CN208561681U

CN208561681U - 低温等离子体反应设备

Info

Publication number: CN208561681U
Application number: CN201820236531.4U
Authority: CN
Inventors: 张婧; 王林; 张铁; 任君朋; 徐伟; 石宁; 孙峰; 朱云峰
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Qingdao Safety Engineering Institute
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Qingdao Safety Engineering Institute
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2028-02-09

Abstract

本实用新型涉及等离子体化学领域，公开了低温等离子体反应设备，该反应设备包括：内筒(1)；外筒(2)，所述外筒(2)嵌套在所述内筒(1)的外部；中心电极(3)，所述中心电极设置在所述内筒(1)中；由固体导电材料形成且形成内筒的至少部分侧壁或环绕设置在内筒的内侧壁上的接地电极(4)；设置在接地电极和中心电极之间的阻挡介质。本实用新型提供的低温等离子体反应设备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

低温等离子体反应设备

技术领域

本实用新型涉及等离子体化学领域，具体涉及一种低温等离子体反应设备。

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浓度为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提供的低温等离子体反应设备在用于硫化氢的分解时存在的硫化氢转化率低以及分解能耗高的缺陷，提供一种新的能够提高硫化氢转化率以及降低分解能耗的低温等离子体反应设备及应用该反应设备分解硫化氢的方法。

为了实现上述目的，第一方面，本实用新型提供一种低温等离子体反应设备，该反应设备具有同轴夹套筒式结构，且该反应设备包括：

内筒，所述内筒上分别设置有反应物入口和产物出口；

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；

中心电极，所述中心电极设置在所述内筒中；

接地电极，形成所述接地电极的材料为固体导电材料，所述接地电极形成内筒的至少部分侧壁或者所述接地电极环绕设置在所述内筒的内侧壁上；以及

阻挡介质，所所述阻挡介质环绕设置在所述中心电极和所述接地电极之间，且分别与所述中心电极和所述接地电极之间的距离均大于0，以及所述阻挡介质的设置位置使得所述中心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低温等离子体反应设备中实施，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物入口引入至所述低温等离子体反应设备的内筒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低温等离子体反应设备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低温等离子体反应设备所需的温度；所述介质阻挡放电由接地电极、阻挡介质和中心电极形成。

本实用新型提供的前述低温等离子体反应设备能够用于硫化氢的等离子体分解，该反应设备能够产生均匀、高效的介质阻挡放电，从而将硫化氢直接分解生成氢气和硫磺。

本实用新型提供的前述低温等离子体反应设备为具有同轴结构的夹套型介质阻挡放电反应设备，其基本结构主要包括中心电极、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设备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L₁(中心电极的外侧壁与接地电极的内侧壁之间的距离为d1，以及阻挡介质的厚度为D₁，且L₁＝d1-D₁)与阻挡介质的厚度D₁的比例关系为：L₁：D₁＝(0.05～100)：1，以及应用固体接地电极时，能够相对于现有技术显著地提高硫化氢的转化率以及降低分解能耗。

另外，本实用新型提供的低温等离子体反应设备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。以及，本实用新型提供的低温等离子体反应设备还能够用于大流量、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低温等离子体反应设备的一种优选的具体实施方式的结构示意图；

图2是本实用新型提供的低温等离子体反应设备的另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、反应物入口 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

3、中心电极

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，本实用新型的第一方面本实用新型提供了一种低温等离子体反应设备，该反应设备具有同轴夹套筒式结构，且该反应设备包括：

内筒，所述内筒上分别设置有反应物入口和产物出口；

中心电极，所述中心电极设置在所述内筒中；

阻挡介质，所述阻挡介质环绕设置在所述中心电极和所述接地电极之间，且分别与所述中心电极和所述接地电极之间的距离均大于0，以及所述阻挡介质的设置位置使得所述中心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。

优选地，所述中心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，且L₁＝d1-D₁，且L₁与D₁的比例关系为：L₁：D₁＝(0.05～100)：1。更优选情况下，L₁：D₁＝(0.1～30)：1。

本实用新型的所述夹套结构设计，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设备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设备，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。

优选情况下，所述阻挡介质固定连接所述内筒的顶部和/或底部；更优选地，所述阻挡介质中固定连接所述内筒的一端设置有孔结构，使得所述内筒中的反应物和产物能够由所述孔结构进入或引出。

本实用新型对所述阻挡介质的固定方式没有特别的限定，只要能够使得所述阻挡介质固定连接在所述内筒的顶部和/或底部即可。

根据一种优选的具体实施方式，所述内筒的个数为1个。

根据另一种优选的具体实施方式，所述内筒的个数为2个以上，且各个所述内筒中分别设置有所述中心电极、所述接地电极和所述阻挡介质。在该优选的具体实施方式中，优选情况下，各个所述中心电极并联连接；优选地，各个所述接地电极并联连接。

优选地，形成所述阻挡介质的材料为电绝缘材料。更优选地，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，该反应设备还包括接地线，所述接地线设置在所述外筒的外侧壁，且一端与所述接地电极连接。

优选地，所述反应物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。

本实用新型的所述内筒的内径与所述产物出口的孔径之比可以为(0.1～100)：1。

本实用新型的所述反应物入口的孔径与所述产物出口的孔径之比可以为(0.1～120)：1。

本实用新型的所述内筒的长度与所述内筒的内径之间的比例可以为(0.5～500)：1。

优选地，所述气体产物出口设置在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，对所述内筒和外筒之间的内径比没有特别的限定，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内径比。

本实用新型的所述反应物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，配合本实用新型的低温等离子体反应设备的结构，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内筒的外侧壁上时，能够使得采用本实用新型提供的低温等离子体反应设备进行硫化氢分解反应时，硫化氢的转化率更显著地提高。

形成所述中心电极的材料为导电材料，优选地，形成所述中心电极的材料选自石墨管、金属棒、金属管和石墨棒中的至少一种。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。本实用新型的形成所述中心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设备的温度维持在例如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。

本实用新型的所述低温等离子体反应设备中还可以装填有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设备内筒中。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一种分解硫化氢的方法，该方法在前述第一方面所述的低温等离子体反应设备中实施，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物入口引入至所述低温等离子体反应设备的内筒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低温等离子体反应设备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低温等离子体反应设备所需的温度，所述介质阻挡放电由接地电极、阻挡介质和中心电极形成。

本实用新型提供的所述低温等离子体反应设备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低温等离子体反应设备对反应物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提供本实用新型的低温等离子体反应设备的一种优选的具体实施方式的结构，具体地：

该反应设备具有同轴夹套筒式结构，且该反应设备包括：

内筒1，所述内筒1上分别设置有反应物入口11和产物出口；

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；

中心电极3，所述中心电极3设置在所述内筒1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形成内筒1的至少部分侧壁或者所述接地电极4环绕设置在所述内筒1的外侧壁上；以及

阻挡介质6，所述阻挡介质6环绕设置在所述中心电极3和所述接地电极4之间，且分别与所述中心电极3和所述接地电极4之间的距离均大于0，以及所述阻挡介质的设置位置使得所述中心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，所述中心电极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，且L₁＝d1-D₁，且L₁与D₁的比例关系为：L₁：D₁＝(0.05～100)：1。

以下结合图2提供本实用新型的低温等离子体反应设备的另一种优选的具体实施方式的结构，具体地：

该反应设备具有夹套筒式结构，且该反应设备包括：

内筒1，所述内筒(1)上分别设置有反应物入口(11)和产物出口，内筒1的个数为2个以上，各个内筒1的顶部和底部分别对应相通；

外筒2，所述外筒2嵌套在各个所述内筒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各个所述内筒1之间，并且所述导热介质由所述导热介质出口22引出；

中心电极3，所述中心电极3分别设置在各个所述内筒1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形成各个所述内筒1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内筒1的内侧壁上；

阻挡介质6，在各个所述内筒1中，所述阻挡介质6环绕设置在所述中心电极3和所述接地电极4之间，且分别与所述中心电极3和所述接地电极4之间的距离均大于0，以及所述阻挡介质的设置位置使得所述中心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，在各个所述内筒1中，所述中心电极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，且L₁＝d1-D₁，且L₁与D₁的比例关系为：L₁：D₁＝(0.05～100)：1。

在上述图1和图2中，还有如下优选的技术特征：

优选该反应设备还包括接地线5，所述接地线5设置在所述外筒2的外侧壁，且一端与所述接地电极4连接。

优选所述反应物入口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。

优选情况下，在图1所示的具体实施方式中，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。

优选地，在图1所示的具体实施方式中，所述气体产物出口12设置在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)。

优选情况下，在图2所示的具体实施方式中，所述产物出口包括气体产物出口(未示出)和液体产物出口(未示出)，且所述气体产物出口设置在全部所述内筒1的下部，以及所述液体产物出口设置在全部所述内筒1的底部。优选情况下，各个所述内筒1的尺寸相同。

优选情况下，在图2所示的具体实施方式中，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)。

特别地，本实用新型的图1和图2中没有对阻挡介质6的固定方式进行限定，如前所述，本实用新型对阻挡介质的固定方式没有特别的限定，本领域技术人员不应理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提供的低温等离子体反应设备还具有如下具体的优点：

(1)该反应设备使用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实用新型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)该反应设备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设备进行温度控制，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设备，使放电持续稳定的进行。

(3)该反应设备优选通过控制L₁(中心电极的外侧壁与接地电极的内侧壁之间的距离为d1，以及阻挡介质的厚度为D₁，且L₁＝d1-D₁)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，配合本实用新型的反应设备的其余结构，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。

实施例1

采用图1所示的低温等离子体反应设备进行硫化氢分解反应，低温等离子体反应设备的具体结构及结构参数如下所示：

反应设备包括：

内筒，所述内筒上分别设置有反应物入口、气体产物出口和液体产物出口，其中，所述内筒的侧壁由接地电极形成，且形成所述接地电极的材料为不锈钢金属箔，

中心电极，所述中心电极设置在所述内筒的中心轴线位置，形成所述中心电极的材料为不锈钢金属棒；

本实施例中的中心电极的下沿比所述接地电极的下沿更低；

阻挡介质，形成所述阻挡介质的材料为硬质玻璃；

中心电极的外侧壁与接地电极的内侧壁之间的距离为d1，以及阻挡介质的厚度为D₁，且L₁＝d1-D₁，L₁与阻挡介质的厚度D₁的比值为6：1；

气体产物出口的设置位置相对于所述内筒底部的高度H₁与所述含有阻挡介质的放电区域的长度L₂之间的比例关系为：H₁：L₂＝1：46；

本实施例的反应设备内筒的容积为0.2L。

本实施例中混合气从反应设备的内筒的上部进入内筒中，且从位于反应设备内筒下部的气体产物出口引出气体产物，单质硫从位于反应设备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设备的外筒的下部引入，且从反应设备的外筒的上部引出。

低温等离子体反应设备的操作步骤：

从反应物入口向低温等离子体反应设备的内筒中通入氮气，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℃。

然后从反应物入口向低温等离子体反应设备的内筒中通入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11.2s。H₂S/Ar混合气通入反应设备30min后，接通交流高压电源，通过调节电压和频率使中心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17.2kV、频率为8.5kHz、电流为0.80A。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，液体产物间歇放出。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74.1％；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13.2eV/H₂S分子(每分解1分子H₂S需要的能量为13.2eV)。

对比例1

本对比例采用与实施例1相似的低温等离子体反应设备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℃，且放置在反应设备外筒中。

控制混合气流速使得气体在放电区的平均停留时间为18.5s。

本对比例的反应设备内筒的容积为0.05L。

其余均与实施例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15.4％，持续放电1.5h后H₂S转化率降低至5.0％。

本对比例的分解能耗为104eV/H₂S分子。

对比例2

本对比例采用与对比例1相似的低温等离子体反应设备进行，所不同的是：

本对比例中的L₁与阻挡介质的厚度D₁的比值为0.01：1。

控制混合气流速使得气体在放电区的平均停留时间为18.5s；

本对比例的内筒的容积为0.02L。

其余均与对比例1中相同。

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20.7％，持续放电1.5h后H₂S转化率降低至4.3％。

本对比例的分解能耗为140eV/H₂S分子。

实施例2

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

接地电极设置在内筒的内侧壁上，形成所述接地电极的材料为不锈钢金属箔；

L₁与阻挡介质的厚度D₁的比值为20：1；

H₁与所述含有阻挡介质的放电区域的长度L₂之间的比例关系为：H₁：L₂＝1：300。

本实施例中从反应物入口向低温等离子体反应设备的内筒中通入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9.6s。H₂S/Ar混合气通入反应设备30min后，接通交流高压电源，通过调节电压和频率使中心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18.5kV、频率为10.5kHz、电流为1.05A。

其余均与实施例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73.4％；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14.1eV/H₂S分子。

实施例3

采用图2所示的低温等离子体反应设备进行硫化氢分解反应，低温等离子体反应设备的具体结构及结构参数如下所示：

反应设备包括：

4个内筒，各个所述内筒的顶部和底部分别对应相通，4个内筒的尺寸完全相同，所述内筒的侧壁由接地电极形成，形成所述接地电极的材料为不锈钢金属箔；

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各个所述内筒之间，并且所述导热介质由所述导热介质出口引出；

中心电极，所述中心电极设置在各个所述内筒的中心轴线位置，形成所述中心电极的材料为不锈钢金属棒，各个内筒中的中心电极并联连接；

本实施例中的中心电极的下沿与所述接地电极的下沿齐平。

阻挡介质，形成所述阻挡介质的材料为硬质玻璃；

在各个内筒中，L₁与所述阻挡介质的厚度D₁的比值为0.5：1；

H₁与L₂之间的比例关系为：H₁：L₂＝1：150；

本实施例的整个反应设备内筒的容积为1L。

本实施例中混合气从反应设备内筒的上部进入内筒中，且从气体产物出口引出气体产物，单质硫从位于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设备的外筒的下部引入，且从反应设备的外筒的上部引出。

等离子体反应设备的操作步骤：

从反应物入口向反应设备的内筒中通入氮气，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℃。

然后从反应物入口向反应设备的内筒中通入H₂S/Ar混合气，其中H₂S体积分数为65％，控制混合气流速使得气体在放电区的平均停留时间为12.0s。H₂S/Ar混合气通入反应设备30min后，接通交流高压电源，通过调节电压和频率使中心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15.2kV、频率为850Hz、电流为2.5A。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74.0％；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14.1eV/H₂S分子。

实施例4

L₁与阻挡介质的厚度D₁的比值为35：1。

其余均与实施例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70.5％；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22.8eV/H₂S分子。

由上述结果可以看出，应用本实用新型提供的低温等离子体反应设备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设备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

1.一种低温等离子体反应设备，该反应设备具有同轴夹套筒式结构，且该反应设备包括：

内筒(1)，所述内筒(1)上分别设置有反应物入口(11)和产物出口；

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)；

中心电极(3)，所述中心电极(3)设置在所述内筒(1)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)形成内筒(1)的至少部分侧壁或者所述接地电极(4)环绕设置在所述内筒(1)的内侧壁上；以及

阻挡介质(6)，所述阻挡介质(6)环绕设置在所述中心电极(3)和所述接地电极(4)之间，且分别与所述中心电极(3)和所述接地电极(4)之间的距离均大于0，以及所述阻挡介质的设置位置使得所述中心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所述的低温等离子体反应设备，其中，所述中心电极(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，且L₁＝d1-D₁，且L₁与D₁的比例关系为：L₁：D₁＝(0.05～100)：1。

3.根据权利要求2所述的低温等离子体反应设备，其中，L₁：D₁＝(0.1～30)：1。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的低温等离子体反应设备，其中，所述阻挡介质(6)固定连接所述内筒(1)的顶部和/或底部。

5.根据权利要求4所述的低温等离子体反应设备，其中，所述阻挡介质(6)中固定连接所述内筒(1)的一端设置有孔结构，使得所述内筒(1)中的反应物和产物能够由所述孔结构进入或引出。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的低温等离子体反应设备，其中，所述内筒(1)的个数为1个。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的低温等离子体反应设备，其中，所述内筒(1)的个数为2个以上，且各个所述内筒(1)中分别设置有所述中心电极(3)、所述接地电极(4)和所述阻挡介质(6)。

8.根据权利要求7所述的低温等离子体反应设备，其中，各个所述中心电极(3)并联连接。

9.根据权利要求7所述的低温等离子体反应设备，其中，各个所述接地电极(4)并联连接。

10.根据权利要求1-3中任意一项所述的低温等离子体反应设备，其中，形成所述阻挡介质的材料为电绝缘材料。

11.根据权利要求1-3中任意一项所述的低温等离子体反应设备，其中，该反应设备还包括接地线(5)，所述接地线设置在所述外筒(2)的外侧壁，且一端与所述接地电极(4)连接。

12.根据权利要求1-3中任意一项所述的低温等离子体反应设备，其中，所述反应物入口(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。

13.根据权利要求12所述的低温等离子体反应设备，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。

14.根据权利要求13所述的低温等离子体反应设备，其中，所述气体产物出口(12)设置在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)。

15.根据权利要求14所述的低温等离子体反应设备，其中，H₁：L₂＝1：(0.1～10000)。

16.根据权利要求1-3中任意一项所述的低温等离子体反应设备，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。

17.根据权利要求1所述的低温等离子体反应设备，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。

18.根据权利要求1所述的低温等离子体反应设备，其中，形成所述中心电极(3)的材料选自石墨管、金属棒、金属管和石墨棒中的至少一种。