CN208553673U - 高通量等离子体反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及等离子体化学领域，公开了一种高通量等离子体反应装置，包括：含有反应管(14)的内筒(1)；嵌套在内筒(1)的外部的外筒(2)；中心高压电极(3)；分别环绕设置在各个所述反应管(14)的外侧壁上或者形成侧壁的接地电极(4)；设置在中心高压电极(3)的至少部分外表面上的阻挡介质(6)。本实用新型提供的高通量等离子体反应装置能够在明显较高的硫化氢转化率下实现硫化氢分解过程的持续和稳定进行，并且装置能够实现长周期运行。

Description

高通量等离子体反应装置

技术领域

本实用新型涉及等离子体化学领域，具体涉及一种高通量等离子体反应装置。

背景技术

硫化氢(H₂S)是一种剧毒、恶臭的酸性气体，不仅会引起金属等材料的腐蚀，而且会危害人体健康，污染环境。目前我国大中型炼油厂均采用传统的克劳斯法(Claus)处理含H₂S的尾气，并回收硫磺。该方法只回收了硫化氢中的硫，却将宝贵的氢转化为水。从资源的综合利用角度考虑，在传统的硫化氢回收工艺中，氢资源并没有得到有效的利用。因此，将硫化氢分解为硫磺和氢气逐渐成为了国内外科研工作者重点关注的技术领域。

目前，硫化氢分解方法主要包括：高温分解法、电化学法、光催化法和低温等离子体法等。在前述多种方法中，高温热分解法在工业技术上相对成熟，但硫化氢热分解强烈地依赖于反应温度，并且受热力学平衡限制，即使反应温度在1000℃以上，硫化氢的转化率也仅为20％。另外，高温条件对反应器材质的要求较高，这也会增加运行成本。此外，由于硫化氢热分解转化率低，需要将大量的硫化氢气体从尾气中分离并在系统中循环，因此也降低了装置效率并且增加了能耗，这些均给其大型工业化应用带来困难。采用膜技术虽然可以有效的分离产物从而打破平衡限制，提高硫化氢转化率，但热分解温度往往会超过膜的极限耐热温度，使膜材料结构遭到破坏。电化学法则存在操作步骤多、设备腐蚀严重、反应稳定性差和效率低等缺点。光催化法分解硫化氢主要借鉴光催化分解水的研究，研究重点集中在开发高效半导体光催化剂等方面。利用太阳能来分解硫化氢，具有能耗低、反应条件温和、操作简单等优点，是较为经济的方法。但这种方法存在处理量小、催化效率低并且催化剂容易失活等问题。

与其他分解方法相比，低温等离子体方法具有操作简单，装置体积小，能量效率高等优点，而且其中涉及的反应具有高度的可控性，可在小处理量、难以集中处理情况下灵活地被应用。此外，由于其具有高能量密度和可缩短反应时间的特点，能够实现在较低温度下将硫化氢进行有效的分解，适合于不同规模、布局分散、生产条件多变的场合。而且，在回收硫磺的同时，低温等离子体方法将氢资源回收，能够实现硫化氢资源化的利用。

目前，国内外研究人员对低温等离子体分解硫化氢技术进行了广泛的研究，使用的放电形式主要包括辉光放电、电晕放电、滑动电弧放电、微波等离子体、射频等离子体和介质阻挡放电等。

文献《International journal of hydrogen energy》，2012,37：1335-1347.采用收缩正常辉光放电的方法分解硫化氢，在压强0.02Mpa、温度2000～4000K条件下得到硫化氢最低分解能耗为2.35eV/H₂S。但此反应温度高、压强低，条件苛刻不易于实现。

文献《International journal of hydrogen energy》，2012,37：10010-10019采用微波等离子体分解硫化氢，在大气压、温度2400K条件下可将硫化氢完全分解，但分解后的氢和硫会在高温下迅速复合重新生成硫化氢，目前尚未有相应的淬冷措施。

文献《Chemical Engineering Science》，2009，64(23)：4826-4834.采用脉冲电晕放电进行了H₂S分解制取氢气和硫磺的研究，反应器采用线管式结构，在固定功率100W条件下考察了脉冲形成电容、放电电压以及脉冲频率对H₂S转化率和分解能效的影响。结果表明，在功率一定的条件下，低脉冲形成电容、低放电电压以及高脉冲频率有利于获得高H₂S分解能效；另外，与Ar和N₂作为平衡气相比，以Ar-N₂混合气作为平衡气时可以得到更高的H₂S转化率，在Ar/N₂/H₂S体积分数为46％/46％/8％、放电功率60W、脉冲形成电容720pF时，获得的H₂S最低分解能耗为4.9eV/H₂S，但此时H₂S转化率仅为30％左右。另外，此反应体系的流量仅为1.18×10^-4SCMs^-1，这种低流量、低浓度、低转化率的反应效果在工业生产中没有实际意义。

文献《Journal of applied physics》，1998，84(3)：1215-1221使用滑动弧光放电对H₂S分解反应进行了研究，其方法是将H₂S用空气稀释至浓度为0～100ppm，在气体总流速为0～100L/min条件下考察了气体流动速率、反应腔体尺寸和频率对H₂S分解反应的影响。实验结果表明低气体流速、小盘间距及低频率有利于获得较高的H₂S转化率，在优化的放电条件下得到的H₂S转化率可达75～80％，但H₂S分解能耗高达500eV/H₂S，这种浓度低、能耗高反应效果同样没有工业应用前景。

介质阻挡放电通常可在大气压下产生，并且放电温度较低。此外，由于介质的存在限制了放电电流的增长，从而避免了气体完全击穿形成火花或电弧，这有利于大体积、稳定等离子体的产生，具有较好的工业应用前景。

文献《Plasma chemistry and plasma processing》，1992，12(3)：275-285使用改进的臭氧发生器考察了H₂S在130～560℃范围内的放电特性，并研究了反应温度、H₂S进料浓度、注入功率以及添加H₂、Ar、N₂等对H₂S转化率和能量效率的影响，实验发现添加Ar能够促进H₂S的分解，在总流量50～100mL/min、H₂S浓度为20～100％条件下得到转化率为0.5～12％，最低产氢能耗约为0.75mol/kWh(50eV/H₂)，然而，此过程依然存在转化率低和能耗高的缺点。

CN102408095A使用介质阻挡放电和光催化剂协同分解硫化氢，其方法是将具有光催化活性的固体催化剂填充在等离子体区，然而该方法存在硫化氢分解产生的硫磺会沉积在催化剂床层下方的缺点。

文献《International Journal of Energy Research》，2013，37(11)：1280-1286.将Al₂O₃，MoO_x/Al₂O₃，CoOx/Al₂O₃和NiO/Al₂O₃催化剂填充在放电区，使用介质阻挡放电和催化剂进行了H₂S分解研究。反应结果表明MoOx/Al₂O₃和CoOx/Al₂O₃催化剂具有较好效果；其中当填充MoOx/Al₂O₃催化剂，在H₂S/Ar总流量150mL/min、H₂S浓度5体积％、注入比能SIE为0.92kJ/L、催化剂填充长度为床层10％时，得到的H₂S最高转化率约为48％。但此反应过程硫化氢浓度较低，分解产生的硫磺沉积在反应器内部，随着时间的延长，催化剂活性下降、放电稳定性降低，导致硫化氢的转化率逐渐降低。

CN103204466A公开了一种控温式硫化氢分解装置和方法，该装置的特点是中心高压电极为金属、接地电极为温度可控的循环液体，通过液体接地电极的温度控制，使得硫化氢分解过程能够连续稳定的进行。另外，CN103204467A公开了一种硫化氢持续稳定分解制取氢气的装置和方法，该现有技术的特点是以中心高压电极为金属、接地电极为温度可控的循环液体，通过液体接地电极进行温度控制，原料进气方向为周向进气、并以螺旋模式沿轴向逆向通过放电区，使得产生的硫磺被及时离心分离出来。然而，CN103204466A和CN103204467A公开的方法中为了保证硫化氢尽可能充分地被分解，需要控制硫化氢的流速使得其在反应器内筒中的停留时间更长以及控制内筒的尺寸使得内筒中单位体积的气体获得的电能更多，并且，由于目前的现有技术无法提供功率更大的电源，使得采用CN103204466A和CN103204467A公开的方法即便是控制硫化氢的停留时间更长以及控制内筒的尺寸以使得内筒中单位体积的气体获得的电能更多也仅仅能够使得硫化氢的最高转化率达到20％左右，并且，当硫化氢的最高转化率达到20％左右时，硫化氢分解反应的能耗相当高，并不适合于大型工业应用。进一步地，CN103204466A和CN103204467A公开的方法中还存在可用液体接地电极的种类极少的缺陷，其所公开的盐溶液等一般仅能维持反应器的温度为100℃以下，而在100℃以下，单质硫一般为固态，容易造成反应器的堵塞。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术在将硫化氢分解为氢气和单质硫时存在的硫化氢转化率低、能耗高以及无法实现大流量硫化氢处理的缺陷，提供一种新的高通量等离子体反应装置及应用该高通量等离子体反应装置分解硫化氢的方法。

为了实现上述目的，本实用新型的第一方面提供一种高通量等离子体反应装置，该反应装置具有夹套筒式结构，且该反应装置包括：

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，所述接地电极分别环绕设置在各个所述反应管的内侧壁上，或者所述接地电极分别形成各个所述反应管的至少部分侧壁；

阻挡介质，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；

其中，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。

第二方面，本实用新型提供一种分解硫化氢的方法，该方法在本实用新型第一方面所述的高通量等离子体反应装置中实施，该方法包括：在介质阻挡放电条件下，将含有硫化氢的原料气从反应器入口引入至所述高通量等离子体反应装置的内筒的反应管中进行硫化氢的分解反应，分解后获得的物流由所述产物出口引出，并且，通过持续由导热介质入口向所述高通量等离子体反应装置的外筒中引入导热介质以及由导热介质出口引出所述导热介质而维持所述高通量等离子体反应装置所需的温度，所述介质阻挡放电由各个所述反应罐中的接地电极、阻挡介质和中心高压电极形成。

本实用新型提供的前述高通量等离子体反应装置为具有同轴结构的夹套型介质阻挡放电反应装置，其基本结构主要包括中心高压电极、固体接地电极及阻挡介质等，该套筒式结构能够使得导热介质对放电反应装置进行循环加热或冷却，从而实现对放电区域的灵活温度控制。特别优选地，本实用新型通过控制所述阻挡介质的外侧壁和所述接地电极的内侧壁之间的距离L₁与放电区域的长度L₂之间的比例关系为：L₁：L₂＝1：(0.5～6000)时，能够相对于现有技术显著地提高硫化氢的转化率。

本实用新型提供的高通量等离子体反应装置具有硫化氢转化率高、能耗低以及能够实现大流量硫化氢处理的优点。

并且，本实用新型提供的高通量等离子体反应装置能够产生均匀、高效的介质阻挡放电，从而高效率地将硫化氢直接分解生成氢气和硫磺。

另外，本实用新型提供的高通量等离子体反应装置能够在明显较高的硫化氢转化率下实现硫化氢分解过程的持续和稳定进行，并且装置能够实现长周期运行。进一步地，本实用新型提供的高通量等离子体反应装置还能够用于大流量、高浓度的硫化氢处理过程。

附图说明

图1是本实用新型提供的高通量等离子体反应装置的一种优选的具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明

1、内筒 2、外筒

11、反应器入口 21、导热介质入口

12、气体产物出口 22、导热介质出口

13、液体产物出口

14、反应管

3、中心高压电极

4、接地电极

5、接地线

6、阻挡介质

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，本实用新型提供了一种高通量等离子体反应装置，该反应装置具有夹套筒式结构，且该反应装置包括：

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，所述接地电极分别环绕设置在各个所述反应管的内侧壁上，或者所述接地电极分别形成各个所述反应管的至少部分侧壁；

阻挡介质，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；

其中，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。

优选地，所述阻挡介质的外侧壁和所述接地电极的内侧壁之间的距离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)。

本实用新型的“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。

本实用新型中，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。

本实用新型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，从而有利于本实用新型的反应装置的均匀放电。

关于放电区域的定义，本实用新型需要说明的是：所述放电区域为所述阻挡介质的外侧壁与所述接地电极的内侧壁之间的区域，且所述放电区域的上沿和下沿分别止于所述接地电极在所述中心高压电极上的正投影与所述阻挡介质在所述中心高压电极上的正投影的重叠段的上沿和下沿，从而所述放电区域的长度L₂为所述接地电极在所述中心高压电极上的正投影与所述阻挡介质在所述中心高压电极上的正投影的重叠长度。

本实用新型的所述夹套筒式结构设计，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装置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装置，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。

在本实用新型中，为了进一步提高硫化氢的转化率，优选L₁：L₂＝1：(2～3000)。

特别地，本实用新型的发明人发现，控制L₁：L₂的比例关系在本实用新型的前述范围内，并且控制所述阻挡介质的外侧壁和所述接地电极的内侧壁之间的距离L₁与所述阻挡介质的厚度D₁之间的比例关系为：L₁：D₁＝(0.05～100)：1，特别优选L₁：D₁＝(0.1～30)：1时，利用本实用新型的高通量等离子体反应装置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。

本实用新型的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，所述阻挡介质可以以任何能够固定的方式固定在所述中心高压电极的外表面上，或者，所述阻挡介质也可以以涂层的形式涂覆于所述中心高压电极的外表面上。

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，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，该反应装置还包括接地线，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中的所述接地电极电连接。

优选地，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，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。本实用新型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。

所述反应器入口的孔径与所述气体产物出口的孔径之比可以为(0.1～120)：1。

本实用新型的各个所述反应管的长度与各个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，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，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。

在本实用新型中，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为内筒中的分解反应提供所需温度，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。

本实用新型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。

本实用新型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。本实用新型的固体接地电极，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。本实用新型的发明人发现，采用固体导电材料作为接地电极环绕设置在所述反应管的内侧壁或者形成所述反应管的侧壁时，能够使得采用本实用新型提供的高通量等离子体反应装置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管、金属棒、金属管、石墨棒、金属粉和石墨粉中的至少一种。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、单质金属粉和/或合金金属粉的机械混合物或是金属粉和石墨粉的混合物。本实用新型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及管状材料。

本实用新型能够通过在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反应装置的温度维持在例如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。

本实用新型的所述高通量等离子体反应装置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反应装置的内筒中。本实用新型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。

如前所述，本实用新型的第二方面提供了一种分解硫化氢的方法，该方法在本实用新型第一方面所述的高通量等离子体反应装置中实施，该方法包括：在介质阻挡放电条件下，将含有硫化氢的原料气从反应器入口引入至所述高通量等离子体反应装置的内筒的反应管中进行硫化氢的分解反应，分解后获得的物流由所述产物出口引出，并且，通过持续由导热介质入口向所述高通量等离子体反应装置的外筒中引入导热介质以及由导热介质出口引出所述导热介质而维持所述高通量等离子体反应装置所需的温度，所述介质阻挡放电由各个所述反应罐中的接地电极、阻挡介质和中心高压电极形成。

本实用新型提供的所述高通量等离子体反应装置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，本实用新型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实用新型的限制。

在本实用新型中，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。

本实用新型提供的所述高通量等离子体反应装置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％。

以下结合图1提供本实用新型的高通量等离子体反应装置的一种优选的具体实施方式的结构，具体地：

该反应装置具有夹套筒式结构，且该反应装置包括：

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13，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，所述接地电极4分别环绕设置在各个所述反应管14的内侧壁上，或者所述接地电极4分别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；

其中，在各个所述反应管14中，所述阻挡介质6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。

优选地，所述阻挡介质6的外侧壁和所述接地电极的内侧壁之间的距离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，所述阻挡介质6的外侧壁和所述接地电极4的内侧壁之间的距离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，该反应装置还包括接地线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中的所述接地电极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。

优选情况下，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。

以下提供另一种应用本实用新型前述的高通量等离子体反应装置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。

本实用新型提供的高通量等离子体反应装置还具有如下具体的优点：

(1)该高通量等离子体反应装置使用导电固体材料作为接地电极，与液体接地电极相比，配合本实用新型提供的高通量等离子体反应装置的结构，使得此种接地电极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)该高通量等离子体反应装置的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装置进行温度控制，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装置，使放电持续稳定的进行。

(3)优选情况下，该高通量等离子体反应装置通过控制所述阻挡介质的外侧壁和所述接地电极的内侧壁之间的距离L₁与放电区域的长度L₂之间的比例关系为：L₁：L₂＝1：(0.5～6000)；更优选L₁：L₂＝1：(2～3000)，配合反应装置的结构，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实用新型进行详细描述。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

采用图1所示的高通量等离子体反应装置进行硫化氢分解反应，高通量等离子体反应装置的具体结构及结构参数如下所示：

反应装置包括：

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，所述接地电极分别环绕设置在各个所述反应管的内侧壁上，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；

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硬质玻璃。

在各个反应管中，所述阻挡介质的外侧壁与所述接地电极的内侧壁之间的距离L₁与放电区域的长度L₂的比值为1：1700；

气体产物出口的设置位置相对于所述内筒底部的高度H₁与各个反应管中的所述放电区域的长度L₂之间的比例关系为：H₁：L₂＝1：48；

L₁与所述阻挡介质的厚度D₁之间的比例关系为：L₁：D₁＝6：1；

本实施例中混合气从反应装置内筒的上部进入反应装置内筒中，且从位于反应装置内筒下部的气体产物出口引出气体产物，单质硫从位于反应装置底部的液体产物出口引出；以及本实施例的导热介质从反应装置的外筒的下部引入，且从反应装置的外筒的上部引出。

高通量等离子体反应装置的操作步骤：

从反应器入口向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℃。

然后从反应器入口向高通量等离子体反应装置的内筒中通入H₂S/Ar混合气，其中H₂S体积分数为20％，控制混合气流速使得气体在放电区的平均停留时间为8.8s。H₂S/Ar混合气通入反应装置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18.2kV、频率为3.3kHz、电流为1.8A。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，并从液体产物出口流出。反应后气体从气体产物出口流出。

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13.8eV/H₂S分子(每分解1分子H₂S需要的能量为13.8eV)。

对比例1

本对比例采用与实施例1相似的高通量低温等离子体反应器进行硫化氢分解反应，所不同的是：

本对比例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。

控制混合气流速使得气体在放电区的平均停留时间为19.2s。

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15.6％，持续放电1.5h后H₂S转化率降低至5.1％。

本对比例的分解能耗为115eV/H₂S分子。

实施例2

本实施例采用与实施例1相似的高通量低温等离子反应器进行硫化氢的分解反应，所不同的是，本实施例中：

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；

在各个反应管中，所述阻挡介质的外侧壁与所述接地电极的内侧壁之间的距离L₁与放电区域的长度L₂的比值为1：3000；

气体产物出口的设置位置相对于所述内筒底部的高度H₁与各个反应管中的所述放电区域的长度L₂之间的比例关系为：H₁：L₂＝1：25；

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20％，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21.3kV、频率为0.9kHz、电流为2.3A。

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72.7％；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14.0eV/H₂S分子。

实施例3

本实施例采用与实施例1相似的高通量低温等离子反应器进行硫化氢的分解反应，所不同的是，本实施例中：

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；

在各个反应管中，所述阻挡介质的外侧壁与所述接地电极的内侧壁之间的距离L₁与放电区域的长度L₂的比值为1：300；

气体产物出口的设置位置相对于所述内筒底部的高度H₁与各个反应管中的所述放电区域的长度L₂之间的比例关系为：H₁：L₂＝1：100；

L₁与所述阻挡介质的厚度D₁之间的比例关系为：L₁：D₁＝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20％，控制混合气流速使得气体在放电区的平均停留时间为10.5s。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13.7kV、频率为4.2kHz、电流为2.5A。

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。

实施例4

本实施例采用与实施例1相似的等离子反应器进行硫化氢的分解反应，所不同的是，本实施例中：

L₁与阻挡介质的厚度D₁的比值为37：1。

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66.6％；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24.1eV/H₂S分子。

实施例5

本实施例采用与实施例2相似的等离子反应器进行硫化氢的分解反应，所不同的是，本实施例中：

L₁与放电区域的长度L₂的比值为1：3500；

其余与实施例2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23.7eV/H₂S分子。

由上述结果可以看出，应用本实用新型提供的高通量等离子体反应装置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，以及本实用新型提供的反应装置能够在低的分解能耗下长周期地保持高的硫化氢转化率。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型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实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (16)

1.一种高通量等离子体反应装置，其特征在于，该反应装置具有夹套筒式结构，且该反应装置包括：

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(13)，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，所述接地电极(4)分别环绕设置在各个所述反应管(14)的内侧壁上，或者所述接地电极(4)分别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)；

其中，在各个所述反应管(14)中，所述阻挡介质(6)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。

2.根据权利要求1所述的高通量等离子体反应装置，其中，所述阻挡介质(6)的外侧壁和所述接地电极的内侧壁之间的距离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)。

3.根据权利要求1所述的高通量等离子体反应装置，其中，L₁：L₂＝1：(2～3000)。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的高通量等离子体反应装置，其中，所述阻挡介质(6)的外侧壁和所述接地电极的内侧壁之间的距离L₁与所述阻挡介质的厚度D₁之间的比例关系为：L₁：D₁＝(0.05～100)：1。

5.根据权利要求4所述的高通量等离子体反应装置，其中，L₁：D₁＝(0.1～30)：1。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的高通量等离子体反应装置，其中，各个所述反应管(14)中的中心高压电极(3)彼此并联连接。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的高通量等离子体反应装置，其中，形成所述阻挡介质的材料为电绝缘材料。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的高通量等离子体反应装置，其中，该反应装置还包括接地线(5)，所述接地线设置在所述外筒(2)的外侧壁上，且一端与各个所述反应管(14)中的所述接地电极(4)电连接。

9.根据权利要求1-3中任意一项所述的高通量等离子体反应装置，其中，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。

10.根据权利要求9所述的高通量等离子体反应装置，其中，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。

11.根据权利要求1-3中任意一项所述的高通量等离子体反应装置，其中，各个所述反应管(14)的尺寸相同。

12.根据权利要求10所述的高通量等离子体反应装置，其中，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)。

13.根据权利要求12所述的高通量等离子体反应装置，其中，H₁：L₂＝1：(0.1～10000)。

14.根据权利要求1-3中任意一项所述的高通量等离子体反应装置，其中，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。

15.根据权利要求1所述的高通量等离子体反应装置，其中，形成所述接地电极(4)的材料选自石墨管、金属管、金属箔或金属网。

16.根据权利要求1所述的高通量等离子体反应装置，其中，形成所述中心高压电极(3)的材料选自石墨管、金属棒、金属管、石墨粉、金属粉和石墨棒中的至少一种。