CN112585245A - 利用多个放电模块的重油裂化装置规模化扩大 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于规模化扩大使用液体中气泡放电的多相等离子体化学反应器的方法。一个示例涉及具有合适特征参数的单火花间隙放电规模化扩大系统和过程。规模参数基于一个火花间隙的大小变化。另一个示例涉及可适用于具有多个放电模块的多火花间隙的规模化扩大系统和过程及其尺寸信息。模块的数量和所得到的装置尺寸可以基于期望的生产率和特定的能量输入。应用允许使用类似的机制和反应器(例如油处理反应器)规模化扩大任何等离子体化学系统或过程。

Description

利用多个放电模块的重油裂化装置规模化扩大

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“利用多个放电模块的重油裂化装置规模化扩大(HEAVY OIL CRACKING DEVICE SCALEUP WITH MULTIPLE ELECTRICAL DISCHARGEMODULES)”的美国临时专利申请第62/660,619号的优先权，并且其通过引用整体并入本文。

技术领域

本技术整体上涉及使用火花放电使原油和其它重质液态烃材料裂化的方法，并且具体涉及利用多个放电模块规模化扩大重油裂化中所使用的多火花间隙反应器。所公开的方法进一步适用于规模化扩大等离子体化学反应器，该等离子体化学反应器在液体中产生等离子体以用于材料加工或提质。

背景技术

石油和天然气工业可以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。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。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，通过使用芯环流实现的管道润滑，减阻添加剂)

·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原油。

重油的部分提质涉及仅转化一部分减压渣油，并生产含有5-25％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℃。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℃。

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它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660-800℉(348-427℃)，每天增加0.1-0.2℉(约0.05-0.1℃)以抵消催化剂活性的损失，以及压力范围为1200至2000磅/平方英寸(psig)。燃油焦化器在910-930℉(487-500℃)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1320℉(715℃)的温度和约35psig的压力下操作。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五倍。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。

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、铜和其它污染物，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，提供了一种针对用于处理烃的等离子体化学反应器的单火花间隙规模化扩大方法。所述方法可以包括定义一组参数，所述一组参数包含性能指示参数和规模指示参数中的至少一者，其中性能参数指示多相反应器中的等离子体-气体和等离子体-液体的相互作用，并且其中规模参数表示反应器空间利用效率和整体尺寸。可以开发单间隙规模化扩大模型以增强规模参数。可以进行参数研究以估计多个火花间隙和针对所述火花间隙的总质量信息。

在另一方面，提供了一种利用用于处理烃的等离子体化学反应器的反应器模块进行多火花间隙规模化扩大的方法。所述方法可以包括使用多个反应器模块构建三维反应器矩阵。所得到的装置可以包括基于生产要求所选择的多个放电模块。

在一些实施方式中，所述方法进一步包括使用所得到的装置在油田或炼油厂中处理烃。

在一些实施方式中，所述放电模块可以在无需现场施工的情况下组装。

在一些实施方式中，所述放电模块是橇状的或便携式的。

在一些实施方式中，所得到的装置被独立地用作油处理反应器，或者在结合到油处理系统中之后在所述油处理系统内使用。

在一些实施方式中，所述方法进一步包括将放电模块布置在反应器矩阵中，从而使得可以分别关闭选定的列或行而无需关闭剩余的列或行。

在一些实施方式中，所述方法进一步包括经由快速连接将所述反应器矩阵连接至外部流体和电气装置。

在一些实施方式中，每个放电模块将传感器数据实时发送到服务器，以允许进行远程诊断和监测。

在一些实施方式中，对每个放电模块的气体和流量控制与其它放电模块是分开的。

在一些实施方式中，所述方法进一步包括添加或移除具有减少的气体泄漏或干扰的放电模块。

在一些实施方式中，可以以被动方式在放电模块中控制液位。

在一些实施方式中，所述方法进一步包括使所述反应器不断运行，其中过程的各个阶段或步骤同时发生或依次发生，从而使得随着产物烃馏分从所述反应器排出，将液态烃材料不断地进料至放电反应器。

在一些实施方式中，所述产物烃包括要通过蒸馏分离的轻质馏分以及在放电间隙中产生但需要从所述产物中除去的固体。

在另一方面，提供了一种用于在油田或炼油厂中处理烃的三维反应器矩阵。所述反应器矩阵可以包括至少三个排列成矩阵的放电模块，从而可以选择性关闭所述矩阵中的某列或行放电模块，而无需关闭未在所述选定的列或行中的放电模块。

在一些实施方式中，所述反应器矩阵被配置为将关于放电模块的实时信息传输到服务器以进行在线诊断和监测。

在一些实施方式中，所述反应器矩阵可以由各种不同的反应器模块组成，例如4个火花间隙反应器模块、8个火花间隙反应器模块、焊接容器金属反应器模块或泡沫反应器模块的组合。

附图说明

图1示出了示例性多相反应器规模化扩大的工艺路径。

图2A、2B和2C提供了在火花放电电路的电极之间的液体中的气泡行为的示例性示意图。

图3示出了在没有向火花放电电路施加电压的情况下甲烷鼓泡进入矿物油的情况。

图4A、4B和4C示出了液体中的不同气泡击穿机理。

图5示出了根据说明性实施例的具有一个火花间隙(“OTR1”)参数设计且具有变化的装置长度(L)的示例性油处理反应器(“OTR”)。

图6示出了根据说明性实施例的具有变化的油室直径(D)的示例性OTR1参数设计。

图7A至7C示出了根据说明性实施例的具有四个火花间隙而没有冷凝器的示例性空心反应器模块单元。包括横截面视图(图7A)、等轴测视图(图7B)和侧视图(图7C)。

图8是根据说明性实施例的示例性M＝4模块的照片。

图9是根据说明性实施例的示例性M＝8模块的照片。

图10示出了根据说明性实施例的具有整体式高压电源子模块的说明性M＝8模块。

图11示出了根据说明性实施例的具有八个火花间隙和内置的冷凝器的示例性反应器模块单元。

图12A和12B以侧视图(图12A)和等轴测视图(图12B)示出了根据说明性实施例的示例性M＝7的由不锈钢制成以在高温下工作的焊接容器设计。

图13示出了根据说明性实施例的内置的实际制造的焊接容器OTR。

图14示出了根据说明性实施例的使用多层支柱和轮从矩阵滑入和滑出OTR机架的滑动机构。

图15示出了根据说明性实施例的使用伸缩滑动件从矩阵滑入和滑出OTR机架的滑动机构。

图16示出了根据说明性实施例的OTR机架，其配置有滑动机构、分配器歧管、滑动手柄和其它必要的附件。

图17示出了根据说明性实施例的可以增加到N个数量的OTR机架。

图18示出了根据说明性实施例的可以增加到N×N个数量的OTR阵列。

图19示出了根据说明性实施例的可以增加到N×N×N个数量的OTR矩阵。

图20A示出了根据说明性实施例的使用管道系统连接到进料罐和储罐的OTR矩阵的顶视图，其中歧管进料到全部OTR中并离开全部OTR。

图20B示出了根据说明性实施例的使用管道系统连接到进料罐和储罐的OTR矩阵的侧视图，其中歧管进料到全部OTR中并离开全部OTR。

图21示出了根据说明性实施例的对使用管道系统连接到进料罐和储罐的OTR矩阵进行标记的等轴测视图，其中歧管进料到全部OTR中并离开全部OTR。

图22示出了根据说明性实施例的电歧管，该电歧管可以与机架定向连接以向OTR供应高电压。

图23是根据说明性实施例的与OTR矩阵集成的气体歧管和气体系统的照片。

图24A和24B示出了根据说明性实施例的HV绝缘体，示出了等轴测视图(图24A)和顶视图(图24B)。

图25是根据说明性实施例的较小实验性规模矩阵的照片。

具体实施方式

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。该技术可以有效地应用于实现有效的重油转化。

在一个方面，提供了一种通过使用火花放电将液态烃材料裂化为轻质烃馏分的方法。该方法包括使液态烃材料流过放电室并进入放电室内的电极间间隙，其中电极间间隙形成在彼此隔开的一对电极之间。该方法进一步包括当载气进入电极间间隙时将载气注入到液态烃材料中，从而形成气-液烃混合物。该对电极包括正电极和负电极，该负电极连接到电容器。电容器被充电至等于或大于电极间放电间隙中的载气的击穿电压的电压。当形成气-液烃混合物时，其在电极之间以足以导致火花放电的电压下经受电流。该方法还包括回收由于脉冲火花放电对气-液烃混合物的影响而产生的轻质烃馏分。

反应器的规模化扩大面临若干挑战。规模化扩大的目标是设计一种可以通过标准方法复制在实验室中可获得的结果的中试反应器或工业反应器。一个局限是过程中没有标准的方法可以帮助避免问题并降低业务风险。缺乏标准方法的一个原因是动力学数据对于被测系统是如此特有，并且该数据通常与传质和流体动力学相混淆。独立研究内在动力学和迁移现象是困难的。而且，工业规模的技术和设备与实验室使用的技术和设备之间存在差距。此外，诸如质量、热量和动量传递之类的迁移过程与规模有关，这意味着实验室模型与全规模工厂之间的性能不同。

由于上面提到的规模化扩大的复杂性，可能遇到各种可能的问题。例如，如果反应放热，则可能失去控制，因为每单位体积的传热面积变化会随规模变化。对于缓慢和吸热反应，该问题不太明显或不存在。同样，由于跨相传质的差异，转化和选择性也受到规模化扩大的负面影响。此外，在不同规模上涉及不同的提取和分离方法，因为即使在相同的转化率下，在较大规模的工厂中的反应也会产生明显更多的产物，并且它们在被去除之前会在系统中积聚。此外，在与玻璃、不锈钢和其它材料的相容性方面出现问题。实验室反应器通常由玻璃制成，而在工业上，工程师通常更喜欢工厂中的不锈钢或金属设备。如果处理材料与所选的反应器材料不兼容，则可能发生腐蚀和不良反应。同样，电极材料也很重要，因为它们不仅影响放电行为，而且还可能改变处理后液体的特性。

规模化扩大化学反应器涉及一些定量规则，这些规则描述了反应器在不同规模、运行条件和不同反应技术下的运行情况。可以在实验室实验中研究相关参数，包括放电特性(例如，电容、放电压力和间隙、每脉冲能量、电路配置)、流量条件(例如，气体流速、表面气体速度、气体滞留率、气泡大小、液体密度、粘度和表面张力)以及火花间隙的数量。由于参数的数量很大，因此设计一个实验以便独立地研究不同参数对这种等离子体化学反应器的性能的影响是有利的。

通常，在气-液反应器上进行实验室测量是为了研究与尺寸无关的机理，例如反应动力学和热力学。诸如密度、粘度、表面张力、比热、气泡大小和表面积之类的物理特性应称为操作条件。应该研究它们对化学反应的影响，即转化率和选择性。此外，还应研究由于电容、气体流动条件和气泡行为等参数引起的等离子体性能变化。应特别注意：(1)气泡和液体之间的相互作用；(2)等离子体体积与总气体体积之间的相互作用；以及(3)发生击穿的地方，主要由气-液性质(气泡大小、气泡数量密度以及液体性质)和放电特性决定。可以定义参数来表示相互作用，例如，相间接触面积：气泡面积比液体体积以及放电体积比总气体体积。气-液反应器的目标之一是使这些值最大化。该用于烃裂化的等离子体化学反应器的特征在于低反应速度、低转化率低和高非平衡化学反应。因此，规模化扩大后，体流体的传热、传质和热力学可能不会发生显著变化，这意味着规模化扩大过程的质量主要取决于气-液接触和等离子体-气体接触的优化程度。

即使在非常早期的阶段，也可以评估过程分析和经济性。由于实验的关注领域可能会由于过程安全性和经济性而发生变化，因此此类评估可能会通过帮助避免在兴趣不大或在其它方面优先级较低的方向上避免过度的研究工作，从而潜在地提高工作质量和进度。

通常在实验室中对技术和装置进行了广泛研究之后，才建立起中试工厂，然后逐步规模化扩大成全规模工厂。中试工厂不仅旨在证明现有的实验室单元在更大规模上可产生相同的结果，而且还测试在工业规模上使用的技术和装置。此外，中试工厂允许评估产品规格以及用于工业用途的设置自动化和控制系统，这在实验室中并不常见。在此公开的示例性实施例为规模化扩大方法提供了灵活性。可以通过使用多个放电模块来建造中试工厂。放电模块的数量可取决于产品速率和其它工艺要求。

为了这种对规模化扩大进行的讨论，最小单元是等离子体反应区，其由单个放电间隙和该间隙内液体中的气泡限定。反应器模块由布置在单个容器中的多个等离子体反应区N组成，该容器将处理后的介质与周围环境隔离开，并具有液体、气体和电输入和输出。这些等离子体反应区可以按照如图1中所示的线性阵列或模块内的2D矩阵布置。模块被并排放置成一维水平阵列，其中有M个模块，称为模块机架。这些模块机架可以垂直排列成具有P个机架的模块阵列。可以将多个模块阵列组合为具有Q个阵列的三维模块矩阵。模块矩阵可以与辅助设备组合以定义具有N×M×P×Q个等离子体反应区的处理单元。多个处理单元可以在有或没有其它辅助设备的情况下组合，以提高总体系统吞吐量。

在大规模上，诸如热传递和流量分布之类的参数将是不同的并且取决于大小。因此，在规模化扩大反应器时，重要的是要知道该反应器在转化率和产品规格方面仍具有相同的性能。由于上述原因，反应器的性能通常会相对于其大小发生变化。需注意，并非总是必须要建立中试工厂来评估技术和装置。成本更低、更方便的模型化实验可以模拟大规模工厂，并有助于评估全规模工厂，尤其是当在过程中尺寸相关参数不占主导地位的时。人们不建中试工厂还有其它原因，例如高成本。但是，有关反应和以接近全尺寸的规模获得的反应器的信息往往更像其工业尺寸反应器中将出现的。

当中试工厂被证明是可行的并且在经济上可行时，可以建造全规模单元。全规模工厂可以是三维矩阵，其由适合全规模生产率的放电单元组成。可以通过仔细增加不同尺寸的模块数量来遵循相同的方法。全规模工厂的表现方式应与中试工厂非常相似，不同之处在于，根据模块数量的不同，其生产率、能耗和成本预计会更高。需注意，随着模块数量的增加，高于中试工厂的成本可能不会线性增加。

图1表示示例性规模化扩大过程中涉及的关键要素。一旦在反应器技术和装置上已经开发并积累了足够的知识，就可以将这些知识组合起来以建立数学模型。该模型应包括在过程中起重要作用的所有方面，例如流体动力学、气-液中的等离子体、反应动力学以及热力学。这些方面彼此高度耦合且相互依赖，从而导致了反应器规模化扩大所固有的复杂性。模型中的某些参数与大小有关，而其它参数则与大小无关。重要的是要认识到和考虑两者。从实验室获得或得出的参数可能会随反应器大小而显著变化。因此，运行数学模型可能需要其它工具，例如编程/编码。在该模型中，可以更改物理尺寸、放电间隙数量和/或流体流速，以规模化扩大反应器。然后，计算所得到的反应器大小、反应器单元数量以及生产率。

本文所公开的一种说明性方法被应用于单火花间隙。一系列参数被定义为性能指示参数和/或规模指示参数。性能参数指示多相反应器中的等离子体-气体和等离子体-液体相互作用。规模参数表示反应器空间利用效率和整体尺寸。本文公开的另一示例性方法被应用于规模化扩大可以以更高的生产率处理油的油处理反应器(OTR)。该示例性方法使用多个放电模块来构建三维反应器矩阵。所得到的具有不同数量的放电模块来处理烃的装置可用于油田或炼油厂。模块可以很容易地组装成既可以独立地用作油处理反应器，也可以在结合之后在现有系统中工作。模块的数量可以根据生产需要容易地变化。此类模块的故障排除和更换更加容易，因为每个模块可以彼此独立。

与其它类型的油处理反应器相比，所公开的示例性装置具有多个明显的优点。例如，模块和放电单元的数量可以根据生产要求和其它要求灵活地变化。因此，该装置与可能变化超过一个数量级的生产率相匹配。装置维护和零件更换更容易且更具成本效益，因为装置被配置为以类似于超级计算机服务器的方式运行，因此添加和移除模块实际上是即时任务。本文所公开的说明性装置是紧凑的并且能够具有非常坚固的结构。在一些实施方式中，该装置可以用作移动式油处理反应器，并且可以运输到需要它们的任何地方，例如在油田附近或在炼油厂中。具有多个放电模块的重油裂化装置适用于加工原油和其它炼油中间体以及其它烃。可以定义不同的规模化扩大参数以全面表征单火花间隙放电过程以及规模化扩大的多模块反应器性能及其物理尺寸利用效率。

在本公开的示例性实施例中，公开了一种用于规模化扩大多相等离子体化学反应器的方法，该方法使用在液体中的气泡放电来处理液态烃。一些实施方式被应用于单火花间隙放电规模化扩大过程及其特性参数。可以将一系列参数定义为性能指示参数或规模指示参数，以表征单火花间隙。性能参数可以被标识为指示多相反应器中的等离子体-气体和等离子体-液体相互作用。规模参数可以被标识为表示反应器空间利用效率和整体尺寸。

其它实施方式应用于具有多个放电模块的多火花间隙反应器及其尺寸信息。在此类实施方式中，可以使用多个放电模块来构建二维或三维反应器矩阵。例如，此类方法可以在油田或炼油厂中用作可移动且可扩展的等离子体化学反应器。可以适应性地控制此类装置的尺寸和性能以匹配生产要求。

本文所公开的示例性模块化火花间隙放电反应器的原理和操作有利地是用户友好的，并且可以参考附图和所附描述更好地理解。

在各种实施方式中，所得到的装置允许各种不同数量的放电模块来处理烃。该装置既可以作为油处理反应器独立工作，也可以被结合以在现有系统中工作。由于其具有便携式单元的分形模块化特性，因此其处理能力可以随着需求的变化而逐渐增加。可以基于例如所需的生产率和比能量输入来确定或选择所需的模块数量和矩阵配置。

示例性模块可以以矩阵形式布置，该矩阵允许用户选择性地关闭列或行。在一些实施方式中，具有串联放电单元的三维(3D)矩阵可以在不同的优化反应器条件下操作。在其它实施方式中，二维(2D)矩阵可以实现非常高的吞吐量。经由快速连接将反应器矩阵连接至外部流体和电气装置。模块之间的连接可以允许热插拔，从而使得模块更改不会导致系统关闭。热插拔是指在不关闭整个系统的情况下，对模块的3D矩阵内的单个模块或模块组执行维护的能力。之所以可以这样做，是因为多个模块在歧管上并行运行。歧管可以具有可以与模块组的子集和各个模块连接的快速连接。当连接或断开模块连接时，仅需要局部断开连接，而不会影响整个系统。

模块的维护和零件更换可以较容易，因为每个模块可以彼此独立。可以对每个模块和模块内的每个火花间隙执行诊断和监测。这可以通过使每个模块将传感器数据传输到远程服务器来实现。模块可以提供高压电路连接和绝缘，可以将其连接到隔室中模块的底部，以实现更好的绝缘。可以合并电路元件。因此，每个模块的电路可以完全或部分独立于其它电路。例如，与每个间隙相关联的电路可以将线电压转换为该间隙的高压脉冲DC，或者与每个间隙相关联的电路可以将中压或高压AC转换为该间隙的高压脉冲DC，其中公共的电路元件将线电压转换为中压或高压AC。每个模块可以拥有自己的在线诊断和监测装置。当发生故障时，可以识别出故障的模块并将其关闭以进行维护或更换。例如，在一个10×10×10的模块矩阵中，每个模块包含10个单独的处理间隙，单个模块故障的数量约为系统总体运行的1/1000，并且对系统的影响非常有限。类似地，一个间隙可以是整个系统的1/10000。

在各种实施方式中，可以通过能够提供关于每个模块以及整个装置的实时信息的在线诊断和监测系统来增强安全性。发生故障时，能够有选择地关闭模块或装置。气体控制和到每个模块的流动可以彼此分开。当移除或添加模块时，由添加或移除过程引起的气体泄漏或干扰可降至最低。这是通过对每个模块的气体和液体流量进行独立阀控制和/或通过可保持封闭系统完整性的快速连接式配件(分别具有截止/密封功能的管和管道配件)来实现的。这种类型的连接器可以应用于所有各种气体、液体、电气连接。用于模块的机械连接和支撑件也可以是闩锁型连接件，其针对模块的快速互换性进行设计。每个模块均通过自身的流量控制和电路控制有效地独立工作。

由于静水压力的变化，具有模块阵列并且在所有模块中具有相同的液位通常是一种挑战。在一些实施方式中，可以以被动方式在模块内控制液位。这样的一个示例是在模块的出口处使用堰、水闸或水闸/堰式组合装置来控制液位。另一个示例是在模块入口上使用节流孔收缩，以使节流孔压降比静水压降大得多，并且流向模块的压力将相对恒定。这些方法的组合可以部分使用或一起使用，以使液位高度不取决于管线中的压降(摩擦、流量和/或静水压力)。

在各种实施方式中由于反应器将不断运行，因此过程的各个阶段或步骤可以同时发生或依次发生，使得随着产物烃馏分从反应器中排出，液态烃材料被不断地进料到放电反应器中。产物烃可以包括需要通过蒸馏分离的轻质馏分以及在放电间隙中产生但需要从产物中除去的固体。

如本文所用，术语“模块”是指包括几个分立的放电反应器单元的独立且便携式的单元。每个反应器单元可以包括多个火花间隙，这些火花间隙也可以独立工作或在共享相同载气和电路控制的组中工作。此类模块化设计不需要现场施工。无需现场安装该装置的任何部件或该装置运行所需的辅助组件，因为，例如，该装置由多个模块组成并且每个模块都可以是橇状或是便携式的。可以选择性地选择包括放电反应器的一组模块的整体尺寸，以利于通过适合现场的标准商业运输来输送橇。此类设计的目标可以是允许将其用于不同的位置，例如在油田、海上或炼油厂中。唯一需要的安装可以是插入电气、气体进料以及输入和输出进料。当运送到现场时，将需要连接电气、气体、液体进料和产品。这些可以通过适用于现场/应用的标准化管道、软管和电气连接来完成。这些模块不需要包括焊接、结构组装、混凝土板或炼油厂建设中通常完成的其它工作的现场施工。同样，溢出控制系统、气体检测安全系统、灭火系统和类似的辅助系统也可以集成到模块中，并且在交付后无需安装。每个包含多个模块的多个橇可用于满足任何所需的吞吐量或处理量。

先前在模块化方面的尝试大大不同。例如，需要在现场进行大型部件的大型施工和组装。此外，最小处理单元明显更大。相比之下，在示例性实施方式中，最小处理单元可以是单个放电间隙，其可以被设计为处理0.01到约0.1桶/天。例如，通过大量这样的橇，包括10个、100个、1000个或10,000个单独的放电间隙，可以实现0.01桶/天到1桶/天的处理范围。

如本文所用，术语“可规模化”表示模块的数量是可扩展的，不需要额外的设备。例如，对于多个模块，可以使用单个泵加热或冷凝，并且其它模块可能不需要向系统中添加其它额外设备。

如本文所用，术语“重油”是指在大气条件下呈液态的那些烃混合物。基于技术定义的重油具有高于特定值的密度和粘度，并且与轻质油相比通常具有较低的市场价格。重质原油和常压渣油是两个很适合该定义的示例。烃可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。烃的特征可以是碳原子总数和碳原子之间单键(C-C)、双键(C＝C)或三键(C≡C)的数量。其可用于容易地生成轻质馏分，例如汽油和煤油，或重质馏分，例如柴油和燃料油。通过使用本技术的反应器和过程，将原油中的数百种不同的烃分子转化成可以用作燃料、润滑剂和其它石化工艺中的原料的组分。

在示例性单火花间隙规模化扩大实施方式中，了解单火花间隙放电作为等离子体化学反应器的工作方式(包括放电特性和相关反应)以识别影响目标结果的参数非常重要。所公开的方法可以包括寻找随尺寸变化的参数和过程以及相对独立于反应器尺寸的参数和过程。可以开发模型以帮助定义和研究参数。

在示例性实施方式中，可以导出规模化扩大参数。规模化扩大参数可以独立于反应器尺寸，并且可以允许直接比较来自不同规模的建模结果。第一参数定义为间隙中的气体放电体积与总气泡体积之比：r₁＝放电体积/气泡体积。该值大致表示气体利用效率，可能的范围为0到1。在各种实施方式中，该参数的理想范围可以是0.5至0.9。然而，值范围为0.1到0.99仍然可以提供非常好的处理条件。r1的值低至10^-3也会在化学反应中产生可接受的转化率。液体表面上的气体放电可能有效地具有r1<10^-3，并且通常在化学转化方面效率较低。此类参数范围使来自放电的反应性气体物质与气泡液体界面上的液态烃分子的相互作用最大化。该参数的值太高可能并非是所期望的，因为此类值将固有地导致恒定体积的加热过程路径，并且在放电过程中会导致压力和温度过高，从而导致不利的过程动力学。太低的值将导致在气相中显著生成仅与其它气相分子反应并且不与液相分子相互作用的反应性物质。该第一参数取决于气-液两相流体中的放电特性。

定义的第二参数是间隙中的气相体积与总流体体积之比，r₂＝气相体积/总两相体积。第二参数的值等于该范围内的间隙中的气体滞留率。可能的值为0到1。值太高表示放电间隙内有大量气泡。值太低会导致液相而不是气相击穿，这对应于比率r₁＝1，这并非是所期望的。一个相关且同样重要的参数是等离子放电表面积与油表面积之比，其为r₁^(2/3)。类似地，相关的是垂直于该表面的等离子体相互作用深度t_p和垂直于该表面的液体相互作用深度t_l。因此相关参数为r1'＝r1^(2/3)*t_p/t_l，且通常与r1成比例，尽管气相压力和液体数密度的变化会引起r1和r1'之间的差异。R1对于油的转化质量和系统的整体尺寸都很重要。R1可以通过气泡大小、气泡位置、气泡到气泡间距、电极大小、电极形状、电极位置、气泡压力、液体性质、放电能量、放电电压、气体性质和其它反应器操作参数来控制。

第一比率与第二比率之间的差异在于，r1仅代表放电区域中的局部气体滞留，而r2是整个油室中的气体滞留。这是因为两相反应仅在气体和液体之间的界面处发生。R2对于系统的整体规模化和尺寸设计更为重要。另外，r2涉及整体质量利用效率和系统中气体循环的必要性。

在高效可扩展的油处理反应器中，控制r2很重要。R2受各种流体、气体和流量参数的影响。平均气泡直径和气体滞留率主要取决于液体特性、气体表观速度和液体深度r₂＝f(ρ,σ,μ,θ,h)，其中ρ,μ,σ分别是液体密度、粘度和表面张力，而θ和h分别是间隙中的气体表观速度和液体高度。例如，较高的粘度可以减小滞留率，但会增加气泡的平均大小，而较高的表观气体速度会增大滞留率，但会减小气泡的大小。这表明表观速度对r₂的非线性影响。可以使用流体性质控制以及流动模型和实验参数选择来获得适当的r2。

定义的第三参数是单元中的流体体积与总单元体积之比，r₃＝流体体积/单元体积。该值在很大程度上取决于油室的长度与直径之比“长度/直径”以及OTR单元的配置(例如，如何组织其电气部件(电容器和电阻器)以及液体入口和出口)。第三值(r₃)对等离子体化学过程的影响应较小，因为它实质上是反应器的物理参数。但是它对反应器的整体尺寸和成本的影响是巨大的，因为由它引起的差异可能高达5-10倍。按照r₃相同的思想，将第四参数r₄定义为流体体积与单位平方体积之比：r₄＝流体体积/单位平方体积。可以假设反应器单元看起来像是一个矩形固体，其体积就是L×H×W。定义的第五参数是r₅，或者气泡表面积与总流体体积之比：r₅＝气泡表面积/总流体体积。第五参数的值很重要，因为气液反应仅在界面处发生，并且该值指示气体和液体彼此之间的接触程度。

定义的第六参数是间隙中的相对气泡柱长度：r₆＝L_气泡/d_间隙。该参数很重要，因为它决定了气体放电行为和气液接触，这是等离子体化学反应器的两个最重要的方面。如果间隙恒定，则L_气泡+L_液体＝d_间隙。此参数取决于两相流模式。

图2从左到右示出三种不同的流动模式：较不稠密的气泡流、较稠密的气泡流和环形流。它们的估计结果r₆分别为0.25、0.85和1。流动模式A以非常低的表观气体速度发生，并且气泡被很好地分离。间隙的大部分被液体填充，因此击穿电压会很高，这并非是所期望的。当气体的表观速度足够高以使大量气泡均匀分布但仍彼此分离时，就会发生流动模式B。为了获得r1、r1'和r2的适当值，这可能是理想的。在该类型的流动模式中，火花间隙中有很多气泡，气泡之间的液体层很薄。在这种情况下，气体和液体的接触面积较大。气体击穿电压很容易控制，并且不能太高(这会导致放电能量太高和r1太高)。流动模式C称为环形流。环形流基本上以很高的表观气体速度发生，并且所有气泡合并成直接连接两个电极的气相柱。模式C的缺点是，即使产生等离子体的电击穿电压可能较低，也无法在放电后反应性气体物质与液体之间提供足够的接触。在条件C下，r1太小。在这种情况下，期望的流动模式为B，其中同时优化了气体放电和气液接触。在各种实施方式中，参数r₆应在0.8<r₆<1的范围内。

图3示出了当使甲烷通过0.5mm的针以0.03LPM(升/分钟)流入较轻的矿物油中时在液体中的两种不同的气泡行为。主要区别在于，当施加电压时，电场将有助于减小气泡的大小并增加气泡的数量。电场显著增加了气体的表观速度。如果原始气体流速太高，可能会将流动模式从气泡流变为环形流。这种情况下r₆的变化值从小于0.5到大于0.95。

第七和第八参数可以定义为r₇和r₈。它们都是无量纲数，与反应器的大小无关。油停留时间乘以放电频率的结果为r₇＝t_油*f，而气体停留时间乘以放电频率的结果为r₈＝t_气体*f。参数r₇直接决定能量在油中的沉积，并允许在所需剂量上进行二维操作：频率变化或油流量变化。参数r₈表示气泡在从反应器的反应区对流之前参与放电事件的次数。较大的r₈值并非是所期望的，因为每次发生放电时气泡中的气体物质都会发生变化，并且r₈的值较高或不受控制会导致混合气体不受控制，并且工艺产品的选择性较低。理想情况下，r₈的值在0.5到1的范围内。r₈<1的值很好，它们只是表明一些气泡通过反应区而它们中并没有放电。从气体质量利用的角度来看，非常低的r₈值(虽然不一定对整个过程的转换或经济性不利)是无效的。从气体混合物控制和产物选择性的角度来看，r₈＞1的值并非是所期望的。r₈<10的值可能在过程参数的可接受范围内。例如，增加该数量的气相物质将增加涉及气相反应的可能性。

另一个重要参数是首先发生放电的击穿模式。理想情况下，放电仅在气相中发生，因为它需要较小的击穿电压(在气泡中或气泡上)。还可能首先在带有薄液体层的气泡之间发生击穿。在实验中已经确定了多种击穿机理来研究该参数。认为只有当整个火花间隙被封闭在气泡中时，第一击穿机理才在气相中发生，如图4A所示。击穿首先发生在存在较强电场的电极尖端上。如图4B所示，第二放电机理由液体中的污染物引发。当污染物从一个电极得到电荷并在电场中向第二个电极移动时，在此过程中会发生击穿。如图4C所示，第三和第四放电机理可能是由于带电气泡引起的。在带电气泡上观测到了泰勒锥。随后的击穿与泰勒锥相关，因为泰勒锥在两个气泡之间或气泡与电极之间的电场中发生变化。

上面定义的八个规模化参数可以分为两类：性能指示参数，包括r₁、r₂、r₅和r₆，它们大致指示该等离子体化学反应器中的气液相互作用；规模指示参数，包括r₃、r₄、r₇和r₈，它们可以表示反应器空间利用效率和反应器功率强度。

关于单间隙规模化模型，通常，期望优化或以其它方式改善上面定义的规模化参数。目的是在不显著增加反应器的整体尺寸和重量的情况下增强气液接触。反应器的设计和材料选择也在SolidWorks中进行。为了例示说明反应器的设计和材料选择，图5和6中显示了两个3D组件模型。在图5中，示出了在油室高度变化情况下恒定的油室直径，在图6中，示出了在油室直径变化情况下恒定的油室高度。L/D的默认值为1.23(L＝2英寸(5.08厘米)和D＝1.625英寸(4.1275厘米))。可以评估这两种设计对规模化扩大参数的影响。

基于具有八种不同配置的两种不同的设计构思，估计了反应器设计和配置对反应器单元重量、体积和上述所有参数的影响。在EES(工程方程求解器)中建立了模型。默认剂量和生产率分别选择为200kGy和5000桶/天。另外，假设油密度为900kg/m³，气泡为0.03SLPM。

为了更好地比较不同设计的效果，定量地假设所有设计的r₁＝1以代表理想情况，其中两个电极之间的所有气泡均发生放电，并且r₂是放电区域中气体滞留的一部分，并且取决于油的性质、电极距离和注气方法。在规模化模型中，假设平均气泡直径等于注气针的内径，并且间隙中的气泡数等于电极距离除以气泡直径。气泡体积和气泡表面积分别是气泡数乘以气泡平均体积和平均表面积的结果。基于选定的材料，在SolidWorks中评估了反应器单元的体积和质量。在模型中估计了单元的总数量以及总重量和体积。

现在将提供单间隙规模化模型的结果。表1总结了来自不同设计的OTR1反应器配置以及所有规模化扩大参数。所有设计的放电间隙均为10mm。注气的内径为0.25mm，气体以0.03LPM的速度注入油中。有一根注气针作为负电极，在顶部有一块板作为正电极。电路包括电阻器和电容器，它们在SolidWorks组件中未进行显示。L/D和D/L都随值1、1.5和2而变化。

表1：OTR1设计和配置

表2总结了具有不同L/D和D/L值的反应器的设计和建模结果，包括规模化参数、反应器单元的重量和体积、反应器单元的数量以及总重量和体积，以便满足5000桶/天的生产率。通过观察r₃和r₄可以容易地确定设计对反应器重量和体积的影响。

与L/D＝1的设计相比，L/D＝2的设计增加了12％的重量和体积，这意味着反应器的物理尺寸对其L/D值敏感。设计对反应器性能的影响更为重要，可以用参数r₁、r₂、r₅和r₆来表征。应当记住，这些参数不仅取决于反应器的配置，而且主要取决于两相流的流动模式和两个电极之间的施加电压。对于提供的流动条件和电压，诸如气泡体积和气泡表面积之类的参数应相似。由于腔室中的油体积随L/D值的增加而增加，因此r₂和r₅相应减小。

D/L对反应器重量和体积的影响更为显著。如果D/L从1变为2，单元重量和体积将增加2倍。这表明反应器的物理尺寸对其D/L值非常敏感。由于设计不同，在r₁、r₂、r₅和r₆上发现了类似的趋势。随着D/L值的增加，它们都减小了。但是，不同之处在于，这些参数随着D/L值的变化而变化更快。

表2：设计对所有定义的参数以及整体重量和体积的影响

现在将讨论具有紧凑放电模块的示例性多火花间隙反应器。单火花间隙规模化扩大过程很重要，因为其决定了在多相反应器中使用该类型放电的性能。如果针对一个放电间隙正确选择了参数，则可以使其性能最大化。在各种实施方式中，所有其它放电间隙应以相同的方式和相似的响应进行操作。这为使用本文所讨论的第二种方法为下一步的规模化扩大过程铺平了道路。第二种方法使用多个放电模块构建三维反应器矩阵。所得到的具有不同数量的放电模块来处理烃的装置可用于油田或炼油厂。模块可以很容易地组装成既可以作为油处理反应器独立工作，也可以在结合到现有系统之后在该现有系统中工作。模块的数量可以根据生产要求相对容易地改变。这些模块的故障排除和更换也因为它们彼此独立而更加容易。该装置由模块组成。每个模块都可以通过其自己的流体流量控制和电源控制独立工作，此外，该装置和模块可以具有歧管和快速连接，快速连接允许在不对系统造成过多干扰的情况下添加或移除模块。

在各种实施方式中，具有多个放电模块的该装置可以被内置到重油的连续流动系统中，从而使得重油在流经放电室时可以得到处理。该装置可以位于运输管道上游的油田上的生产井附近或炼油厂中。基本上，它可以用作移动式油处理反应器，并可以运输到需要其的任何地方。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。

现在将讨论带有放电模块的示例性规模化扩大模型。三维多火花间隙反应器采用SolidWorks设计并进行3D打印。它们同时包括油进料和气体进料机制以及带有电极连接和绝缘的多个放电间隙。图7提供了具有四个火花间隙而没有冷凝器的反应器之一的3D视图。图8提供了具有冷凝器的类似反应器的3D视图。图9表示具有9个放电反应器单元的1×3×3矩阵。在某些实施方式中，这可以用作独立的放电反应器模块。每个模块都有自己的气体入口和出口、进料输入和输出以及电极和高电压连接。这些特征旨在允许每个模块独立运行。

现在将提供使用模块来规模化扩大反应器的结果。在固定每个放电单元的设计和尺寸之后，可以组装带有多个模块的更大尺寸的反应器。每个模块可以包含多个带有多个间隙的放电单元。反应器的生产率和功率至少部分取决于模块的数量以及模块中放电单元的组织方式。有利地，可以独立工作并且与其它模块兼容的模块和系统可以被设计为使得例如在不影响系统的情况下迅速和容易地添加或移除模块。规模化扩大的装置由模块组成。每个模块都可以通过其自己的流体流量控制和电源控制独立工作，此外，该装置和模块可以具有歧管和快速连接，快速连接允许在不对系统造成过多干扰的情况下添加或移除模块。

所得到反应器的功率可以取决于期望的生产率和输入到处理过的油的比能。然后，可以根据总功率和每个火花间隙的功率来计算总放电间隙。这可以允许估计以已知的特定能量输入在一定的生产率下对油提质所需的火花间隙和模块的数量。所得到的反应器的物理尺寸可以取决于模块的数量和模块配置，这可以基于每个放电单元的已知信息来估计。表3估计了每天生产率在10至1000桶之间并假设能量输入为200kJ/kg时火花间隙和模块的数量。这些值基于稳态开放系统中的质量平衡和能量平衡。基于将输入物经济地转换为产品的典型条件，已知比能量输入量和质量流率，我们可以计算系统的功率。然后将功率除以每个火花间隙功率，以计算出火花间隙的数量。通过使用每个模块已知的火花间隙数量，我们可以计算模块的数量。

表3：基于生产率和比能量输入的火花间隙和模块数量估计

所公开的具有多个放电模块的示例性装置的有益效果包括以下有益效果。首先，模块在大气压和温暖的温度下充当油处理反应器，以通过将重质物质转化为轻质物质来对重油提质。这种不那么严苛的条件提供了良好的过程安全性，并节省了在极端温度和压力情况下使用的大量资金成本。其次，每个模块都独立于其它模块工作，因此在反应器维护和零件更换过程中，其具有很高的成本效益和更少的时间消耗。第三，由于其设计方式，这种多模块装置可潜在地用作移动式油处理反应器。它通常非常紧凑和可靠并且易于运输。

在不同的版本中，所公开的方法使用不同数量的放电模块作为油处理反应器来处理重油。在油中产生气体放电，并且其与油分子反应。与用于烃重整或气体生产的实验室规模的放电室不同，所公开的方法使用多个放电单元一起作为油处理反应器工作。在示例性实施方式中，装置使用多个放电模块，并且模块的数量可以基于过程和生产要求而变化。每个放电单元可以使用甲烷和氢气的混合物来在油中产生放电，并且可以调整和控制放电特性以匹配油处理要求。

以下符号列表与本公开内容相关：OTR-油处理反应器；r₁-放电体积比气泡体积；r₂-气相体积比总的两相体积；r₃-流体体积比单位体积；r₄-流体体积比单位平方体积；r₅-气泡表面积比总流体体积；r₆-气泡总长度比放电间隙；r₇-油加工程度；r₈-气体加工程度；L-单元的长度；H-单元的高度；W-单元的重量；LPM-每分钟升；t__油-反应器中的油停留时间；t__气体-反应器中的气体停留时间；f-放电频率；L/D-长度直径比；D/L-直径长度比；q-比能量输入；PR-生产率；GM-每个模块的间隙；NM-模块数量；P-反应器总功率；NG-间隙数量；V-间隙总体积；M-间隙总质量；D_w-反应器装置的宽度；D_l-反应器装置的长度；以及D_h-反应器装置的高度。

在不受理论束缚的情况下，在以上任何过程或实施例中，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，打破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)。

烃的自由基吸引氢原子。载气因此可以在该过程中提供以用作氢原子源。合适的载气可以包括但不限于含氢原子的气体。示例性载气可以包括但不限于氢气、甲烷、天然气和其它气态烃。在以上任何实施例中，可以采用此类示例性载气的混合物。

在该过程将不断进行的情况下，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。

如上所述，示例性过程可以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，与此同时减少该过程对电极的腐蚀作用，会增加等离子体放电和处理过的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，液态烃材料可以迅速加热并蒸发以形成蒸气。因此，液态烃材料的分子可以与载气分子和其中形成的等离子体的颗粒混合。等离子体电子可以与烃分子碰撞，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。自由基还可以由于快速移动的电子与在电极之间建立的等离子通道周围形成的液壁的直接相互作用而产生。

如上所述，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)，以及其它气体。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、天然气或其它气态烃。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，可以比较各种载气或含氢气体的离解能。因此，例如，破坏H₂分子中氢原子之间的键合可能需要约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。

各种类型的放电可用于在气体射流中产生等离子体。这些放电可以是连续模式，也可以是脉冲模式。例如，在一些实施例中，使用连续放电是有效的，例如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，烃馏分产物可以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可以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。

在另一方面，提供了一种用于将液态烃介质转化为烃馏分产物的设备。该设备可以包括放电室，该放电室用于容纳元件以提供用于引起转化的火花放电。放电室以及由此该设备包括被配置为将液态烃材料输送到放电室的入口、被配置为从放电室输送烃馏分产物的出口、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。在放电室中，负电极的第一端可以与正电极的第一端隔开一定距离，该距离限定了电极间放电间隙。为了提供混合液态烃材料与载气的方式，如上所述，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。换言之，载气可以在注入放电间隙时或之前注入到液态烃材料中。负电极的第二端和正电极的第二端可以连接到电容器，并且可以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(V_b)时，可以在电极间放电间隙中形成火花放电。火花放电可以由自由电子引发，自由电子通常通过场发射或其它电子发射过程出现在正电极上。自由电子可以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可以产生火花等离子体通道。在形成火花放电通道之后，放电电流可以流过等离子体。等离子体通道内的电压(V_d)可以低于击穿电压(V_b)。如果电源足以使放电通道中的电流以连续模式流动，则可以产生电弧放电。等离子体的加热也可以发生在火花放电中。然而，温度不仅可以通过调节放电电流的强度来控制，而且也可以通过控制放电的持续时间来控制。在某些实施例中，由于气体中产生的等离子体通道，气体温度可以达到数千摄氏度。

可替代地，可以使用不同的功率方案来产生火花放电。在一些实施例中，可以使用各种不同的脉冲发生器来点燃火花放电。例如，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，火花开关可以直接用作负载，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，可能会发生间隙的击穿，并且在电容器放电期间可能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。

根据各种实施例，正电极和负电极可以成形为扁平电极，可以是片、叶片或扁平端子，和/或是管状电极(即空心的)。空心的电极是中空电极，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可以具有一定曲率半径。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。

如上所述，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馈送到放电室的特定烃材料、注入的载气以及所施加的电压和/或电流进行优化的特征。然而，可以提出电极间放电间隙的一些范围。例如，在以上任何实施例中，电极间放电间隙可以为大约1-3毫米至大约100毫米。这可以包括约3至约20毫米的电极间放电间隙，通过使用30至50kV的工作电压，最佳间隙长度可以为8至12毫米。负电极和正电极两者都可以伸入放电室中。

如上所述，可以将存储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，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，放电是连续的。在其它实施例中，放电是脉冲的。在一些实施例中，放电速率由存储电容器的充电电路中的电阻值来调节。

电源可以连接到整个系统，以提供驱动放电所需的能量输入。在一些实施例中，可以在本文描述的装置中使用具有15至25kV的工作电压的DC电源。电源可以取决于用于处理烃液体的间隙的数量，取决于其长度、脉冲重复频率、通过反应器的液体流速、通过每个间隙的气体流速等。使用12个间隙的设备的示例可以包括利用3.5mm长度的放电间隙的反应器、容量为100pF的电容器、18kV的工作电压和5Hz的脉冲重复频率。消耗的电源范围可以为1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。

可以使用塑料螺钉将HV绝缘体放在与反应器对齐的底部。它的功能是防止底部电极之间的电，以确保在反应区产生火花。在反应器和HV绝缘体之间可能还需要其它O形环或垫圈，以防止不必要的放电。图

通过参考以下示例，可以理解以上整体上描述的设备和方法，这些示例并不旨在以任何方式限制上述设备或方法。

示例

图17显示了模块机架中的9个模块，每个模块包含4个等离子体反应区。模块机架与其它2个机架垂直排列，以形成3×3模块阵列。排列3个模块阵列以构成3×3×3模块矩阵。该系统共有324个等离子体反应区、81个模块、9个模块机架和3个模块阵列。

图11示出了具有集成的轻质产品冷凝器的模块。图7示出了不具有产品冷凝器的模块。

下图8是M＝4模块的照片。图9是填充有液体、气泡和利用主动放电处理的M＝8模块的照片。在M＝8模块的背景中，背景中是另一个M＝8模块(由玻璃制成)。图10显示了带有整体式高压电源子模块的M＝8模块。

通过以下实施例来进一步限定本发明：

实施例A.一种针对用于处理烃的等离子体化学反应器的单火花间隙规模化扩大方法，所述方法包括：定义一组参数，所述一组参数包含性能指示参数和规模指示参数中的至少一者，其中性能参数指示多相反应器中的等离子体-气体和等离子体-液体的相互作用，并且其中规模参数表示反应器空间利用效率和整体尺寸；开发单间隙规模化扩大模型以增强规模参数；以及进行参数研究，以估计多个火花间隙和针对所述火花间隙的总质量信息。

实施例B.一种利用用于处理烃的等离子体化学反应器的反应器模块进行多火花间隙规模化扩大的方法，所述方法包括使用多个反应器模块构建三维反应器矩阵，其中所得到的装置包括基于生产要求所选择的多个放电模块。

实施例C.根据实施例B所述的方法，进一步包括使用所得到的装置在油田或炼油厂中处理烃。

实施例D.根据实施例B或C所述的方法，其中所述放电模块可以在无需现场施工的情况下组装。

实施例E.根据实施例B至D中任一项所述的方法，其中所述放电模块是橇状的或便携式的。

实施例F.根据实施例B至E中任一项所述的方法，其中所得到的装置被独立地用作油处理反应器，或者在结合到油处理系统中之后在所述油处理系统内使用。

实施例G.根据实施例B至F中任一项所述的方法，进一步包括将所述放电模块布置在反应器矩阵中，从而使得可以分别关闭选定的列或行而无需关闭剩余的列或行。

实施例H.根据实施例B至G中任一项所述的方法，进一步包括经由快速连接将所述反应器矩阵连接至外部流体和电气装置。

实施例I.根据实施例B至H中任一项所述的方法，其中每个放电模块将传感器数据实时发送到服务器，以允许进行远程诊断和监测。

实施例J.根据实施例B至I中任一项所述的方法，其中对每个放电模块的气体和流量控制与其它放电模块是分开的。

实施例K.根据实施例B至J中任一项所述的方法，进一步包括添加或移除具有减少的气体泄漏或干扰的放电模块。

实施例L.根据实施例B至K中任一项所述的方法，其中可以以被动方式在放电模块中控制液位。

实施例M.根据实施例B至L中任一项所述的方法，进一步包括使所述反应器不断运行，其中过程的各个阶段或步骤同时发生或依次发生，从而使得随着产物烃馏分从所述反应器排出，将液态烃材料不断地进料至放电反应器。

实施例N.根据实施例B至M中任一项所述的方法，其中所述产物烃包括要通过蒸馏分离的轻质馏分以及在放电间隙中产生但需要从所述产物中除去的固体。

实施例O.根据实施例B至N中任一项所述的方法，其中使用一种或多种类型的油处理反应器(OTR)来开发所述矩阵。

实施例P.一种用于在油田或炼油厂中处理烃的三维反应器矩阵，所述反应器矩阵包括至少三个排列成矩阵的放电模块，从而可以选择性关闭所述矩阵中的某列或行放电模块，而无需关闭未在所述选定的列或行中的放电模块。

实施例Q.根据实施例P所述的反应器矩阵，其中所述反应器矩阵被配置为将关于放电模块的实时信息传输到服务器以进行在线诊断和监测。

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、授权专利和其它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、授权专利或其它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 (17)

1.一种针对用于处理烃的等离子体化学反应器的单火花间隙规模化扩大方法，所述方法包括：

定义一组参数，所述一组参数包含性能指示参数和规模指示参数中的至少一者，其中性能参数指示多相反应器中的等离子体-气体和等离子体-液体的相互作用，并且其中规模参数表示反应器空间利用效率和整体尺寸；

开发单间隙规模化扩大模型以增强规模参数；以及

进行参数研究，以估计多个火花间隙和针对所述火花间隙的总质量信息。

2.一种利用用于处理烃的等离子体化学反应器的反应器模块进行多火花间隙规模化扩大的方法，所述方法包括使用多个反应器模块构建三维反应器矩阵，其中所得到的装置包括基于生产要求所选择的多个放电模块。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括使用所得到的装置在油田或炼油厂中处理烃。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述放电模块可以在无需现场施工的情况下组装。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述放电模块是橇状的或便携式的。

6.根据权利要求2所述的方法，其中所得到的装置被独立地用作油处理反应器，或者在结合到油处理系统中之后在所述油处理系统内使用。

7.根据权利要求2所述的方法，进一步包括将所述放电模块布置在反应器矩阵中，从而使得可以分别关闭选定的列或行而无需关闭剩余的列或行。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括经由快速连接将所述反应器矩阵连接至外部流体和电气装置。

9.根据权利要求2所述的方法，其中每个放电模块将传感器数据实时发送到服务器，以允许进行远程诊断和监测。

10.根据权利要求2所述的方法，其中对每个放电模块的气体和流量控制与其它放电模块是分开的。

11.根据权利要求2所述的方法，进一步包括添加或移除具有减少的气体泄漏或干扰的放电模块。

12.根据权利要求2所述的方法，其中可以以被动方式在放电模块中控制液位。

13.根据权利要求2所述的方法，进一步包括使所述反应器不断运行，其中过程的各个阶段或步骤同时发生或依次发生，从而使得随着产物烃馏分从所述反应器排出，将液态烃材料不断地进料至放电反应器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述产物烃包括要通过蒸馏分离的轻质馏分以及在放电间隙中产生但需要从所述产物中除去的固体。

15.根据权利要求2所述的方法，其中使用一种或多种类型的油处理反应器(OTR)来开发所述矩阵。

16.一种用于在油田或炼油厂中处理烃的三维反应器矩阵，所述反应器矩阵包括至少三个排列成矩阵的放电模块，从而可以选择性关闭所述矩阵中的某列或行放电模块，而无需关闭未在所述选定的列或行中的放电模块。

17.根据权利要求16所述的反应器矩阵，其中所述反应器矩阵被配置为将关于放电模块的实时信息传输到服务器以进行在线诊断和监测。

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