许在任何给定时间仅处理非常小的样本大小。
美国专利第5,626,726号描述了一种油裂化方法，其使用液态烃材料与不同气体的非均质混合物，例如电弧放电等离子体的处理。该方法具有与上述小放电间隙相关的相同缺点，并且需要用于将气体与液体以及所得到的非均质悬浮液混合的特殊设备。通过连续电弧放电对混合物进行加热会导致大量能量损耗、烟灰形成增加以及低效率。
俄罗斯专利第2452763号描述了一种方法，其中在水中进行火花放电，并将来自放电的影响通过膜转移到气体与液态烃或油的非均质混合物中。这增加了电极放电间隙，增加了电极寿命，但是降低了火花放电对烃或油的影响的有效性。这是因为排除了等离子体放电与烃介质的大量直接接触。另外，通过使用非均质混合物制备设备和将已处理的介质与其中产生火花放电的水分离的装置，使用高压脉冲发生器的本来已经很复杂的结构就变得更加复杂。
美国专利公开第2010/0108492号和美国专利第7,931,785号描述了具有将重油转化为轻质烃馏分的高转化效率的方法。在这些方法中，将非均质的油-气介质暴露于电子束和非自保持放电。然而，所提出的方法的实际使用具有挑战性，因为除了复杂的非均质混合物制备系统之外，还需要电子加速器，该电子加速器具有在气-液高压混合物中输出加速器真空室的电子束的装置。电子加速器是一种复杂的技术装置，会显著增加资本成本和运营成本。另外，快速电子束的任何使用都伴有轫致辐射X射线。因此，整个装置需要适当的生物保护，进一步增加了成本。
可以添加等离子体化学反应器，作为所有原料的炼油厂提质技术。在炼油厂工艺中而不是在重油油田工艺中实施此类反应器，相对于现场实施而言，提供了一种简单且逐步的开发计划。这主要是因为要通过炼油厂中这些反应器的油已经经过多种预处理，例如脱水、脱盐和常压蒸馏。因此，与现场实施相比，整体处理将大大简化。炼油厂可以轻松提供线路电压电源和载气，而无需额外要求将它们包括在提质过程中。此外，这些反应器将不必满足现场对粘度、密度、烯烃含量和油稳定性的严格管道要求。
从炼油厂的角度来看，将会增加所需馏出物的产量，并减少焦化器和加氢裂化器的负荷，从而消除了工艺链的瓶颈。
发明内容
在一个方面，提供了一种使用火花放电将液态烃材料裂化为轻质烃馏分的方法，所述方法包括：使液态烃材料流过放电室并进入所述放电室内的电极间间隙，其中所述电极间间隙形成在具有第一端和第二端的负电极与具有第一端和第二端的正电极之间，其中在所述放电室中，所述负电极的所述第一端与所述正电极的所述第一端间隔开一定距离，所述距离限定电极间间隙。所述方法进一步包括：当所述液态烃材料进入所述电极间间隙时，将包含氢气(H2)和甲烷的载气注入所述液态烃材料，以形成气-液烃混合物；以及在足以实现所述火花放电的电压下使所述气-液烃混合物经受所述电极之间的电流。所述负电极的所述第二端和所述正电极的所述第二端连接到电容器；并且所述电容器被充电至等于或大于所述载气的击穿电压的电压。
在一些实施例中，所述载气由氢气(H2)和甲烷组成。在一些实施例中，所述载气为15％v/v至30％v/v的氢气。
在一些实施例中，所述火花放电为脉冲火花放电。
在一些实施例中，所述方法进一步包括回收由所述气-液烃混合物上的所述脉冲火花放电产生的所述轻质烃馏分。
在一些实施例中，所述轻质烃馏分具有小于100cP的粘度。在一些实施例中，所述轻质烃馏分具有大于30的API比重度。
在一些实施例中，所述轻质烃馏分的平均氢原子与碳原子之比为2至2.5。
在一些实施例中，在将所述载气注入所述液态烃期间，所述载气中氢气和/或甲烷的浓度随时间变化。在一些实施例中，注入到所述液态烃中的载气从所述气-液烃混合物中循环。
在另一方面，提供了一种用于将液态烃材料转化为轻质烃馏分的设备，其中所述设备包括：火花放电室，所述火花放电室包括具有第一端和第二端的负电极以及具有第一端和第二端的正电极，其中所述负电极的所述第一端与所述正电极的所述第一端相距一定距离，其中所述距离限定电极间间隙，并且其中所述负电极的所述第二端和所述正电极的所述第二端连接到电容器。所述设备还包括载气入口，所述载气入口用于将包含氢气和甲烷的载气输送到所述液态烃材料。所述设备还包括入口，所述入口被配置为将液态烃材料输送到所述火花放电室中。所述设备还包括出口，所述出口被配置为将所述轻质烃馏分输送出所述火花放电室。在一些实施例中，所述载气为15％v/v至30％v/v的氢气。
附图说明
图1：示出了根据可能的实施例的用于利用脉冲放电处理矿物油的油处理反应器的照片。
图2：示出了根据可能的实施例的具有电路的反应器的示意图，该反应器用于以连续流模式处理不同的油。
图3：示出了根据可能的实施例的通过本公开的方法和设备用各种载气氢气和甲烷混合物处理的矿物油样品的照片。
图4：示出了根据可能的实施例的如本文所述用于用氢气和甲烷处理矿物油的顶部电极的照片。
图5：示出了根据可能的实施例的GC-MS结果的图，显示了用氢气和氩气处理的十六烷的强度与时间的关系。
具体实施方式
在已经公开的那些有益效果和改进中，根据结合附图进行的以下描述，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅是例示说明性的，并且可以以各种形式体现。另外，结合各种实施例给出的每个示例旨在作为例示说明性的，而非限制性的。相关领域中的且掌握本公开的技术人员正常可以想到的对本文中所例示说明的特征的改变和进一步的修改以及对本文中所例示说明的原理的任何附加应用应当被认为也在本公开的范围内。
在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另外明确指出，否则以下术语具有本文明确关联的含义。本文中使用的短语“在一个方面”和“在一些方面”等虽然可以但并不一定是指相同的实施例。此外，本文中使用的短语“在另一方面”和“在一些其他方面”虽然可以但并不一定是指不同的方面(实施例)。因此，如下所述，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以容易地组合本发明的各个方面(实施例)。
另外，如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则术语“或”是包含性的“或”运算符，并且等同于术语“和/或”。术语“基于”不是排他性的，并且允许基于未描述的其他因素，除非上下文另有明确规定。另外，在整个说明书中，“一”、“一个”和“所述”的含义包括复数引用。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
如本文所使用的，“约”可以被本领域普通技术人员理解，并且可以在一定程度上根据其使用的背景而变化。如果存在本领域普通技术人员不清楚的术语使用，则鉴于使用其的背景，“约”表示特定术语的加减10％。
在描述要素的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)术语“一”、“一个”和“所述”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文中另外指出或与上下文明显矛盾。除非本文中另外指出，否则本文中对数值范围的叙述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独的值并入本说明书中，如同其在本文中单独引用一样。除非本文中另外指出或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。除非另外说明，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明实施例，并且不对权利要求的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为指示任何未要求保护的要素为必不可少的。
如本文所用，术语“液态烃材料”是指在大气条件下呈液态的那些烃化合物及其混合物。液态烃材料可任选地具有悬浮在其中的固体。液态烃材料可以包含其他常规添加剂，包括但不限于流动改进剂、抗静电剂、抗氧化剂、蜡防沉剂、腐蚀抑制剂、无灰清净剂、抗爆剂、点火改进剂、除雾剂、除臭剂、管道减阻剂、润滑剂、十六烷值改进剂、火花助剂、阀座防护化合物、合成或矿物油载液和消泡剂。示例性的液态烃材料包括但不限于矿物油；石油产品，例如原油、汽油、煤油和燃料油；直链和支链石蜡烃；环烷烃；单烯烃；二烯烃；烯烃；以及芳族烃，例如苯、甲苯和二甲苯。
如本文所使用的，术语“裂化”是指其中通过断裂起始的较长链烃中的碳-碳键，将较长链或较重质量的烃断裂为较短链和较轻质量的烃的过程。
如本文所使用的，“放电”、“火花放电”、“电放电”等是指当电场通过包括气体的正常绝缘介质产生电离导电通道时在两个电极之间产生的突然放电。
如本文所使用的，“目标输入能量”是指当过程有利可图时在过程期间的能量输入，例如200kJ/kg。在本文所述的方法或设备的一些实施例中，能量输入为约1,000kJ/kg。
本技术涉及将含有重质烃分子的液体加工成较轻质的液体和/或气态馏分的领域。通过使用注入到液态重油中的载气流以形成混合物，然后通过放电使混合物电离，本技术可用于将液态重油裂化为较轻质的烃馏分。本技术可以有效地应用于将重油有效转化为轻质烃，同时最大限度地减少非期望固体的产生。
浸入油中的气泡内部的放电可用于改变原油或其他烃的化学结构。取决于气体的特性和放电性质，可以增加或减少烃的价值。诸如低能量和持续时间短的高压脉冲之类的电气技术有时不足以确保放电过程是有益的。对气体混合物的控制会显著影响放电行为和整个等离子体化学过程。例如，在增加API比重度和降低重质原油的粘度的应用中，显示出甲烷放电中的气体放电是有益的。放电将产生可与液态烃反应的反应性物质，从而有效增加分子中总的氢与碳之比。然而，甲烷放电可能导致形成纳米颗粒和微粒碳颗粒，这通常并非是所期望的。将氢气添加到浸没式火花放电中有助于减少反应区中的固体生成。然而，气体混合物中过量的氢气减轻了固体产物还原的影响，并且可能对烃的性质产生不利影响。仔细选择气体混合物可确保获得最有益的效果，同时还结合了窄范围的气体流量和放电特性。该放电氢化过程适用于原油和其他炼油中间体以及其他烃。
烃中的该浸没式气体混合物放电可用于原油提质塔中。液态烃中的浸没式气体混合物放电将产生更轻的液态烃物质和更少的固体。所产生的物质可以用作稀释剂，以与原料本地共混并降低混合物的粘度。
该浸没式气体混合物放电的有益效果是作为稀释剂的较轻质物质在本地产生并且可以直接与原油共混，因此无需将稀释剂单独运送到管道中。其次，气体混合物放电使固体产生最小化或不产生固体。共混的原油更容易满足运输管道规格。该设计通常有助于减少或消除对外部稀释剂的需求，并提高所生产稀释剂的质量。该特定的气体混合物控制能使该方法可以在更广泛的放电和油特性范围内有效运行。
本公开的各种实施例使用浸没在液态烃中的甲烷和氢气混合物放电。气相中甲烷放电相对更好理解，并且会产生更长的链物质和固体。观察到甲烷和氢气混合物放电产生的固体少得多。尽管认为该机理是基于提供足够数量的氢自由基以改善反应选择性。本公开的实施例将甲烷和氢气的相互作用机理与浸没在重质烃材料中的短脉冲结合。在各种实施方式中，产物可能随着载气的不同而显著变化；例如，用氩气处理的十六烷可能产生大量的反应性物质，可以通过GC-MS进行鉴定，而在相似条件下用氢气或甲烷处理的十六烷可能生成的反应性物质要少得多。
该气体放电单元可以被内置到原油的连续流动系统中，从而使得原油在流经放电室时可以得到处理。该单元可以位于运输管道上游的油田上的生产井附近。如果提质油符合管道规格，则将进行运输或装运。气体混合物可以由共同产生的气体和来自反应器的循环气体制成。
当将氢气添加到气体混合物中时，在淹没式火花间隙中使用甲烷和氢气的混合物会限制固体的产生。还观察到产品的粘度降低。
方法
在一个方面，提供了一种使用火花放电将液态烃材料裂化为轻质烃馏分的方法，所述方法包括：使液态烃材料流过放电室并进入所述放电室内的电极间间隙，其中所述电极间间隙形成在具有第一端和第二端的负电极与具有第一端和第二端的正电极之间，其中在所述放电室中，所述负电极的第一端与所述正电极的第一端间隔开一定距离，所述距离限定电极间间隙；当所述液态烃材料进入所述电极间间隙时，将载气注入所述液态烃材料以形成气-液烃混合物；以及在足以实现所述火花放电的电压下使所述气-液烃混合物经受所述电极之间的电流；其中所述负电极的第二端和所述正电极的第二端连接到电容器。在一些实施例中，所述电容器被充电至等于或大于所述载气的击穿电压的电压。
在一些实施例中，液态烃材料包括原油。在一些实施例中，液态烃材料包括但不限于链烷烃、芳族化合物、环烷、环烷烃、烯烃、二烯和炔烃。液态烃材料的特征可以是碳原子总数(C)和/或碳原子之间单键(C-C)、双键(C＝C)或三键(C≡C)的数量。
多种烃气体可用于产生等离子体。甲烷或天然气的使用，不仅在破坏键合所需的能量方面是有益的，而且由于其相对较低的成本，因此是有益的。通过使用甲烷，确保C-H键断裂以产生氢自由基和甲基自由基，在终止步骤中，氢自由基和甲基自由基均可与较大的烃自由基结合。
非含氢气体(例如氮气、氦气、氖气、氩气和氙气)可与放电间隙中的氢供体气体一起使用。它们可以通过允许自由基彼此终止而不是与来自氢供体的氢原子终止，从而改变等离子体中的电和振动温度分布。在各种实施例中，可以通过使用非氢气体来改变产物的类型和产物选择性。
水和氨也可以在该方法中充当氢供体，除了它们包含的N和O元素可能与当前的精炼系统不兼容外。它们仍有可能作为氢供体气体与仍使用脉冲放电技术的其他系统一起使用。
在一些实施例中，载气包含C1-C3烃、天然气、氨、水、氮气(N2)、氦气、氩气、氖气、氪气和氙气中的一种或多种。在一些实施例中，载气包含具有氢键供体的气体。在一些实施例中，载气包含0.1％v/v至5％v/v的惰性气体。在一些实施例中，载气包含0.2％v/v至3％v/v的惰性气体。在一些实施例中，载气包含0.5％v/v至2％v/v的惰性气体。在一些实施例中，载气包含0.75％v/v至1.5％v/v的惰性气体。在一些实施例中，载气包含0.9％v/v至1.1％v/v的惰性气体。
在一些实施例中，载气包含氢气(H2)和甲烷(CH4)。在一些实施例中，氢气(H2)与甲烷的摩尔比为1:99至99:1。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为5:95至95:5。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为10:90至50:50。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为15:85至40:60。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为20:80至35:65。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为25:75至30:70。
在一些实施例中，载气为5％v/v至40％v/v的H2。在一些实施例中，载气为10％v/v至35％v/v的H2。在一些实施例中，载气为15％v/v至30％v/v的H2。在一些实施例中，载气为20％v/v至25％v/v的H2。
在一些实施例中，注入的载气中氢气与甲烷的摩尔比随时间变化。在一些实施例中，将注入的载气中的氢气和甲烷预混合。在一些实施例中，氢气和甲烷被分别注入。在一些实施例中，注入的氢气和甲烷被分别注入，并且它们注入的速率彼此独立并且任选地随时间变化。在一些实施例中，注入的载气从气-液烃混合物中循环。
在一些实施例中，将载气以0.005L/分钟至0.15L/分钟的速率注入液态烃材料中。在一些实施例中，将载气以0.01L/分钟至0.1L/分钟的速率注入液态烃材料中。在一些实施例中，将载气以0.012L/分钟至0.075L/分钟的速率注入液态烃材料中。在一些实施方式中，以0.01L/分钟至0.07L/分钟的速率注入甲烷。在一些实施方式中，以0.014L/分钟至0.06L/分钟的速率注入甲烷。在一些实施方式中，以0.019L/分钟至0.05L/分钟的速率注入甲烷。在一些实施方式中，以0.02L/分钟至0.04L/分钟的速率注入甲烷。在一些实施例中，以0.02L/分钟至0.07L/分钟注入氢气(H2)。在一些实施例中，以0.03L/分钟至0.05L/分钟注入氢气(H2)。在一些实施例中，以0.04L/分钟至0.045L/分钟注入氢气(H2)。
在一些实施例中，火花放电为具有一定脉冲频率的脉冲火花放电。在一些实施例中，脉冲频率为100Hz至200Hz。在一些实施例中，脉冲频率为15Hz至20Hz。在一些实施例中，脉冲频率为10Hz至15Hz。在一些实施例中，脉冲频率为5Hz至10Hz。在一些实施例中，脉冲频率为1Hz至5Hz。在一些实施例中，火花放电是连续的。在各种实施方式中，脉冲频率可以与方法规模化扩大有关。
在一些实施例中，该方法进一步包括在火花放电之后分析液态烃。在一些实施例中，该方法进一步包括分析轻质烃馏分。在一些实施例中，该分析是比色分析。在一些实施例中，分析方法是气相色谱(GC)质谱(MS)法(GCMS或GC-MS)。在一些实施例中，气相色谱电离检测器(GC-FID)作为分析方法。在一些实施例中，该方法进一步包括收集轻质烃馏分。在一些实施例中，轻质烃馏分通过蒸馏收集。
参考图5，一个示例涉及利用氢气和氩气在十六烷中放电。氩气作为载气可以通过产生更多的能够与GC色谱柱强烈相互作用并随后由MS识别的反应性物质来显著改变产物。这些反应性物质可以是GC-MS系统可能无法识别的烃酸或自由基。甲烷或氢气作为载气可以产生较少的反应性物质。该方法还可以包括对产物质量和选择性的分析。在一些实施例中，该方法包括分析环状或支链烃产物。在一些实施例中，分析进一步包括分析产物的选择性。
在一些实施例中，轻质烃馏分具有0.5至100cP的粘度。在一些实施例中，轻质烃馏分具有0.5至10cP的粘度。
在一些实施例中，轻质烃馏分具有25至60的API比重度。在一些实施例中，轻质烃馏分具有40至60的API比重度。
在一些实施例中，轻质烃具有60g/mol至320g/mol的分子量。
在一些实施例中，液态烃材料包括1g至5g的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括5g至10g的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括10g至15g的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括15g至25g的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括25g至35g的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括大于35g的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括大于100g的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括大于1kg的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括大于100kg的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括大于1,000kg的质量。在一些实施例中，液态烃材料包括大于10,000kg的质量。
在一些实施例中，轻质烃馏分的平均氢原子与碳原子之比为2.01至2.05。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.05至2.1。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.1至2.2。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.2至2.3。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.3至2.4。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.4至2.5。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.5至2.6。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.6至2.7。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.7至2.8。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.8至2.9。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.9至3.0。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.0至3.1。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.1至3.2。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.2至3.3。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.3至3.4。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.4至3.5。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.5至3.6。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.6至3.7。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.7至3.8。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.8至3.9。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.9至4.0。
在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于285g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于271g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于257g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于243g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于229g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于215g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于201g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于187g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于173g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于159g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于145g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于131g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于117g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于103g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于89g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于75g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于61g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于47g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于33g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于19g/mol的烃。
在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于175℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于152℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于127℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于99℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于37℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于2℃的烃。在一些实施例中，新鲜的液态烃连续流过放电室。在一些实施例中，液态烃材料被再循环以重复地流过相同的放电室。
在一些实施例中，电极间间隙距离为约1mm至100mm。在一些实施例中，电极间间隙距离为3mm至20mm。在一些实施例中，电极间间隙距离为6mm至15mm。在一些实施例中，电极间间隙距离小于10mm。在一些实施例中，电极间间隙距离小于5mm。在一些实施例中，电极间间隙距离小于1mm。
在一些实施例中，电容器被充电至10kV至100kV的电压。在一些实施例中，电容器被充电至20kV至80kV的电压。在一些实施例中，电容器被充电至30kV至50kV的电压。
在一些实施例中，载气的击穿电压为10kV至100kV。在一些实施例中，载气的击穿电压为10kV至40kV。
在不受理论束缚的情况下，在所公开的任何方法或实施例中，可以将具有高碳含量的液态烃材料裂解成具有较低碳含量的分子，以形成平均而言要比原料中的较重液态烃材料更轻的烃馏分(就分子量和沸点而言)。同样，在不受理论束缚的情况下，认为重分子的分裂是通过切断C-C键而发生的。对于这些分子，破坏C-C键所需的能量为约261.9kJ/mol。该能量明显小于破坏C-H键所需的能量(364.5kJ/mol)。
由该方法将不断进行，该方法的各个阶段或步骤可以同时发生或依次发生，使得随着产物轻质烃馏分从该室中排出，液态烃材料被不断地进料到放电室中。
在一些实施例中，该方法包括在电极间放电间隙中将火花放电等离子体生成为气体射流。载气的击穿电压将小于液体的击穿电压，因此，可以在相同的电压水平下使用气体射流来产生更长的放电间隙。通过增大电极间放电间隙，与此同时减少该方法对电极的腐蚀作用，会增加等离子体放电和液态烃材料之间的直接接触面积。在不期望受任何特定理论的束缚的情况下，认为在火花放电等离子体与电极间放电间隙中的液态烃材料接触时，液态烃材料迅速加热并蒸发以形成蒸气。因此，液态烃材料的分子与载气分子和其中形成的等离子体的颗粒混合。等离子体电子与烃分子碰撞，从而将其分解为具有一个不饱和键的较小分子，并且基本上是自由基，即具有自由键的分子的片段。自由基还由于快速移动的电子与在电极之间的等离子通道周围形成的液壁的直接相互作用而产生。
本领域已知的各种载气可用于本技术的方法和设备中。示例性载气包括但不限于氦气、氖气、氩气、氙气和氢气(H2)，以及其他气体。在一些实施例中，载气是含氢气体，例如但不限于水、蒸汽、纯氢、甲烷、天然气或其他气态烃。任何两种或更多种此类含氢气体的混合物可以用于任何所述的实施例中。此外，非含氢气体，例如但不限于氦气、氖气、氩气和氙气，可以用作任何含氢气体的稀释气体，或者其可以与液态烃材料一起使用，从而使自由基能够彼此终止而不是由载气中的氢原子终止。从形成一个游离氢原子的能量成本的角度来看，为了选择合适的载气，比较各种载气或含氢气体的离解能是必要的。因此，例如，破坏H2分子中氢原子之间的键合将需要约432kJ/mol。对于水蒸气，释放氢原子所需的能量为约495kJ/mol，而对于从诸如甲烷的烃分子中除去氢原子，则需要约364.5kJ/mol。
根据一些实施例，载气是甲烷。甲烷或天然气的使用，不仅在破坏键合所需的能量方面是有益的，而且由于其相对较低的成本，因此是有益的。通过使用甲烷，确保C-H键断裂以产生氢自由基和甲基自由基，在终止步骤中，氢自由基和甲基自由基均可与较大的烃自由基结合。在一些实施例中，载气是甲烷或甲烷与诸如氦气、氩气、氖气或氙气之类的惰性气体的混合物。
在一些实施例中，火花放电可以是连续模式，也可以是脉冲模式。在一些实施例中，连续放电是电弧放电或辉光放电。然而，由于通过连续电流加热气态介质可能导致放电室内的温度不期望地升高，因此限制了使用这种类型的放电来裂解重质烃。温度的这种升高可能导致焦化和烟尘产生增加。此外，在使用连续放电的情况下，烃馏分产物连续暴露于放电直到它们从等离子体中出来。相比之下，出于从重油馏分生产轻质烃馏分的目的，可能需要使用脉冲放电，特别是脉冲火花放电，因为脉冲之间的间隔允许自由基的终止并为产物轻质烃离开等离子体留出时间。
设备
在另一方面，提供了一种用于将液态烃材料转化为轻质烃馏分的设备，其中所述设备包括火花放电室，所述火花放电室包括具有第一端和第二端的负电极以及具有第一端和第二端的正电极。负电极的第一端与正电极的第一端相距一定距离，该距离限定电极间间隙。负电极的第二端连接到电容器。该设备包括用于将载气输送到液态烃材料的载气入口。该设备进一步包括被配置为将液态烃材料输送到火花放电室中的入口和被配置为将轻质烃馏分输送出火花放电室的出口。在一些实施例中，载气包括氢气和/或甲烷。
在一些实施例中，载气包含C1-C3烃、天然气、氨、水、氮气(N2)、氦气、氩气、氖气、氪气和氙气中的一种或多种。在一些实施例中，载气包含具有氢键供体的气体。在一些实施例中，载气包含0.1％v/v至5％v/v的惰性气体。在一些实施例中，载气包含0.2％v/v至3％v/v的惰性气体。在一些实施例中，载气包含0.5％v/v至2％v/v的惰性气体。在一些实施例中，载气包含0.75％v/v至1.5％v/v的惰性气体。在一些实施例中，载气包含0.9％v/v至1.1％v/v的惰性气体。
在一些实施例中，载气包含氢气(H2)和甲烷(CH4)。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为1:99至99:1。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为5:95至95:5。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为10:90至50:50。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为15:85至40:60。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为20:80至35:65。在一些实施例中，氢气与甲烷的摩尔比为25:75至30:70。
在一些实施例中，载气为5％v/v至40％v/v的H2。在一些实施例中，载气为10％v/v至35％v/v的H2。在一些实施例中，载气为15％v/v至30％v/v的H2。在一些实施例中，载气为20％v/v至25％v/v的H2。在一些实施例中，轻质烃馏分具有0.5cP至100cP的粘度。在一些实施例中，轻质烃馏分具有0.5cP至10cP的粘度。
在一些实施例中，轻质烃馏分具有25至60的API比重度。在一些实施例中，轻质烃馏分具有40至60的API比重度。
在一些实施例中，轻质烃具有60g/mol至320g/mol的分子量。
在一些实施例中，轻质烃馏分的平均氢原子与碳原子之比为2.01至2.05。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.05至2.1。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.1至2.2。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.2至2.3。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.3至2.4。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.4至2.5。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.5至2.6。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.6至2.7。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.7至2.8。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.8至2.9。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为2.9至3.0。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.0至3.1。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.1至3.2。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.2至3.3。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.3至3.4。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.4至3.5。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.5至3.6。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.6至3.7。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.7至3.8。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.8至3.9。在一些实施例中，轻质烃的平均氢原子与碳原子之比为3.9至4.0。
在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于285g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于271g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于257g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于243g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于229g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于215g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于201g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于187g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于173g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于159g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于145g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于131g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于117g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于103g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于89g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于75g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于61g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于47g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于33g/mol的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含分子量小于19g/mol的烃。
在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于175℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于152℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于127℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于99℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于37℃的烃。在一些实施例中，轻质烃馏分包含在大气压下沸点小于2℃的烃。
在一些实施例中，放电室还可以包括气体射流，该气体射流被配置为将载气从近侧引入放电间隙，从而提供液态烃材料与载气的混合方式。载气可以在注入放电间隙时或之前注入到液态烃材料中。负极的第二端和正极的第二端连接到电容器。在一些实施例中，提供电源并将其配置为在电极间放电间隙中产生火花放电。
在放电室中，当施加到电极上的电压(V)等于或大于电极间间隙的击穿电压(Vb)时，在电极间放电间隙中形成火花放电。火花放电由自由电子引发，自由电子可以通过场发射或其他电子发射过程出现在正电极上。自由电子被加速进入跨越间隙的电场，并且当间隙中的气体被电离时，产生火花等离子体通道。在形成火花放电通道之后，放电电流流过等离子体。等离子体通道内的电压(Vd)低于击穿电压(Vb)。
在一些实施例中，当电源足以使放电通道中的电流以连续模式流动时会产生电弧放电。等离子体的加热发生在火花放电中。在一些实施例中，通过调节放电电流的强度来控制温度。在一些实施例中，温度通过放电持续时间进行控制。在某些实施例中，由于在载气中产生的等离子体通道，载气温度达到数千摄氏度。
在一些实施例中，使用不同的脉冲发生器来点燃火花放电。在一些实施例中，可以使用在负载下使预充电存储电容器放电的电路。负载处的脉冲电压参数由存储容量以及整个放电电路的参数确定。能量损耗将取决于放电电路的特性，特别是开关损耗。
在本技术的一些实施例中，火花开关直接用作负载，即等离子体反应器，从而减少放电电路中的能量损耗。此外，可以以最小的电感将存储电容器并联连接到电路上的火花间隙。当存储电容器上的电压达到击穿电压时，会发生间隙的击穿，并且在电容器放电期间会发生输入等离子体火花的能量。因此，电路中的能量损耗较低。
在上述任何一个实施例中，正电极可以成形为扁平电极，可以是片、叶片或扁平端子，而负电极可以是管状的，即空心的。空心的负电极是中空电极，通过其可以将载气在电极间间隙处注入液态烃材料中。因此，空心的负电极可以用作载气的导管。在负电极是空心的情况下，管道的通道在管的开口处将具有一定曲率半径。放电电极的高度或长度通常从作为连接点的底部到顶部进行测量。在一些实施例中，曲率半径与阴极的高度或长度的比率可以大于大约10。
电极间放电间隙，即两个电极之间的距离，影响方法的效率。电极间放电间隙是能够基于例如进料到放电室的特定液态烃材料、注入的载气以及所施加的电压和/或电流进行优化的特征。
在一些实施例中，电极间间隙距离为约1mm至100mm。在一些实施例中，电极间间隙距离为3mm至20mm。在一些实施例中，电极间间隙距离为6mm至15mm。在一些实施例中，电极间间隙距离小于10mm。在一些实施例中，电极间间隙距离小于5mm。在一些实施例中，电极间间隙距离小于1mm。在一些实施例中，电极间间隙距离为约4mm。
在一些实施例中，电容器被充电至10kV至100kV的电压。在一些实施例中，电容器被充电至20kV至80kV的电压。在一些实施例中，电容器被充电至30kV至50kV的电压。负电极和正电极两者都可以伸入放电室中。
在一些实施例中，可以将电容器充电至等于或大于载气的击穿电压的电压，从而产生火花放电。在一些实施例中，火花放电发生在正电极与邻近正电极的第一端的载气之间。在一些实施例中，火花放电是连续的。在其他实施例中，火花放电是脉冲的。在一些实施例中，火花放电速率由存储电容器的充电电路中的电阻值来调节。
在一些实施例中，火花放电为具有一定脉冲频率的脉冲火花放电。在一些实施例中，脉冲频率为15Hz至20Hz。在一些实施例中，脉冲频率为10Hz至15Hz。在一些实施例中，脉冲频率为5Hz至10Hz。在一些实施例中，脉冲频率为1Hz至5Hz。在一些实施例中，火花放电是连续的。
在一些实施例中，电源连接到整个系统以提供驱动火花放电所需的能量输入。在一些实施例中，电源为DC电源。在一些实施例中，DC电源具有15kV至25kV的工作电压。电源取决于用于处理烃液体的放电间隙的数量，取决于其长度、脉冲重复率、通过反应器的液体流速、通过每个间隙的气体流速。
在一些实施例中，该设备可以包括利用约3.5mm长的火花放电间隙的反应器、约100pF容量的电容器、约18kV的工作电压和约5Hz的脉冲重复率。消耗的电源可以为1瓦到2瓦，而等离子体可以直接在放电中吸收约0.97瓦的功率。剩余的能量可以消散在充电系统电容器中。
在一些实施例中，贮存器或管道系统可以将液态烃材料入口连接至液态烃材料源，并且贮存器或管道系统可以连接至第一出口以收集轻质烃馏分产物。轻质烃馏分产物可以通过蒸馏分离较低分子量的组分进行进一步的处理，其中较高分子量的组分返回到入口以在放电室中进行可能的进一步处理。气体捕获系统可以连接到设备上的出口，以实现捕获低分子量烃类气体和/或载气，后者作为载气被循环再注入，而前者被收集用于其他用途。
该设备可以适合于液态烃材料的任何特定处理模式。此类适应灵活性对于原油的处理提供了方便的控制，原油可以包括大量不同的组分和杂质。仅通过改变一些操作参数就可以控制液态烃材料裂化的工艺条件。例如，此类参数可以包括放电间隙长度和/或施加的电压(V)的改变。电压的增加可以导致存储在电容器上的能量W＝CV2/2的平方比例度增加。改变电容器的值与改变输入到放电W的能量线性成比例。
可以通过操纵电路的电容和电阻来实现实现对脉冲重复率的控制。在一些实施例中，脉冲重复率是每秒约1至约10个脉冲。在其他实施例中，脉冲重复率是每秒约2至约7个脉冲。在以上任何实施例中，脉冲重复率是每秒约3至约5个脉冲。
在本文的任何实施例中，可以通过改变载气或液态烃材料的注入速率来调节火花放电。在一些实施例中，通过控制放电室内的液态烃和烃馏分产物的处理时间来调节火花放电。
在一些实施例中，取决于气体的流速和液态烃材料的粘度，可以在电极间间隙中形成直径不同的载气流或射流。在一些实施中，如果火花放电等离子体以高载气流速形成，则不会通过大直径气体射流与液态烃材料直接接触。在低气体流速的实施例中，气体射流直径可与通道火花的直径相当。在此类实施例中，放电等离子体与周围的液体之间存在强烈的相互作用。强烈的相互作用表明等离子体通道和液体之间的接触面积最大。
与其他已知方法相比，本文描述的方法和设备具有多个优点。例如，例如在美国专利第5,626,726号中公开的当前已知的方法利用了在其中产生电弧的液体和气体的异质混合物。在本技术的实施例中，在液体中传播的气体射流用于火花放电实施。此外，击穿异质混合物中的放电间隙需要很高的电场强度，'726专利中使用了短的放电间隙。短的放电间隙和由此导致的长时间的放电工作导致放电间隙的电极磨损，同时间隙的长度和击穿电压随之增加。对于固定的工作电压，随着长度的增加，间隙中的放电会减少并最终停止。相反，在本技术中，由于电击穿发生在气体中，其击穿电场远低于流体(例如油)，因此对于相同的工作电压值，可以使用更长的放电间隙。由于使用更长的放电间隙的机会，电极受击穿电压的增加的影响不那么大，因此放电点火在固定的工作电压下是稳定的。
通过以下实施例来进一步限定本发明：
实施例A.一种使用火花放电将液态烃材料裂化为轻质烃馏分的方法，所述方法包括：使液态烃材料流过放电室并进入所述放电室内的电极间间隙，其中所述电极间间隙形成在具有第一端和第二端的负电极与具有第一端和第二端的正电极之间，其中在所述放电室中，所述负电极的所述第一端与所述正电极的所述第一端间隔开一定距离，所述距离限定电极间间隙；当所述液态烃材料进入所述电极间间隙时，将包含氢气(H2)和甲烷的载气注入所述液态烃材料，以形成气-液烃混合物；以及在足以实现所述火花放电的电压下使所述气-液烃混合物经受所述电极之间的电流；其中：所述负电极的所述第二端和所述正电极的所述第二端连接到电容器；并且所述电容器被充电至等于或大于所述载气的击穿电压的电压。
实施例B.根据实施例A所述的方法，其中所述载气由氢气(H2)和甲烷组成。
实施例C.根据实施例A或B所述的方法，其中所述载气为15％v/v至30％v/v的氢气。
实施例D.根据实施例A至C中任一项所述的方法，其中所述火花放电为脉冲火花放电。
实施例E.根据实施例A至D中任一项所述的方法，进一步包括回收由在所述气-液烃混合物上的所述脉冲火花放电所产生的所述轻质烃馏分。
实施例F.根据实施例A至E中任一项所述的方法，其中所述轻质烃馏分具有小于100cP的粘度。
实施例G.根据实施例A至F中任一项所述的方法，其中所述轻质烃馏分具有大于30的API比重度。
实施例H.根据实施例A至G中任一项所述的方法，其中所述轻质烃馏分的平均氢原子与碳原子之比为2至2.5。
实施例I.根据实施例A至H中任一项所述的方法，其中在将所述载气注入所述液态烃期间，所述载气中氢气和/或甲烷的浓度随时间变化。
实施例J.根据实施例A至I中任一项所述的方法，其中注入所述液态烃中的载气从所述气-液烃混合物中循环。
实施例K.一种用于将液态烃材料转化为轻质烃馏分的设备，其中所述设备包括：火花放电室，所述火花放电室包括具有第一端和第二端的负电极以及具有第一端和第二端的正电极，其中所述负电极的所述第一端与所述正电极的所述第一端相距一定距离，其中所述距离限定电极间间隙，并且其中所述负电极的所述第二端和所述正电极的所述第二端连接到电容器；载气入口，所述载气入口用于将包含氢气和甲烷的载气输送到所述液态烃材料；入口，所述入口被配置为将所述液态烃材料输送到所述火花放电室中；以及出口，所述出口被配置为将所述轻质烃馏分输送出所述火花放电室。
实施例L.根据实施例K所述的设备，其中所述载气为15％v/v至30％v/v的氢气。
实施例M.根据实施例K或L所述的设备，其中所述轻质烃馏分具有小于100cP的粘度。
实施例N.根据实施例K至N中任一项所述的设备，其中所述轻质烃馏分具有大于30的API比重度。
实施例O.根据实施例K至N中任一项所述的设备，其中所述轻质烃馏分的平均氢原子与碳原子之比为2至2.5。
实施例P.根据实施例K至O中任一项所述的设备，其中所述电容器被充电至等于或大于所述载气的击穿电压的电压。
参考文献
[1]Zhang N,Zhao S,Sun X,Zhiming X,Chunming X(2010)Storage stabilityof the visbreaking product from Venezuela heavy oil.Energy Fuels 24:3970–3979
[2]Martinez-Palou R,Maria de Lourdes M,Beatriz Z-R,Elizabeth M-J,Cesar B-H,Juan de la Cruz C-L,Jorge A(2011)Transportation of heavy and extra-heavy crude oil by pipeline:a review.J Pet Sci Eng 75:274–282
[3]Hart,A.(2013).Areview of technologies for transporting heavy crudeoil and bitumen via pipelines.Journal of Petroleum Exploration and ProductionTechnology,4(3),327-336.doi:10.1007/s13202-013-0086-6
[4]Chaudhuri,U.R.(2011).Fundamentals of petroleum and petrochemicalengineering(p.52-53).Boca Raton,FL:CRC Press.
[5]Eser,S.(n.d.).Cut Points.Retrieved March 26,2018,from https://www.e-education.psu.edu/fsc432/content/cut-points.
[6]Jechura,J.(n.d.).Hydroprocessing:Hydrotreating andhydrotreating.Retrieved March 25,2018,from http://inside.mines.edu/～jjechura/Refining/08_Hydroprocessing.pdf
[7]En.wikipedia.org.(2018).Fluid catalytic cracking.[online][Accessed6Apr.2018].
[8]Kaiser,M.J.,&Gary,J.H.(2007).Study updates refinery investmentcost curves.Oil and Gas Journal,84-94.Retrieved March 25,2018.
为了本公开的目的并且除非另有说明，否则“一”或“一个”表示“一个或多个”。
如本文所使用的，“约”可以被本领域普通技术人员理解，并且可以在一定程度上根据其使用的背景而变化。如果存在本领域普通技术人员不清楚的术语使用，则鉴于使用其的背景，“约”表示特定术语的加减10％。
本说明书中提及的所有出版物、专利申请、授权专利和其他文献均通过引用并入本文，就如同每个单独的出版物、专利申请、授权专利或其他文献均被明确地并单独地指出通过引用整体并入本文一样。在与本公开中的定义相抵触的程度上，排除通过引用并入的文本中包含的定义。
本文示例性地描述的实施例可以在不存在本文未具体公开的任何一个或多个元件、一种或多种限制的情况下适当地实践。因此，例如，术语“包括”、“包含”、“含有”等应被宽泛且无限制理解。另外，本文所采用的术语和表达已被用作描述性而非限制性的术语，并且不旨在使用此类术语和表达来排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同形式，但是应当认识到在要求保护的技术范围内可以进行各种修改。另外，短语“基本上由……组成”将被理解为包括具体叙述的那些元件和不会实质性影响所要求保护的技术的基本和新颖特征的那些附加元件。短语“由……组成”排除了未指定的任何元件。
本公开不限于本申请中描述的特定实施例，这些特定实施例旨在作为各个方面的例示说明。如对于本领域技术人员将显而易见的，可以在不脱离其精神和范围的情况下进行多种修改和变型。通过前文的描述，除了本文列举的内容之外，在本公开内容范围内的功能上等效的组合物、设备和方法对于本领域技术人员将是显而易见的。此类修改和变型旨在落入所附权利要求的范围内。本公开仅由所附权利要求项以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来限制。应当理解，本公开内容不限于特定的过程、试剂、化合物组成或生物系统，它们当然可以变化。还应当理解的是，本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不旨在进行限制。
另外，在根据马库什组描述本公开的特征或方面的情况下，本领域技术人员将认识到，由此也根据马库什组的任何单个成员或成员的子组描述本公开。
如本领域技术人员将理解的，出于任何目的和所有目的，特别是在提供书面描述方面，本文公开的所有范围还涵盖任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围都可以容易地识别为充分描述并且可以将相同范围细分为至少二等分、三等分、四等分、五等分、十等分等。作为非限制性示例，可以容易地将本文讨论的每个范围细分为下三分之一、中三分之一和上三分之一等。本领域技术人员还将理解，所有语言，诸如“最多”、“至少”、“大于”、“小于”等，均包括所列举的数字，并且是指可以随后细分为上述子范围的范围。最后，如本领域技术人员将理解的，范围包括各个单独的成员。
尽管已经图示和描述了某些实施例，但是应当理解，可以根据本领域中的一般技术在其中进行改变和修改，而不会在如所附权利要求书中所限定的更宽泛的范围内偏离本技术。

Claims (16)

1.一种使用火花放电将液态烃材料裂化为轻质烃馏分的方法，所述方法包括：
使液态烃材料流过放电室并进入所述放电室内的电极间间隙，其中所述电极间间隙形成在具有第一端和第二端的负电极与具有第一端和第二端的正电极之间，其中在所述放电室中，所述负电极的所述第一端与所述正电极的所述第一端间隔开一定距离，所述距离限定电极间间隙；
当所述液态烃材料进入所述电极间间隙时，将包含氢气(H2)和甲烷的载气注入所述液态烃材料，以形成气-液烃混合物；以及
在足以实现所述火花放电的电压下使所述气-液烃混合物经受所述电极之间的电流；
其中
所述负电极的所述第二端和所述正电极的所述第二端连接到电容器；并且
所述电容器被充电至等于或大于所述载气的击穿电压的电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述载气由氢气(H2)和甲烷组成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述载气为15％v/v至30％v/v的氢气。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述火花放电为脉冲火花放电。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括回收由在所述气-液烃混合物上的所述脉冲火花放电所产生的所述轻质烃馏分。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述轻质烃馏分具有小于100cP的粘度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述轻质烃馏分具有大于30的API比重度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述轻质烃馏分的平均氢原子与碳原子之比为2至2.5。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述载气注入所述液态烃期间，所述载气中氢气和/或甲烷的浓度随时间变化。
10.根据权利要求1所述的方法，其中注入到所述液态烃中的载气从所述气-液烃混合物中再循环。
11.一种用于将液态烃材料转化为轻质烃馏分的设备，其中所述设备包括：
火花放电室，所述火花放电室包括具有第一端和第二端的负电极以及具有第一端和第二端的正电极，其中所述负电极的所述第一端与所述正电极的所述第一端相距一定距离，其中所述距离限定电极间间隙，并且其中所述负电极的所述第二端和所述正电极的所述第二端连接到电容器；
载气入口，所述载气入口用于将包含氢气和甲烷的载气输送到所述液态烃材料；
入口，所述入口被配置为将所述液态烃材料输送到所述火花放电室中；以及
出口，所述出口被配置为将所述轻质烃馏分输送出所述火花放电室。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述载气为15％v/v至30％v/v的氢气。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述轻质烃馏分具有小于100cP的粘度。
14.根据权利要求11所述的设备，其中所述轻质烃馏分具有大于30的API比重度。
15.根据权利要求11所述的设备，其中所述轻质烃馏分的平均氢原子与碳原子之比为2至2.5。
16.根据权利要求11所述的设备，其中所述电容器被充电至等于或大于所述载气的击穿电压的电压。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1310193A (zh) * 1960-12-24 1963-03-06
CA2756424A1 (en) * 2009-04-21 2010-10-28 Sapphire Energy, Inc. Methods of preparing oil compositions for fuel refining
WO2012115746A1 (en) 2011-02-25 2012-08-30 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Kerogene recovery and in situ or ex situ cracking process
WO2014209803A1 (en) * 2013-06-25 2014-12-31 EVOenergy, LLC Process for cracking of liquid hydrocarbon materials by pulsed electrical discharge and device for its implementation
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