EA043985B1 - DEVICE FOR HYDROCARBON CONVERSION - Google Patents

DEVICE FOR HYDROCARBON CONVERSION Download PDF

Info

Publication number
EA043985B1
EA043985B1 EA202092424 EA043985B1 EA 043985 B1 EA043985 B1 EA 043985B1 EA 202092424 EA202092424 EA 202092424 EA 043985 B1 EA043985 B1 EA 043985B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
spark
circuit
voltage
discharge
input
Prior art date
Application number
EA202092424
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дэвид Стак
Кристофер Кэмпбелл
Мэтью Бёрнетт
Николас Гавлоски
Original Assignee
ЗЭ ТЕКСЭС А энд М ЮНИВЕРСИТИ СИСТЕМ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ЗЭ ТЕКСЭС А энд М ЮНИВЕРСИТИ СИСТЕМ filed Critical ЗЭ ТЕКСЭС А энд М ЮНИВЕРСИТИ СИСТЕМ
Publication of EA043985B1 publication Critical patent/EA043985B1/en

Links

Description

Перекрестная ссылка на родственную заявкуCross reference to related application

Настоящая заявка испрашивает приоритет относительно предварительной заявки на патент США № 62/660694, названной EFFICIENT CIRCUIT IN PULSED ELECTRICAL DISCHARGE PROCESSING, поданной 20 апреля 2018 г. и полностью включенной в настоящий документ посредством ссылки.This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/660694, entitled EFFICIENT CIRCUIT IN PULSED ELECTRICAL DISCHARGE PROCESSING, filed April 20, 2018 and incorporated herein by reference in its entirety.

Область техникиField of technology

Изобретение в целом относится к электрической схеме искрового разряда с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) для использования в промышленной переработке тяжелых жидких углеводородов в более легкие продукты.The invention generally relates to a high efficiency spark discharge electrical circuit for use in the industrial processing of heavy liquid hydrocarbons into lighter products.

Уровень техникиState of the art

Нефтяную и газовую промышленность можно разделить на три хронологических сектора: нефтегазодобыча, промежуточный и последовательная переработка. Сектор нефтегазодобычи включает в себя сектор разведки и добычи. Он охватывает поиск, добычу и извлечение сырой нефти и/или природного газа из подземных или подводных месторождений. Он также охватывает процесс бурения и эксплуатации скважин, с помощью которого извлекают и выводят сырую нефть и сырой газ на поверхность. Разведка включает в себя проведение геологических и геофизических исследований, поиск потенциальных подземных или подводных месторождений сырой нефти и природного газа, получение договоров аренды и разрешений на бурение и весь процесс бурения.The oil and gas industry can be divided into three chronological sectors: oil and gas production, intermediate and downstream. The oil and gas sector includes the exploration and production sector. It covers the exploration, production and extraction of crude oil and/or natural gas from underground or subsea deposits. It also covers the process of drilling and operating wells to extract and bring crude oil and crude gas to the surface. Exploration involves conducting geological and geophysical surveys, searching for potential underground or subsea crude oil and natural gas deposits, obtaining leases and drilling permits, and the entire drilling process.

Промежуточный сектор включает в себя транспортировку сырой нефти или нефтепродуктов, обычно посредством трубопроводов, нефтяных танкеров, барж, грузовиков или по железной дороге. Конечным пунктом назначения являются нефтеперерабатывающие заводы, которые затем начинают последовательную переработку. Промежуточный сектор также включает в себя хранение этих продуктов, а также любые оптовые маркетинговые мероприятия. Промежуточный сектор может также включать в себя элементы нефтегазодобычи и последовательной переработки вследствие своего промежуточного положения. Например, промежуточный сектор может включать заводы по переработке природного газа, которые очищают неочищенный природный газ, а также удаляют и производят элементарную серу и сжиженный природный газ (СПГ) в качестве конечных продуктов.The intermediate sector involves the transportation of crude oil or petroleum products, usually through pipelines, oil tankers, barges, trucks or rail. The final destination is oil refineries, which then begin sequential processing. The intermediate sector also includes the storage of these products, as well as any wholesale marketing activities. The intermediate sector may also include elements of oil and gas production and downstream processing due to its intermediate location. For example, the intermediate sector may include natural gas processing plants that purify raw natural gas and remove and produce elemental sulfur and liquefied natural gas (LNG) as end products.

В последнее время из-за роста цен на сырую нефть, уменьшения запасов средней и легкой сырой нефти и обилия нетрадиционных видов сырой нефти разработка запасов тяжелой сырой нефти и битума стала значительно более предпочтительной. Однако тяжелая сырая нефть и битум обладают множеством недостатков, которые необходимо устранить как при их добыче, так и при транспортировке на нефтеперерабатывающие заводы. Транспортировка тяжелой сырой нефти по трубопроводу затруднена из-за ее высокой плотности и вязкости (>1000 сП) и низкой подвижности при температуре пласта. Кроме того, такие загрязнители, как отложения асфальтенов, тяжелые металлы, сера и минеральный раствор или соль, затрудняют транспортировку и очистку с использованием традиционных способов нефтепереработки. Наличие минерального раствора или соли в тяжелой нефти приводит к коррозии трубопровода. В некоторых случаях это может привести к образованию эмульсии, такой как смесь нефти с водой, что затрудняет транспортировку. Из-за большой молекулярной массы и высокой вязкости тяжелой нефти ожидается большой перепад давления вдоль трубопровода, что сделает его дорогостоящим и энергоемким. Кроме того, отложения асфальтенов забивают стенки, уменьшая площадь поперечного сечения, пригодную для потока нефти.Recently, due to rising crude oil prices, declining medium and light crude oil reserves, and the abundance of unconventional crude oils, the development of heavy crude oil and bitumen reserves has become significantly more favored. However, heavy crude oil and bitumen have many disadvantages that must be addressed both during their extraction and during transportation to refineries. Transporting heavy crude oil via pipeline is difficult due to its high density and viscosity (>1000 cP) and low mobility at reservoir temperatures. In addition, contaminants such as asphaltene deposits, heavy metals, sulfur and brine or salt make transportation and purification difficult using traditional petroleum refining methods. The presence of mineral solution or salt in heavy oil leads to pipeline corrosion. In some cases, this can lead to the formation of an emulsion, such as a mixture of oil and water, which makes transportation difficult. Due to the high molecular weight and high viscosity of heavy oil, large pressure drops along the pipeline are expected, making it expensive and energy intensive. In addition, asphaltene deposits clog the walls, reducing the cross-sectional area available for oil flow.

Следовательно, для решения этих проблем и транспортировки тяжелой нефти могут выполняться дополнительные процессы. Они включают следующие.Therefore, additional processes can be performed to solve these problems and transport heavy oil. They include the following.

(1) Снижение вязкости, например предварительный нагрев тяжелой сырой нефти и битума и последующий нагрев трубопровода, смешивание и разбавление легкими углеводородами или растворителем. Вязкость смешанной смеси определяется добавленным разбавителем и его пропорцией. Для разбавления тяжелой нефти требуется два трубопровода, один для нефти, а другой для разбавителей, что дополнительно увеличивает затраты.(1) Viscosity reduction, such as preheating heavy crude oil and bitumen and then heating the pipeline, mixing and diluting with light hydrocarbons or solvent. The viscosity of the mixed mixture is determined by the added thinner and its proportion. Diluting heavy oil requires two pipelines, one for oil and the other for diluents, which further increases costs.

(2) Эмульгирование за счет образования нефть в воде.(2) Emulsification due to the formation of oil in water.

(3) Снижение лобового сопротивления/сопротивления трения (например, смазка трубопровода за счет использования кольцевого потока, присадки, снижающей сопротивление).(3) Reduction of drag/frictional resistance (e.g., pipeline lubrication through the use of annular flow, drag reducing additive).

(4) Частичное облагораживание тяжелой нефти на месте для получения синтетической сырой нефти с улучшенной вязкостью, плотностью в градусах API (American Petroleum Institute, Американский институт нефти) и сведение к минимуму содержания асфальтенов, серы и тяжелых металлов.(4) Partial in-situ upgrading of heavy oil to produce synthetic crude oil with improved viscosity, API gravity, and minimization of asphaltenes, sulfur and heavy metals.

Частичное облагораживание тяжелой нефти включает преобразование только части вакуумного остатка и получение синтетической сырой нефти (ССН), содержащей 5-25% остатка. Их можно разработать за половину стоимости полного облагораживания, но они не осуществляются в промышленном масштабе из-за отсутствия технологий, недостатков, связанных со стабильностью и экономическими параметрами ССН. Однако в таких странах, как Канада, из-за огромных запасов тяжелой сырой нефти частичное облагораживание становится конкурентоспособным вариантом.Partial upgrading of heavy oil involves converting only part of the vacuum residue and producing synthetic crude oil (SCO) containing 5-25% of the residue. They can be developed at half the cost of a complete upgrade, but they are not implemented on an industrial scale due to the lack of technology, disadvantages associated with the stability and economic parameters of the SSN. However, in countries like Canada, huge reserves of heavy crude oil make partial upgrading a competitive option.

Сектор последовательной переработки представляет собой последний этап нефтегазовой отрасли. Он включает переработку сырой нефти и переработку, и очистку сырого природного газа. Сбыт и распределение продуктов, полученных из сырой нефти и природного газа, также являются частью этого сек- 1 043985 тора. Продукты, поставляемые обычным потребителям, включают газолин или бензин, керосин, реактивное топливо, дизельное топливо, топочный мазут, мазут, смазочные материалы, парафин, асфальт, природный газ и сжиженный нефтяной газ (СНГ), а также массу нефтехимических продуктов.The downstream sector represents the final phase of the oil and gas industry. It includes crude oil refining and the processing and purification of raw natural gas. Marketing and distribution of products derived from crude oil and natural gas are also part of this sector. Products supplied to general consumers include gasoline or gasoline, kerosene, jet fuel, diesel fuel, heating oil, fuel oil, lubricants, paraffin, asphalt, natural gas and liquefied petroleum gas (LPG), and a host of petrochemical products.

В стандартном процессе переработки нефти сырую нефть обессоливают и подвергают атмосферной перегонке, при которой она разделяется на фракции в зависимости от диапазона точек кипения. Температура отсечки атмосферного остатка (АО) составляет приблизительно 350-360°С. Фракции ниже этих значений испаряются и отделяются, тогда как остаток от атмосферной перегонки, содержащий более длинные углеродные цепи, требует дальнейшей перегонки при пониженном давлении и высокой температуре. В связи с этим, проводят процесс вакуумной перегонки, который важен для дальнейшего облагораживания сырой нефти и экстракционных масел. Температура отсечки вакуумного остатка (ВО) составляет приблизительно 565°С.In the standard petroleum refining process, crude oil is desalted and subjected to atmospheric distillation, which separates it into fractions based on a range of boiling points. The atmospheric residue (AR) cutoff temperature is approximately 350-360°C. Fractions below these values are evaporated and separated, while the atmospheric distillation residue, containing longer carbon chains, requires further distillation under reduced pressure and high temperature. In this regard, a vacuum distillation process is carried out, which is important for the further upgrading of crude oil and extraction oils. The vacuum cut-off temperature (VO) is approximately 565°C.

Однако несмотря на обработки АО и ВО нефтеперерабатывающие заводы, которые перерабатывают более тяжелую нефть, все равно будут иметь значительную долю поступающей нефти в виде остатка (например, остаток ллойдминстерской смеси составляет приблизительно 50% при 460°С). Следовательно, для крекинга тяжелой нефти требуется еще несколько процессов. В настоящее время доступно несколько способов крекинга сырой нефти. Из них термический крекинг считается наиболее эффективным и широко используется для преобразования тяжелых углеводородов с более высоким молекулярным весом в более легкие фракции с более низким молекулярным весом.However, despite the AO and BO treatments, refineries that process heavier crudes will still have a significant proportion of the incoming oil as residue (eg Lloydminster mixture residue is approximately 50% at 460°C). Therefore, cracking heavy oil requires several more processes. There are currently several methods available for cracking crude oil. Of these, thermal cracking is considered the most efficient and is widely used to convert higher molecular weight heavy hydrocarbons into lighter, lower molecular weight fractions.

Наиболее часто используемыми способами крекинга являются гидрокрекинг, каталитический крекинг с псевдоожиженным слоем и установка замедленного коксования. Хотя все эти процессы крекинга связаны с некоторыми преимуществами, они также имеют существенные недостатки. Общие преимущества включают возможность производства различных видов топлива от легкого авиационного керосина до тяжелого жидкого топлива в больших количествах.The most commonly used cracking processes are hydrocracking, fluid catalytic cracking and delayed coker. While all of these cracking processes come with some advantages, they also have significant disadvantages. General advantages include the ability to produce a variety of fuels from light aviation kerosene to heavy fuel oil in large quantities.

Однако существенным недостатком применяемых в настоящее время способов синтеза более легких топлив из сырой нефти являются высокие финансовые затраты, связанные с реализацией способа. Для этих способов обычно высоки и капитальные, и эксплуатационные расходы. Кроме того, из-за экономии от повышения масштаба производства вся термическая обработка наиболее эффективна только при большом объеме и площади поверхности. Подсчитано, что минимальный эффективный масштаб для нефтеперерабатывающего завода полного цикла составляет приблизительно 200 тысяч баррелей в сутки (mille barrels per day, MBD) емкости сырой нефти.However, a significant drawback of currently used methods for synthesizing lighter fuels from crude oil is the high financial costs associated with the implementation of the method. Both capital and operating costs are typically high for these methods. Additionally, due to economies of scale, all heat treatments are most effective only at high volume and surface area. It is estimated that the minimum efficient scale for a full-cycle refinery is approximately 200 thousand barrels per day (MBD) of crude oil capacity.

В частности, существующий способ реализуется при высоких температурах и давлениях рабочей среды и поэтому требует специальных материалов для изготовления химических реакторов и другого специального оборудования. Например, реакторы обычно изготавливают из легированных сталей специальных сортов. Еще одним фактором, увеличивающим огромные затраты на эти процессы, является водородное охрупчивание и контроль качества. Водородное охрупчивание представляет собой процесс, при котором металлы, образующие гидрид, такие как титан, ванадий, цирконий, тантал и ниобий, становятся хрупкими и разрушаются из-за внедрения и последующей диффузии водорода в металл.In particular, the existing method is implemented at high temperatures and pressures of the working environment and therefore requires special materials for the manufacture of chemical reactors and other special equipment. For example, reactors are usually made of special grades of alloy steel. Another factor adding to the enormous costs of these processes is hydrogen embrittlement and quality control. Hydrogen embrittlement is a process in which hydride-forming metals such as titanium, vanadium, zirconium, tantalum and niobium become brittle and fracture due to the incorporation and subsequent diffusion of hydrogen into the metal.

Рабочие условия для одноступенчатой установки гидрокрекинга составляют 348-427°С (660-800°F) с увеличением на приблизительно 0,05-0,1 °С (0,1-0,2°F) в день, чтобы компенсировать потерю активности катализатора и давление в диапазоне от 8724 до 13790 кПа (1200-2000 фунтов на кв. дюйм). Установка для коксования топлива работает при 487-500°С (910-930°F) с типичным давлением 103,4 кПа (15 фунтов на кв. дюйм). Для установки каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем реактор и регенератор считаются основными компонентами установки каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем. Реактор находится при температуре приблизительно 535°С и под давлением приблизительно 172,4 кПА (25 фунтов на кв. дюйм), в то время как регенератор для катализатора работает при температуре приблизительно 715°С (1320°F) и давлении приблизительно 241,3 кПа (35 фунтов на кв. дюйм). Поддержание таких рабочих условий обходится очень дорого.Operating conditions for a single stage hydrocracker are 348-427°C (660-800°F) with an increase of approximately 0.05-0.1°C (0.1-0.2°F) per day to compensate for loss of activity catalyst and pressure ranging from 8724 to 13790 kPa (1200-2000 psi). The fuel coker operates at 487-500°C (910-930°F) with a typical pressure of 103.4 kPa (15 psi). For a fluid catalytic cracking unit, a reactor and a regenerator are considered to be the main components of a fluid catalytic cracking unit. The reactor is at a temperature of approximately 535°C and a pressure of approximately 172.4 kPa (25 psi), while the catalyst regenerator operates at a temperature of approximately 715°C (1320°F) and a pressure of approximately 241.3 kPa (35 psi). Maintaining such working conditions is very expensive.

Кроме того, капитальные затраты на установку риформинга, такую как установка гидрокрекинга, очень велики. Подсчитано, что установка гидрокрекинга требует в пять раз больших капитальных затрат, чем атмосферная перегонка. Например, если установка перегонки сырой нефти производительностью 100000 баррелей в день стоит приблизительно 90 млн долларов, то для установки гидрокрекинга с коэффициентом сложности 5 потребуется 450 млн долларов для переработки нефти того же объема.In addition, the capital cost of a reformer such as a hydrocracker is very high. It is estimated that a hydrocracker requires five times the capital cost of atmospheric distillation. For example, if a 100,000 barrels per day crude distillation unit costs approximately $90 million, a complexity factor 5 hydrocracker would cost $450 million to process the same volume of crude oil.

Кроме того, катализаторы, используемые в процессах флюид-каталитического крекинга (ФКК), весьма чувствительны к содержанию различных примесей в сырой нефти. В частности, присутствие серы в сырой нефти приводит к быстрой деградации каталитических свойств катализатора. Таким образом, необходима предварительная обработка (обессеривание) сырья, что увеличивает весомость затрат. Кроме того, никель, ванадий, железо, медь и другие загрязнители, присутствующие в исходном сырье для ФКК, оказывают вредное воздействие на активность и продуктивность катализатора. Особенно неблагоприятны никель и ванадий. Кроме того, удаление части циркулирующего катализатора в качестве отработанного катализатора и замена ее свежим катализатором для поддержания желаемого уровня активности для технологии ФКК увеличивает эксплуатационные расходы способа.In addition, catalysts used in fluid catalytic cracking (FCC) processes are very sensitive to the content of various impurities in crude oil. In particular, the presence of sulfur in crude oil leads to rapid degradation of the catalytic properties of the catalyst. Thus, pre-treatment (desulfurization) of raw materials is necessary, which increases the cost. In addition, nickel, vanadium, iron, copper and other contaminants present in FCC feedstocks have a detrimental effect on catalyst activity and productivity. Nickel and vanadium are especially unfavorable. In addition, removing a portion of the circulating catalyst as spent catalyst and replacing it with fresh catalyst to maintain the desired level of activity for the FCC technology increases the operating costs of the process.

- 2 043985- 2 043985

Плазмохимические способы используют различные типы электрических разрядов для создания плазмы. Такие способы крекинга и риформинга нефти описаны в различных патентах и публикациях. Например, в публикации патента США № 2005/0121366 раскрыт способ и устройство для риформинга нефти путем пропускания электрического разряда непосредственно через жидкость. Недостатком данного способа является малый ресурс электродов и связанная с этим высокая вероятность нарушения искры зажигания между этими электродами. Из-за высокого электрического сопротивления нефти, расстояние между электродами должно быть минимальным. Например, расстояние может составлять приблизительно 1 мм. Однако межэлектродное расстояние быстро увеличивается из-за эрозии электродов, что приводит к прекращению работы и/или поломке системы. Кроме того, использование таких небольших промежутков между электродами позволяет обрабатывать только очень небольшой объем исходного материала в любой момент времени.Plasma-chemical methods use various types of electrical discharges to create plasma. Such methods for cracking and reforming oil are described in various patents and publications. For example, US Patent Publication No. 2005/0121366 discloses a method and apparatus for reforming petroleum by passing an electrical discharge directly through a liquid. The disadvantage of this method is the short service life of the electrodes and the associated high probability of disruption of the ignition spark between these electrodes. Due to the high electrical resistance of oil, the distance between the electrodes should be minimal. For example, the distance may be approximately 1 mm. However, the interelectrode distance increases rapidly due to electrode erosion, resulting in system failure and/or failure. In addition, the use of such small gaps between electrodes allows only a very small volume of feed material to be processed at any given time.

В патенте США № 5626726 описан способ крекинга нефти, в котором используется гетерогенная смесь жидких углеводородных материалов с различными газами, например обработка плазмой дугового разряда. Этот способ имеет те же недостатки, что и описанный выше небольшой разрядный промежуток, и требует специального устройства для смешивания газа с жидкостью, а также получаемой гетерогенной суспензии. Нагрев смеси непрерывным дуговым разрядом приводит к значительным потерям энергии, повышенному сажеобразованию и низкой эффективности.US Pat. No. 5,626,726 describes a petroleum cracking process that uses a heterogeneous mixture of liquid hydrocarbon materials with various gases, such as arc plasma treatment. This method has the same disadvantages as the small discharge gap described above, and requires a special device for mixing gas with liquid, as well as the resulting heterogeneous suspension. Heating the mixture with a continuous arc discharge leads to significant energy losses, increased soot formation and low efficiency.

В патенте России № 2452763 описан способ, в котором искровой разряд происходит в воде, а воздействие разряда передается на гетерогенную смесь газа и жидкого углеводорода или нефти через мембрану. Это увеличивает разрядный промежуток между электродами, что увеличивает срок службы электрода, но снижает эффективность воздействия искрового разряда на углеводород или нефть. Это происходит потому, что большей частью прямой контакт плазменного разряда с углеводородной средой исключен. Кроме того, и без того сложная конструкция с использованием генератора импульсов высокого напряжения дополнительно усложняется из-за использования устройства для приготовления гетерогенной смеси и устройства для отделения обрабатываемой среды от воды, в которой создают искровой разряд.Russian patent No. 2452763 describes a method in which a spark discharge occurs in water, and the impact of the discharge is transmitted to a heterogeneous mixture of gas and liquid hydrocarbon or oil through a membrane. This increases the discharge gap between the electrodes, which increases the service life of the electrode, but reduces the effectiveness of the spark discharge on hydrocarbon or oil. This occurs because, for the most part, direct contact of the plasma discharge with the hydrocarbon medium is excluded. In addition, the already complex design using a high voltage pulse generator is further complicated by the use of a device for preparing a heterogeneous mixture and a device for separating the treated medium from the water in which a spark discharge is created.

В патенте США № 7931785 описаны способы, имеющие высокую эффективность преобразования тяжелой нефти в легкие углеводородные фракции. В этих способах гетерогенная нефтегазовая среда подвергается воздействию электронного пучка и полностью несамоподдерживающегося электрического разряда. Однако практическое использование предложенного способа является проблематичным, так как помимо сложной системы приготовления гетерогенной смеси требуется ускоритель электронов с устройством вывода электронного пучка вакуумной камеры ускорителя в газожидкостной смеси высокого давления. Ускоритель электронов представляет собой сложное техническое устройство, которое значительно увеличивает как капитальные, так и эксплуатационные расходы. Кроме того, любое использование пучка быстрых электронов сопровождается тормозным рентгеновским излучением. Таким образом, все устройство требует соответствующей биологической защиты, что еще больше увеличивает затраты.US Pat. No. 7,931,785 describes processes that have high efficiency in converting heavy oil into light hydrocarbon fractions. In these methods, a heterogeneous oil and gas environment is exposed to an electron beam and a completely non-self-sustaining electrical discharge. However, the practical use of the proposed method is problematic, since in addition to a complex system for preparing a heterogeneous mixture, an electron accelerator with a device for outputting the electron beam of the accelerator vacuum chamber in a high-pressure gas-liquid mixture is required. An electron accelerator is a complex technical device that significantly increases both capital and operating costs. In addition, any use of a beam of fast electrons is accompanied by bremsstrahlung X-ray radiation. Thus, the entire device requires appropriate biological containment, which further increases costs.

Плазмохимические реакторы могут быть добавлены в качестве способов облагораживания на нефтеперерабатывающем заводе для всех видов сырья. Внедрение таких реакторов в процесс на нефтеперерабатывающем заводе, а не в процесс на месторождении тяжелой нефти предлагает простой и поэтапный план разработки по сравнению с реализацией на месторождении. Это в основном связано с тем, что нефть, которая должна проходить через эти реакторы на нефтеперерабатывающих заводах, уже подвергалась ряду предварительных обработок, таких как обезвоживание, обессоливание и атмосферная перегонка. Следовательно, общая обработка будет значительно проще по сравнению с реализацией на месторождении. Нефтеперерабатывающий завод может поставлять сетевое напряжение и газы-носители без дополнительной потребности в их включении в процесс облагораживания. Кроме того, эти реакторы не должны будут соответствовать строгим требованиям к трубопроводам по вязкости, плотности, содержанию олефинов и стабильности нефти, необходимым в полевых условиях. С точки зрения нефтеперерабатывающего завода в данных условиях будет увеличиваться производство необходимых дистиллятов и снижаться нагрузка на установки для коксования и гидрокрекинга, устраняя таким образом узкие места в технологической цепочке.Plasma reactors can be added as refinery upgrade methods for all feedstocks. Implementing such reactors in a refinery process rather than in a heavy oil field process offers a simple and step-by-step development plan compared to field implementation. This is mainly due to the fact that the oil that must pass through these reactors in refineries has already undergone a number of pre-treatments such as dehydration, desalting and atmospheric distillation. Consequently, overall processing will be significantly simpler compared to field sales. The refinery can supply mains voltage and carrier gases without the additional need to include them in the upgrading process. In addition, these reactors will not have to meet the stringent piping requirements for viscosity, density, olefin content and oil stability required in the field. From the refinery's point of view, these conditions will increase the production of the required distillates and reduce the load on cokers and hydrocrackers, thus eliminating bottlenecks in the process chain.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

В одном аспекте представлено эффективное электрическое устройство для генерации периодических искровых разрядов для химического преобразования углеводородов или другого исходного материала; при этом устройство состоит из управляемой током схемы, которая выпрямляет стандартный линейный вход (включая, но не ограничиваясь, 120 В переменного тока 60 Гц, 240 В переменного тока 60 Гц) в высоковольтный выход постоянного тока (например, 50 кВ). Выход постоянного тока может прилагаться к двум или более электродам, находящихся в пределах двухфазной смеси в реакторе обработки.In one aspect, there is provided an efficient electrical device for generating periodic spark discharges for the chemical conversion of hydrocarbons or other feedstock; wherein the device consists of a current-controlled circuit that rectifies a standard line input (including, but not limited to, 120 VAC 60 Hz, 240 VAC 60 Hz) into a high voltage DC output (e.g., 50 kV). The DC output may be applied to two or more electrodes within the two-phase mixture in the treatment reactor.

В другом аспекте устройство включает реактор обработки нефти для приема двухфазной смеси газа и жидкости. Смесь может включать углеводород, который нужно преобразовать. Устройство может включать многоэлектродную схему искрового разряда для преобразования углеводородов, причем в схеме искрового разряда электроды подвергаются воздействию двухфазной смеси в реакторе для обработки нефти. По меньшей мере одна схема высоковольтного выпрямителя может быть функционально связанаIn another aspect, the apparatus includes an oil processing reactor for receiving a two-phase mixture of gas and liquid. The mixture may include a hydrocarbon that needs to be converted. The apparatus may include a multi-electrode spark circuit for converting hydrocarbons, wherein the spark circuit exposes the electrodes to a two-phase mixture in an oil processing reactor. At least one high voltage rectifier circuit may be operably coupled

- 3 043985 со схемой искрового разряда. Устройство может быть выполнено для подачи регулируемого по мощности входного сигнала в схему искрового разряда для генерации искровых разрядов на электродах.- 3 043985 with spark discharge circuit. The apparatus may be configured to provide a power-controlled input signal to a spark circuit to generate spark discharges at the electrodes.

В различных вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя может быть выполнена с возможностью генерации высокого постоянного напряжения из низковольтного входа переменного тока.In various embodiments of the invention, the rectifier circuit may be configured to generate a high DC voltage from a low voltage AC input.

В некоторых вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя может включать по меньшей мере один генератор Кокрофта-Уолтона (CWG).In some embodiments, the rectifier circuit may include at least one Cockcroft-Walton generator (CWG).

В различных вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя может работать параллельно повышающему трансформатору. Повышающий трансформатор может быть подключен к однофазному линейному входу. Линейный вход может быть по меньшей мере одним из входа 120 В переменного тока 60 Гц и входа 240 В переменного тока 60 Гц.In various embodiments of the invention, the rectifier circuit may operate in parallel with the step-up transformer. A step-up transformer can be connected to a single-phase line input. The line input may be at least one of a 120 VAC 60 Hz input and a 240 VAC 60 Hz input.

В некоторых вариантах воплощения изобретения один повышающий трансформатор питает множество искровых промежутков параллельно.In some embodiments, a single step-up transformer supplies multiple spark gaps in parallel.

В некоторых вариантах воплощения изобретения устройство может иметь множество трансформаторов и множество искровых промежутков с одним трансформатором для каждого искрового промежутка и с полным электрическим разделением каждой схемы искрового промежутка.In some embodiments, the device may have multiple transformers and multiple spark gaps, with one transformer for each spark gap and complete electrical separation of each spark gap circuit.

В некоторых вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя включает CWG.In some embodiments, the rectifier circuit includes a CWG.

В некоторых вариантах воплощения изобретения повышающий трансформатор может быть подключен к многофазному линейному входу, чтобы разделять разнофазные входные напряжения переменного тока и присоединять одну или более полных установок трансформатора CWG к каждому входу.In some embodiments, a step-up transformer may be connected to a multiphase line input to separate the multiphase AC input voltages and couple one or more complete CWG transformer settings to each input.

В некоторых вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя включает полуволновой однокаскадный CWG.In some embodiments, the rectifier circuit includes a half-wave, single-stage CWG.

В некоторых вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя включает многокаскадный CWG.In some embodiments, the rectifier circuit includes a multi-stage CWG.

В некоторых вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя включает двухполупериодный CWG.In some embodiments, the rectifier circuit includes a full wave CWG.

В некоторых вариантах воплощения изобретения емкость по меньшей мере одного из конденсаторов в схеме выпрямителя влияет на энергию в импульсе для искровых разрядов.In some embodiments, the capacitance of at least one of the capacitors in the rectifier circuit affects the pulse energy for spark discharges.

В некоторых вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя работает параллельно с первым источником питания и вторым источником питания, работающим вместе с первым источником питания. Первый источник питания может преобразовывать стандартный линейный вход переменного тока в выход постоянного тока низкого напряжения. Второй источник питания может преобразовывать входное напряжение постоянного тока низкого напряжения в выходное напряжение переменного тока высокого напряжения любой частоты.In some embodiments, the rectifier circuit operates in parallel with a first power supply and a second power supply operating in conjunction with the first power supply. The first power supply can convert a standard AC line input to a low voltage DC output. The second power supply can convert a low voltage DC input voltage to a high voltage AC output voltage of any frequency.

В некоторых вариантах воплощения изобретения конфигурация схемы выпрямителя задана так, чтобы иметь выходную емкость в диапазоне от 1 пФ до 1 нФ, потенциально используя любую присущую схеме паразитную емкость. В различных вариантах воплощения изобретения схема выпрямителя может иметь выходную емкость в диапазоне от 10 до 50 пФ. В некоторых версиях схема выпрямителя может иметь выходную емкость от 5 до 200 пФ. В других вариантах воплощения изобретения, схема выпрямителя может иметь выходную емкость менее 1 пФ или более 1 нФ.In some embodiments, the rectifier circuit is configured to have an output capacitance in the range of 1 pF to 1 nF, potentially taking advantage of any inherent parasitic capacitance in the circuit. In various embodiments of the invention, the rectifier circuit may have an output capacitance in the range of 10 to 50 pF. In some versions, the rectifier circuit can have an output capacitance ranging from 5 to 200 pF. In other embodiments, the rectifier circuit may have an output capacitance of less than 1 pF or greater than 1 nF.

В некоторых вариантах воплощения изобретения устройство выполнено для создания напряжения в диапазоне от 3 до 50 кВ. В различных вариантах воплощения изобретения устройство может быть выполнено для генерации напряжения в диапазоне от 30 до 40 кВ. В некоторых версиях устройство может быть выполнено для генерации напряжения от 20 до 60 кВ. В некоторых вариантах воплощения изобретения устройство может быть выполнено для генерации напряжения в диапазоне от 10 до 100 кВ. В других вариантах воплощения изобретения, устройство может быть выполнено для генерации напряжения менее 3 кВ или более 100 кВ.In some embodiments, the device is configured to produce a voltage in the range of 3 kV to 50 kV. In various embodiments of the invention, the device can be configured to generate a voltage in the range of 30 to 40 kV. In some versions the device can be configured to generate voltages from 20 to 60 kV. In some embodiments, the device may be configured to generate a voltage in the range of 10 to 100 kV. In other embodiments of the invention, the device may be configured to generate a voltage of less than 3 kV or greater than 100 kV.

В другом аспекте модель устройства включает реактор обработки для приема обрабатываемой смеси. Устройство может включать по меньшей мере одну многоэлектродную схему искрового разряда, причем по меньшей мере одна схема искрового разряда реализуется в реакторе обработки путем воздействия двух электродов искрового промежутка на смесь. Устройство также может включать по меньшей мере один генератор высокого напряжения, функционально связанный по меньшей мере с одной схемой искрового разряда. Генератор может быть устроен для подачи входа регулируемой мощности по меньшей мере в одну схему искрового разряда для генерации искровых разрядов на электродах.In another aspect, the apparatus model includes a treatment reactor for receiving the mixture to be treated. The device may include at least one multi-electrode spark circuit, wherein the at least one spark circuit is implemented in a treatment reactor by exposing two spark gap electrodes to the mixture. The apparatus may also include at least one high voltage generator operably coupled to the at least one spark circuit. The generator may be arranged to provide a controlled power input to the at least one spark circuit to generate spark discharges at the electrodes.

В некоторых вариантах воплощения изобретения генератор представляет собой генератор Кокрофта-Уолтона (CWG), эффективно связанный со схемой искрового разряда. CWG может быть выполнен с возможностью работы последовательно с повышающим трансформатором.In some embodiments, the generator is a Cockcroft-Walton generator (CWG) effectively coupled to a spark circuit. The CWG may be configured to operate in series with a step-up transformer.

В некоторых вариантах воплощения изобретения устройство выполнено для обеззараживания по меньшей мере одного из продуктов питания или воды.In some embodiments, the device is configured to disinfect at least one of food or water.

В другом аспекте устройство для преобразования углеводородов содержит разрядную камеру, в которой находится множество электродов, разделенных промежутком. Устройство может включать в себя разрядную схему, выполненную для создания разряда между электродами. Устройство также может включать впускное отверстие для транспортировки углеводородного материала в разрядную камеру та- 4 043985 ким образом, чтобы углеводородный материал достигал промежутка между электродами, и выпускное отверстие для транспортировки углеводородной фракции из разрядной камеры, причем углеводородная фракция образуется после разряда между электродами, в то время как углеводородный материал находится в промежутке. Умножитель напряжения может быть выполнен с возможностью обеспечивать управляемый током входной сигнал в разрядную схему при подаче электрических импульсов на углеводородный материал через электроды.In another aspect, a hydrocarbon conversion device includes a discharge chamber that contains a plurality of electrodes spaced apart. The device may include a discharge circuit configured to create a discharge between the electrodes. The device may also include an inlet for transporting hydrocarbon material into the discharge chamber such that the hydrocarbon material reaches a gap between the electrodes, and an outlet for transporting a hydrocarbon fraction from the discharge chamber, wherein the hydrocarbon fraction is formed after discharge between the electrodes, while while the hydrocarbon material is in the gap. The voltage multiplier may be configured to provide a current-controlled input signal to the discharge circuit when electrical pulses are applied to the hydrocarbon material through the electrodes.

В некоторых вариантах воплощения изобретения умножитель напряжения представляет собой генератор Кокрофта-Уолтона.In some embodiments, the voltage multiplier is a Cockcroft-Walton generator.

В некоторых вариантах воплощения изобретения генератор Кокрофта-Уолтона представляет собой однокаскадный генератор Кокрофта-Уолтона.In some embodiments, the Cockcroft-Walton generator is a single-stage Cockcroft-Walton generator.

В некоторых вариантах воплощения изобретения генератор Кокрофта-Уолтона представляет собой многокаскадный генератор Кокрофта-Уолтона.In some embodiments, the Cockcroft-Walton generator is a multi-stage Cockcroft-Walton generator.

В некоторых вариантах воплощения изобретения генератор Кокрофта-Уолтона является полуволновым генератором Кокрофта-Уолтона.In some embodiments, the Cockcroft-Walton oscillator is a half-wave Cockcroft-Walton oscillator.

В некоторых вариантах воплощения изобретения генератор Кокрофта-Уолтона представляет собой двухполупериодный генератор Кокрофта-Уолтона.In some embodiments, the Cockcroft-Walton oscillator is a full-wave Cockcroft-Walton oscillator.

В некоторых вариантах воплощения изобретения генератор Кокрофта-Уолтона выполнен с возможностью генерирования высоковольтных импульсов разряда конденсатора для преобразования углеводородов.In some embodiments, the Cockcroft-Walton generator is configured to generate high-voltage capacitor discharge pulses for converting hydrocarbons.

В некоторых вариантах воплощения изобретения устройство дополнительно включает в себя повышающий трансформатор.In some embodiments, the device further includes a step-up transformer.

В некоторых вариантах воплощения изобретения устройство питается от источника переменного тока высокого напряжения.In some embodiments, the device is powered by a high voltage alternating current source.

В некоторых вариантах воплощения изобретения умножитель напряжения является первым умножителем напряжения и устройство дополнительно включает в себя второй умножитель напряжения, устроенный для работы параллельно с первым умножителем напряжения.In some embodiments, the voltage multiplier is a first voltage multiplier, and the device further includes a second voltage multiplier arranged to operate in parallel with the first voltage multiplier.

В некоторых вариантах воплощения изобретения устройство дополнительно включает повышающий трансформатор, функционально связанный как с первым умножителем напряжения, так и со вторым умножителем напряжения. Первый и второй умножители напряжения могут быть функционально связаны с одним повышающим трансформатором.In some embodiments, the device further includes a step-up transformer operably coupled to both the first voltage multiplier and the second voltage multiplier. The first and second voltage multipliers may be operatively coupled to a single step-up transformer.

В некоторых вариантах воплощения изобретения питание устройства осуществляется с помощью прямого ввода питания от сети.In some embodiments, the device is powered using direct line power input.

В другом аспекте устройство для преобразования углеводородов может содержать разрядную камеру, впускное отверстие для транспортировки углеводородного материала в разрядную камеру и выпускное отверстие для транспортировки углеводородной фракции из разрядной камеры. Устройство может включать ряд параллельно работающих умножителей напряжения. Умножители напряжения могут быть выполнены с возможностью наложения электрических импульсов на углеводородный материал в разрядной камере для преобразования углеводородов. Электрические импульсы могут подаваться через разрядную схему с управляемым током входным сигналом.In another aspect, a hydrocarbon conversion apparatus may include a discharge chamber, an inlet for transporting hydrocarbon material into the discharge chamber, and an outlet for transporting a hydrocarbon fraction from the discharge chamber. The device may include a number of voltage multipliers operating in parallel. Voltage multipliers may be configured to apply electrical pulses to the hydrocarbon material in the discharge chamber to convert the hydrocarbons. Electrical pulses can be supplied through a discharge circuit with a current controlled input signal.

В некоторых вариантах воплощения изобретения ряд умножителей напряжения представляют собой генераторы Кокрофта-Уолтона.In some embodiments, the array of voltage multipliers are Cockcroft-Walton generators.

В некоторых вариантах воплощения изобретения ряд умножителей напряжения работают параллельно от одного повышающего трансформатора.In some embodiments, a number of voltage multipliers operate in parallel from a single step-up transformer.

В другом аспекте способ преобразования углеводородов включает транспортировку углеводородного материала через впускное отверстие в разрядную камеру. Способ может также включать использование одного или более генераторов Кокрофта-Уолтона для подачи высоковольтных электрических импульсов разряда конденсатора на углеводородный материал в разрядной камере для преобразования углеводородов. Импульсы могут подаваться через двухэлектродную схему искрового разряда, снабженную управляемым током входным сигналом. Способ может дополнительно включать транспортировку через выпускное отверстие углеводородной фракции из разрядной камеры.In another aspect, a method for converting hydrocarbons includes transporting hydrocarbon material through an inlet into a discharge chamber. The method may also include using one or more Cockcroft-Walton generators to apply high voltage electrical capacitor discharge pulses to the hydrocarbon material in the discharge chamber to convert the hydrocarbons. The pulses can be supplied through a two-electrode spark circuit equipped with a current-controlled input signal. The method may further include transporting a hydrocarbon fraction from the discharge chamber through the outlet.

В некоторых вариантах воплощения изобретения использование одного или более генераторов Кокрофта-Уолтона включает использование соответствующего количества параллельно работающих умножителей напряжения.In some embodiments, the use of one or more Cockcroft-Walton generators includes the use of a corresponding number of voltage multipliers operating in parallel.

В некоторых вариантах воплощения изобретения генераторы Кокрофта-Уолтона являются частью устройства, которое питается от повышающего трансформатора, использующего прямой ввод питания от сети.In some embodiments, Cockcroft-Walton generators are part of a device that is powered by a step-up transformer using direct line input.

В другом аспекте система содержит однокаскадный полуволновой генератор Кокрофта-Уолтона, используемый для генерации высоковольтных импульсов разряда конденсатора для преобразования углеводородов, который питается от повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети.In another aspect, the system comprises a single-stage half-wave Cockcroft-Walton generator used to generate high-voltage capacitor discharge pulses for hydrocarbon conversion, which is powered from a step-up transformer using direct line input.

В другом аспекте система содержит набор однокаскадных полуволновых генераторов КокрофтаУолтона, работающих параллельно от одиночного повышающего трансформатора с использованиемIn another aspect, the system comprises a set of single-stage half-wave Cockcroft-Walton generators operating in parallel from a single step-up transformer using

- 5 043985 прямого ввода питания от сети для использования в конверсии углеводородов.- 5 043985 direct input of mains power for use in hydrocarbon conversion.

В другом аспекте система включает однокаскадный двухполупериодный генератор КокрофтаУолтона, используемый для генерации высоковольтных импульсов разряда конденсатора для преобразования углеводородов, который питается от повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети.In another aspect, the system includes a single-stage full-wave Cockroft-Walton generator used to generate high-voltage capacitor discharge pulses for hydrocarbon conversion, which is powered from a step-up transformer using direct line input.

В другом аспекте система содержит набор однокаскадных двухполупериодных генераторов Кокрофта-Уолтона, работающих параллельно от одиночного повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети для применения в конверсии углеводородов.In another aspect, the system comprises a set of single-stage full-wave Cockcroft-Walton generators operated in parallel from a single step-up transformer using direct line input for hydrocarbon conversion applications.

В другом аспекте система содержит многокаскадный полуволновой генератор Кокрофта-Уолтона, используемый для генерации высоковольтных импульсов разряда конденсатора для преобразования углеводородов, который питается от повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети.In another aspect, the system includes a multi-stage half-wave Cockcroft-Walton generator used to generate high-voltage capacitor discharge pulses for hydrocarbon conversion, which is powered from a step-up transformer using direct line input.

В другом аспекте система содержит набор многокаскадных полуволновых генераторов КокрофтаУолтона, работающих параллельно от одного повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети для применения в конверсии углеводородов.In another aspect, the system comprises a set of multi-stage Cockcroft-Walton half-wave generators operated in parallel from a single step-up transformer using direct line input for hydrocarbon conversion applications.

В другом аспекте система содержит многокаскадный полуволновой генератор Кокрофта-Уолтона, используемый для генерации высоковольтных импульсов разряда конденсатора для преобразования углеводородов, который питается от повышающего трансформатора с использованием источника переменного тока высокого напряжения.In another aspect, the system comprises a multi-stage half-wave Cockcroft-Walton generator used to generate high-voltage capacitor discharge pulses for hydrocarbon conversion, which is powered from a step-up transformer using a high voltage alternating current source.

В другом аспекте система включает набор многокаскадных полуволновых генераторов КокрофтаУолтона, работающих параллельно от одного повышающего трансформатора, использующего высоковольтный источник питания переменного тока для применения в конверсии углеводородов.In another aspect, the system includes a set of multi-stage Cockcroft-Walton half-wave generators operating in parallel from a single step-up transformer using a high-voltage AC power supply for hydrocarbon conversion applications.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

На фиг. 1A-1D представлены чертежи моделей для различных версий схемы искрового разряда резистор-конденсатор (RC) с использованием источника питания с регулируемым напряжением (фиг. 1А, 1С) или регулируемым током (фиг. 1B, 1D), который является идеальным (1А, 1В) или неидеальным (1С, 1D). Пунктирная линия на схемах фиг. 1С и 1D указывают на внутренние компоненты неидеального источника питания.In fig. 1A-1D are model drawings for various versions of a resistor-capacitor (RC) spark discharge circuit using a voltage-regulated (FIGS. 1A, 1C) or current-regulated (FIGS. 1B, 1D) power supply, which is ideal (1A, 1B ) or non-ideal (1C, 1D). The dotted line in the diagrams of Figs. 1C and 1D indicate the internal components of a non-ideal power supply.

На фиг. 2А и 2В представлены примеры эффективности схемы как функции внутренней емкости Ci источника питания и балластного сопротивления Rb для неидеальных случаев с регулируемым напряжением (2А) и током (2В).In fig. 2A and 2B provide examples of circuit efficiency as a function of the internal power supply capacitance Ci and ballast resistance Rb for non-ideal voltage (2A) and current (2B) regulated cases.

На фиг. 3А-3Н представлены примеры сравнения времени отклика при постоянном напряжении (3A-3D) и постоянном токе (3Е-3Н) для RC-схем.In fig. 3A-3H show examples of comparison of response times at constant voltage (3A-3D) and constant current (3E-3H) for RC circuits.

На фиг. 4А и 4В представлены примеры эффективности при постоянном напряжении (4А) и постоянном токе (4В), а также частоты импульсов для RC-схем.In fig. 4A and 4B provide examples of constant voltage (4A) and constant current (4V) efficiency and pulse frequency for RC circuits.

На фиг. 5 представлена репрезентативная эффективность в зависимости от значений подводимой мощности для RC-схем постоянного тока и постоянного напряжения. Эффективность заряда схемы (^ = POut /Рт) показана как функция средней подводимой мощности для RC-схемы искрового разряда с использованием вариантов с регулируемым напряжением ( 7 Constantv) или током (^Constanti)· (Се=200 пФ, %=Ю ΜΩ и 14=20 кВ.)In fig. Figure 5 shows representative efficiency versus input power values for constant current and constant voltage RC circuits. Circuit charging efficiency (^ = P O ut /PT) is shown as a function of average input power for an RC spark circuit using either voltage (7 Constantv) or current (^Constanti) controlled options (C e =200 pF, %= Yu ΜΩ and 14=20 kV.)

На фиг. 6А и 6В представлены примеры зависимости эффективности от сопротивления при постоянной подводимой мощности для RC-схем с постоянным напряжением (6А) и постоянным током (6В).In fig. 6A and 6B provide examples of efficiency versus resistance at constant input power for constant voltage (6A) and constant current (6V) RC circuits.

На фиг. 7 представлена репрезентативная схема примера двухкаскадного полуволнового генератора Кокрофта-Уолтона с выходом переменного тока Vi и выходом постоянного тока Vo.In fig. 7 is a representative circuit diagram of an example of a two-stage half-wave Cockcroft-Walton oscillator with an ac output Vi and a dc output Vo.

На фиг 8 представлен репрезентативный общий чертеж схемы оборудования T+4CWG для питания четырех искровых промежутков с соответствующими диагностическими элементами, присоединенными к крайнему правому искровому промежутку. Для экспериментальных данных, представленных в этом описании, C1=110 пФ, Cq=0,57 мФ и Rq=22,3 ΜΩ.FIG. 8 is a representative schematic diagram of the T+4CWG equipment for powering the four spark gaps with associated diagnostic elements connected to the rightmost spark gap. For the experimental data presented in this specification, C1=110 pF, Cq=0.57 mF and Rq=22.3 ΜΩ.

На фиг. 9A-9D представлены примеры графиков разброса энергии импульса как функций пробойного напряжения для каждого из четырех искровых промежутков, работающих параллельно (см. пример 1), при среднем расстоянии между искровыми промежутками 5 мм.In fig. 9A-9D show example graphs of pulse energy scatter as a function of breakdown voltage for each of four spark gaps operating in parallel (see Example 1), with an average distance between spark gaps of 5 mm.

На фиг. 10 представлены примеры кривых напряжения для Vg и Vq (как определено на фиг. 7), используемых для расчета энергии отдельных импульсов как ^Pulse _ ^ Cq AVq· Vb.In fig. Figure 10 shows example voltage curves for V g and Vq (as defined in FIG. 7) used to calculate the energy of individual pulses as ^P ulse _ ^ Cq AVq · V b .

На фиг. 11 представлен пример графика зависимости мощности на стенке от количества параллельных установок CWG, соответствующих наборам данных, подробно описанным в табл. 3.In fig. Figure 11 shows an example plot of wall power versus the number of parallel CWG installations corresponding to the data sets detailed in Table. 3.

На фиг. 12A-12D представлены отобранные графики, созданные на основе табличных данных в табл. 3.In fig. 12A-12D show selected graphs generated from the tabular data in Table 1. 3.

На фиг. 13 представлен пример графика общей полезной выходной мощности (Pout+Pprobei+PRo) как функции мощности на стенке для схемы на фиг. 8. Наклон линейной аппроксимирующей линии отражает дифференциальную эффективность всей схемы.In fig. 13 is an example plot of total useful output power (Pout+Pprobei+PRo) as a function of wall power for the circuit of FIG. 8. The slope of the linear fitting line reflects the differential efficiency of the entire circuit.

На фиг. 14 представлен пример чертежа схемы для двухполупериодного однокаскадного генератораIn fig. Figure 14 shows an example of a circuit drawing for a full-wave single-stage generator

- 6 043985- 6 043985

Кокрофта-У олтона.Cockcroft-U Alton.

На фиг. 15А и 15В представлены графики разброса энергии импульса как функции пробойного напряжения для схемы, изображенной на фиг. 14, питающие промежуток приблизительно 5 мм (15А) и промежуток приблизительно 1 мм (15В) (см. пример 2). Сравн. с фиг. 9. C1=70 пФ, Cq=0,57 мФ и Rq=22,3 ΜΩ.In fig. 15A and 15B are graphs of pulse energy dispersion as a function of breakdown voltage for the circuit shown in FIG. 14 supplying an approximately 5 mm gap (15A) and an approximately 1 mm gap (15V) (see example 2). Comp. from fig. 9. C1=70 pF, Cq=0.57 mF and Rq=22.3 ΜΩ.

На фиг. 16 представлен пример графика общей полезной выходной мощности (Pout+Pprobei+PRQ) как функции мощности на стенке для схемы, показанной на фиг. 8. Наклон линейной аппроксимирующей линии отражает дифференциальную эффективность всей схемы. Сравн. с фиг. 13.In fig. 16 is an example plot of total useful output power (Pout+Pprobei+PRQ) as a function of wall power for the circuit shown in FIG. 8. The slope of the linear fitting line reflects the differential efficiency of the entire circuit. Comp. from fig. 13.

На фиг. 17 представлен чертеж схемы для примера полуволнового двухкаскадного генератора Кокрофта-Уолтона.In fig. 17 is a circuit drawing for an example of a half-wave two-stage Cockcroft-Walton generator.

На фиг. 18 представлен пример чертежа схемы двух двухкаскадных генераторов КокрофтаУолтона, работающих параллельно от одного повышающего трансформатора.In fig. Figure 18 shows an example of a diagram of two two-stage Cockcroft-Walton generators operating in parallel from one step-up transformer.

На фиг. 19А и 19В представлен общий пример того, как любая возможная схема искрового разряда может быть реализована в реакторе для обработки нефти (19А) наряду с вариантом такого воплощения, в котором используется однокаскадный CWG в паре с источником питания переменного тока для снабжения энергией искрового разряда (19В).In fig. 19A and 19B provide a general example of how any possible spark discharge circuit could be implemented in an oil processing reactor (19A), along with a variant of such an embodiment that uses a single stage CWG paired with an AC power supply to supply spark discharge energy (19B ).

Подробное описаниеDetailed description

Изобретение относится к области переработки жидкостей, содержащих молекулы тяжелых углеводородов, в более легкие жидкие и/или газообразные фракции. Изобретение может быть использовано для крекинга жидкой тяжелой нефти в более легкие углеводородные фракции с использованием потока газаносителя, вводимого в жидкую тяжелую нефть для образования смеси с последующей ионизацией смеси электрическим разрядом. Изобретение может быть успешно использовано для достижения эффективной переработки тяжелой нефти.The invention relates to the field of processing liquids containing molecules of heavy hydrocarbons into lighter liquid and/or gaseous fractions. The invention can be used for cracking liquid heavy oil into lighter hydrocarbon fractions using a carrier gas stream introduced into liquid heavy oil to form a mixture, followed by ionization of the mixture by an electrical discharge. The invention can be successfully used to achieve efficient processing of heavy oil.

В одном аспекте предложен способ крекинга жидких углеводородных материалов в легкие углеводородные фракции с использованием искрового разряда. Способ включает пропускание жидкого углеводородного материала через разрядную камеру в межэлектродный промежуток внутри разрядной камеры, где межэлектродный промежуток образуется между двумя или более электродами, отстоящими друг от друга. Способ дополнительно включает нагнетание газа-носителя в жидкий углеводородный материал, когда он входит в межэлектродный промежуток, в результате чего образуется газожидкостная углеводородная смесь. Электроды включают один или более положительных электродов и один или более отрицательных электродов, при этом отрицательные электроды подключены к конденсатору. Конденсатор заряжается до напряжения, равного или превышающего пробойное напряжение газа-носителя в межэлектродном разрядном промежутке. Когда образуется газожидкостная углеводородная смесь, она подвергается воздействию тока между электродами с напряжением, достаточным для возникновения искрового разряда. Способ также включает извлечение фракций легких углеводородов, образующихся в результате воздействия импульсного искрового разряда на газожидкостную углеводородную смесь. В некоторых вариантах воплощения изобретения плазменные разряды могут использоваться для частичного облагораживания сырой нефти перед переработкой на нефтеперерабатывающем заводе. Плазменные разряды могут генерироваться в устройстве, которое имеет схему резистор-конденсатор (RC) с искровым промежутком, параллельным конденсатору. В разных версиях используемый источник питания может быть либо источником напряжения (фиг. 1А), либо источником тока (фиг. 1B). Система условных обозначений, используемая в этих схемах, представлена ниже в табл. 1, а уравнения схемы, применимые к сценариям постоянного напряжения и постоянного тока, представлены ниже в табл. 2. В контексте данного документа, термин постоянный ток относится к управляемым уровням тока, вследствие чего, ток поддерживается, главным образом, на постоянном уровне или иным образом относительно ограничен в своей изменчивости благодаря одному или более элементам схемы.In one aspect, a method is provided for cracking liquid hydrocarbon materials into light hydrocarbon fractions using a spark discharge. The method includes passing liquid hydrocarbon material through a discharge chamber into an interelectrode gap within the discharge chamber, where the interelectrode gap is formed between two or more electrodes spaced apart from each other. The method further includes injecting a carrier gas into the liquid hydrocarbon material as it enters the interelectrode gap, thereby forming a gas-liquid hydrocarbon mixture. The electrodes include one or more positive electrodes and one or more negative electrodes, the negative electrodes being connected to a capacitor. The capacitor is charged to a voltage equal to or greater than the breakdown voltage of the carrier gas in the interelectrode discharge gap. When a gas-liquid hydrocarbon mixture is formed, it is exposed to a current between the electrodes with a voltage sufficient to cause a spark discharge. The method also includes the extraction of light hydrocarbon fractions formed as a result of the action of a pulsed spark discharge on a gas-liquid hydrocarbon mixture. In some embodiments, plasma discharges may be used to partially upgrade crude oil prior to processing in a refinery. Plasma discharges can be generated in a device that has a resistor-capacitor (RC) circuit with a spark gap parallel to the capacitor. In different versions, the power source used can be either a voltage source (Fig. 1A) or a current source (Fig. 1B). The symbol system used in these diagrams is presented below in table. 1, and the circuit equations applicable to the constant voltage and constant current scenarios are presented in Table 1 below. 2. As used herein, the term constant current refers to controlled current levels whereby the current is maintained at a substantially constant level or is otherwise relatively limited in its variability by one or more circuit elements.

Таблица 1Table 1

Значение Meaning Символ Symbol Сопротивление резистора Resistor resistance R R Емкость конденсатора Capacitor capacity С WITH Напряжение питания Supply voltage V V Ток источника питания Power supply current I I Мощность источника питания Power supply power P=IV P=IV Пробивное напряжение искрового промежутка Breakdown voltage of spark gap Vbr Vbr Эффективность схемы (преобразование энергии в искру) Circuit efficiency (converting energy into spark) Η Η Энергия на импульс искрового промежутка Energy per spark gap pulse Eper pulse Eper pulse Частота импульсов искрового промежутка Spark gap pulse frequency fpulses fpulses

- 7 043985- 7 043985

Таблица 2table 2

Постоянное напряжение Constant pressure Постоянный ток D.C Эффективность Efficiency ... Eput __ _ η ~Ё~ 27... Eput __ _ η ~Ё~ 27 11 ~ ~ 2/й + 11 ~ ~ 2nd + Частота повторения импульсов Pulse repetition rate • „ 7 fpulses ~ 7} 77• „ 7 fpulses ~ 7} 77 Энергия на импульс Energy on pulse & per pulse ~ У? П'&'г & per pulse ~ U? P'&'g pulse /2 brpulse/ 2br Средняя подводимая мощность Average power input = Ч/Ы = W/Y Напряжение на R Voltage at R = УЧ? А = UC? A = III = III Мощность, используемая R Power used R Ря =P i = I/ = PR I/ = PR Напряжение на С Voltage at WITH 14 = 7 (1 - АА) 14 = 7 (1 - AA) = % = % Включение С Turn on C Рс = (1 ~~ g~£/gc) ^рс Рс = ( 1 ~~ g~ £/gc ) ^ р ' с Ток Current , = , = / /

Для целей обсуждения, соответствующих фиг. 3-5, предполагается, что элементы схемы поддерживаются постоянными, а именно что С=200 пФ, R=10 ΜΩ и Vbr=20 кВ (установленный промежуток и т.д.). Кроме того, будет считаться, что средняя мощность установлена по возможности равной (т.е. когда V и I не изменяются). Это условие также делает частоту импульсов равной для обеих схем, поскольку энергия на импульс одинакова для обеих схем ^avS = Еper pulse fpulses).For purposes of discussion, corresponding to FIG. 3-5, it is assumed that the circuit elements are maintained constant, namely that C = 200 pF, R = 10 ΜΩ and V br = 20 kV (set gap, etc.). In addition, the average power will be considered to be set as equal as possible (ie when V and I do not change). This condition also makes the pulse frequency equal for both circuits, since the energy per pulse is the same for both circuits ( av S = Eper pulse fpulses).

Репрезентативные временные характеристики для схем на фиг. 1 показаны на фиг. 3 для двух импульсов. В этих примерах схема постоянного напряжения имеет экспоненциальное поведение, при котором ток падает по мере заряжения конденсатора. В цепи постоянного тока есть линейно возрастающее напряжение, как для конденсатора, так и для источника питания, смещенных по отношению друг к другу из-за постоянного падения напряжения на резисторе. Мгновенная мощность каждого элемента показана на фиг. 3D и 3H, где наблюдается разрыв во время разряда. В схеме постоянного напряжения на резисторе уменьшается мощность, в то время как конденсатор имеет более сложное поведение: мощность сначала увеличивается, а затем уменьшается. Схема постоянного тока имеет постоянную мгновенную мощность на резисторе из-за постоянного тока и линейного падения мощности на конденсаторе.Representative timing characteristics for the circuits in FIGS. 1 are shown in Fig. 3 for two pulses. In these examples, the constant voltage circuit has exponential behavior in which the current drops as the capacitor charges. In a DC circuit there is a linearly increasing voltage for both the capacitor and the power supply, biased towards each other due to the constant voltage drop across the resistor. The instantaneous power of each element is shown in Fig. 3D and 3H, where rupture is observed during discharge. In a constant voltage circuit, a resistor decreases power, while a capacitor has a more complex behavior: the power first increases and then decreases. A constant current circuit has constant instantaneous power across the resistor due to the constant current and linear power drop across the capacitor.

Эффективность репрезентативных схем можно увидеть на фиг. 4 и 5, где максимальная эффективность для схемы постоянного напряжения показана как 50%. Это происходит, когда напряжение устанавливается точно на пробойное напряжение. Это означает, что значительная часть энергии, поступающей в систему (т.е. 50% или более), будет сожжена резистором. Однако максимальная эффективность для схемы постоянного тока, как показано, составляет 100%, когда ток стремится к нулю. Такая эффективность может быть достигнута только тогда, когда падение напряжения на резисторе сведено к минимуму практически до нуля (также достижимо при R стремящемся к 0).The effectiveness of representative circuits can be seen in Fig. 4 and 5, where the maximum efficiency for a constant voltage circuit is shown as 50%. This occurs when the voltage is set exactly to the breakdown voltage. This means that a significant portion of the energy entering the system (i.e. 50% or more) will be burned by the resistor. However, the maximum efficiency for a constant current circuit is shown to be 100% as the current approaches zero. Such efficiency can only be achieved when the voltage drop across the resistor is minimized to almost zero (also achievable with R tending to 0).

Как видно на фиг. 5, частота импульсов пропорциональна подводимой мощности. Поскольку ток и подводимая мощность пропорциональны в схеме постоянного тока, увеличение тока вызывает пропорциональное увеличение мощности. В схеме постоянного напряжения это поведение не линейное, а скорее логарифмическое.As can be seen in FIG. 5, the pulse frequency is proportional to the input power. Since current and power input are proportional in a DC circuit, an increase in current causes a proportional increase in power. In a constant voltage circuit, this behavior is not linear, but rather logarithmic.

Как комментарий к фиг. 6, сопротивление изменяется при сохранении постоянными других элементов схемы, а именно С=200 пФ, Vbr=20 кВ и Pavg=12,43 Вт. Эта средняя подводимая мощность, подаваемая от источника питания, является той же средней подводимой мощностью, что и графики, зависящие от времени (см. фиг. 3), что дает частоту импульсов 310,7 Гц для обеих схем. В результате изменяется и напряжение источника питания, чтобы поддерживать постоянную подводимую мощность. По мере уменьшения сопротивления эффективность приближается к максимальному значению, которое составляет всего 50% в схеме постоянного напряжения, но составляет 100% в схеме постоянного тока.As a comment to fig. 6, the resistance changes while keeping other circuit elements constant, namely C = 200 pF, V br = 20 kV and P avg = 12.43 W. This average input power supplied from the power supply is the same average input power as the time-vs. plots (see Fig. 3), resulting in a pulse frequency of 310.7 Hz for both circuits. As a result, the power supply voltage also changes to maintain a constant power input. As the resistance decreases, the efficiency approaches a maximum value, which is only 50% in a constant voltage circuit, but is 100% in a constant current circuit.

Внешние параметры (например, соображения о химических процессах в искровом разряде, динамика пузырьков и т.д.) влияют на оптимальную энергию в импульсе, пробойное напряжение и частоту импульсов. Это связано с тем, что в этих представлениях энергия в импульсе зависит только от емкости иExternal parameters (eg, spark chemistry considerations, bubble dynamics, etc.) influence the optimal pulse energy, breakdown voltage, and pulse frequency. This is due to the fact that in these concepts the energy in a pulse depends only on the capacitance and

- 8 043985 пробойного напряжения, которые влияют на природу разряда и, следовательно, на химический состав нефти. Частота импульсов может частично зависеть от скорости потока нефти, а также от динамики пузырьков и других факторов, чтобы можно было достичь более равномерной обработки нефти. Как правило, если частота слишком низкая, может быть обработано меньше нефти, в то время как чрезмерная частота может означать, что нефть может подвергаться чрезмерной обработке и плохо перемешиваться. Когда пробойное напряжение, емкость и частота задаются внешними параметрами, можно определить среднюю мощность, которая определяет напряжение или ток, необходимые для источника питания. Таким образом, сопротивление остается в качестве параметра для выбора схемы. В типичных схемах постоянного напряжения выбор сопротивления зависит от выбора напряжения источника питания, как видно из зависимости частоты импульсов от значения сопротивления (см., например, фиг. 6), однако в типичной схеме постоянного тока сопротивление влияет только на эффективность, поэтому выбор сопротивления не зависит от мощности, подаваемой на искровой промежуток.- 8 043985 breakdown voltage, which affect the nature of the discharge and, consequently, the chemical composition of the oil. The frequency of the pulses may be dependent in part on the oil flow rate, as well as bubble dynamics and other factors, so that a more uniform treatment of the oil can be achieved. In general, if the frequency is too low, less oil may be processed, while excessive frequency may mean that the oil may be over-processed and poorly mixed. When the breakdown voltage, capacitance, and frequency are given by external parameters, the average power can be determined, which determines the voltage or current required by the power supply. This leaves resistance as a parameter for circuit selection. In typical constant voltage circuits, the choice of resistance depends on the choice of power supply voltage, as can be seen from the dependence of the pulse frequency on the value of resistance (see, for example, Fig. 6), however in a typical constant current circuit, resistance only affects efficiency, so the choice of resistance does not depends on the power supplied to the spark gap.

Реальные источники питания не идеальны, поскольку у них есть внутреннее сопротивление и выходная емкость. Однако в различных вариантах воплощения изобретения однажды спроектированная система не будет иметь изменяющуюся мощность и, следовательно, конструкция может быть сделана так, чтобы задавать оптимальные условия, которые будут не так сильно отличаться от идеальной схемы. Кроме того, в различных вариантах воплощения изобретения источник тока может быть получен с использованием источника напряжения с очень низкой выходной емкостью, который ведет себя больше как источник тока.Real power supplies are not ideal because they have internal resistance and output capacitance. However, in various embodiments of the invention, once designed, the system will not have variable power and, therefore, the design can be made to specify optimal conditions that will not differ so much from the ideal design. Moreover, in various embodiments of the invention, the current source can be obtained using a voltage source with a very low output capacitance that behaves more like a current source.

В различных вариантах воплощения изобретения как было предложено вышеприведенным анализом, предпочтительным выбором схемы был бы источник питания постоянного тока, независимо от параметров условий плазмы. В таких вариантах воплощения изобретения, выбор источника постоянного тока может обеспечить наивысшую эффективность из двух рассмотренных здесь вариантов. Т.е. в то время как система постоянного напряжения имеет теоретическую максимальную эффективность 50% в приведенных выше представлениях, системы постоянного тока могут иметь гораздо более высокую эффективность, теоретически приближающуюся к 100%. Определенный анализ идеализированных схем для источника питания может немного снизить эффективность, но источник постоянного тока с более высокой теоретической эффективностью может быть предпочтительнее. Следовательно, в различных вариантах воплощения изобретения возможны высокие электрические КПД при работе схемы искрового разряда высоковольтного зарядного конденсатора в режиме постоянного тока по сравнению с режимом работы с постоянным напряжением. В некоторых вариантах воплощения изобретения высоковольтный плазменный генератор, который работает от стандартной доступной мощности на линии (например, 60 Гц, от 120 до 480 В переменного тока), может достигать эффективности, например, 70% или больше. Как обсуждается ниже, в различных вариантах воплощения изобретения в частности, может использоваться генератор Кокрофта-Уолтона, питаемый от повышающего трансформатора.In various embodiments of the invention, as suggested by the above analysis, the preferred circuit choice would be a DC power supply, regardless of plasma condition parameters. In such embodiments, the choice of a constant current source may provide the highest efficiency of the two options discussed herein. Those. while a constant voltage system has a theoretical maximum efficiency of 50% in the above representations, constant current systems can have much higher efficiency, theoretically approaching 100%. Some analysis of idealized circuits for a power supply may reduce efficiency slightly, but a constant current supply with higher theoretical efficiency may be preferable. Therefore, in various embodiments of the invention, high electrical efficiencies are possible when operating the high-voltage charging capacitor spark discharge circuit in constant current mode compared to constant voltage operation. In some embodiments, a high voltage plasma generator that operates at standard available line power (eg, 60 Hz, 120 to 480 VAC) can achieve efficiency of, for example, 70% or greater. As discussed below, various embodiments of the invention may specifically utilize a Cockcroft-Walton oscillator powered by a step-up transformer.

RC зарядные схемы с балластным резистором и конденсатором, включенными последовательно, и искровым промежутком, включенным параллельно конденсатору, могут использоваться для создания искровых разрядов. По указанным выше причинам такая схема может быть более эффективной при работе в режиме постоянного тока. Однако балластный резистор в этой схеме может быть рассеивающим элементом с потерями мощности, равными А = 1 К- Из-за этого в некоторых вариантах воплощения изобретения единственным способом повысить эффективность этой схемы без уменьшения балластного сопротивления (необходимого для защиты источника питания) является поддержка зарядного тока I (пропорционального частоте импульсов) на очень низком уровне. Кроме того, имеющиеся в продаже источники питания с настройкой постоянного тока не могут быть оптимизированы на повышение КПД.RC charging circuits with a ballast resistor and capacitor in series and a spark gap in parallel with the capacitor can be used to create spark discharges. For the reasons stated above, such a circuit may be more efficient when operating in constant current mode. However, the ballast resistor in this circuit may be a dissipative element with a power loss of A = 1 K. Because of this, in some embodiments, the only way to increase the efficiency of this circuit without reducing the ballast resistance (needed to protect the power supply) is to maintain the charging current I (proportional to the pulse frequency) at a very low level. In addition, commercially available DC power supplies cannot be optimized for efficiency.

Для решения таких проблем, в некоторых вариантах воплощения изобретения может использоваться генератор Кокрофта-Уолтона (CWG) в качестве альтернативной высоковольтной искровой цепи постоянного тока. Обращаясь к фиг. 7, в этой схеме используется комбинация диодов и конденсаторов для выпрямления переменного тока на входе в постоянный ток на выходе при высоких напряжениях, необходимых для переработки нефти (~30 кВ). В некоторых версиях однокаскадные схемы этого типа (1 каскад=2 конденсатора и 2 диода) могут быть собраны последовательно в виде более крупной многокаскадной CWG для линейного увеличения выходного напряжения в соответствии с уравнением V =N К о рр, где Vpp представляет собой двойную амплитуду входного напряжения переменного тока, Nstages представляет собой количество каскадов, Vo представляет собой выходное постоянное напряжение. Поскольку CWG не имеет диссипативных элементов, он может быть весьма эффективным (в идеале 100%). Основные потери мощности могут быть вызваны электрическим нагревом неидеальных диодов. В некоторых вариантах воплощения изобретения для входного высокого напряжения переменного тока, необходимого для питания такой схемы, можно использовать повышающий трансформатор, подключенный непосредственно к мощности на линии, который также не имеет диссипативных элементов и в целом также весьма эффективен.To solve such problems, some embodiments of the invention may use a Cockroft-Walton generator (CWG) as an alternative high-voltage DC spark circuit. Referring to FIG. 7, this circuit uses a combination of diodes and capacitors to rectify AC input to DC output at the high voltages required for petroleum refining (~30 kV). In some versions, single-stage circuits of this type (1 stage = 2 capacitors and 2 diodes) can be assembled in series as a larger multi-stage CWG to ramp up the output voltage according to the equation V = N K o pp, where Vpp is the double amplitude of the input AC voltage, N stages represents the number of stages, Vo represents the DC output voltage. Since CWG has no dissipative elements, it can be quite efficient (ideally 100%). Major power losses can be caused by electrical heating of non-ideal diodes. In some embodiments, the high AC voltage input needed to power such a circuit can be provided by a step-up transformer connected directly to the line power, which also has no dissipative elements and is also generally quite efficient.

В различных вариантах воплощения изобретения такие схемы могут быть модифицированы для параллельного питания множества искровых промежутков. Такие варианты воплощения изобретения могутIn various embodiments of the invention, such circuits can be modified to power multiple spark gaps in parallel. Such embodiments of the invention may

- 9 043985 быть полезны для приложений, которые должны быть расширенными. Подключение множества параллельных искровых промежутков к одному высоковольтному выходу постоянного тока может не привести к необходимой работе в определенных ситуациях, потому что выходная мощность может неравномерно распределяться между множеством промежутков, потенциально искра может возникать исключительно в одном промежутке. Однако в некоторых вариантах воплощения изобретения схема, включающая множество подсхем Кокрофта-Уолтона, питаемых, например, от одного входа переменного тока (как показано на фиг. 8), может использоваться для расширения до множества искровых промежутков с питанием от CWG, с повышающим трансформатором, настроенным на подачу достаточной мощности.- 9 043985 be useful for applications that need to be extended. Connecting multiple parallel spark gaps to a single high voltage DC output may not produce the desired performance in certain situations because the output power may be unevenly distributed across the multiple gaps, potentially causing a spark to occur exclusively in one gap. However, in some embodiments of the invention, a circuit comprising multiple Cockcroft-Walton subcircuits, powered from, for example, a single AC input (as shown in FIG. 8), can be used to expand to multiple CWG-powered spark gaps, with a step-up transformer, configured to supply sufficient power.

Теперь будет представлен анализ эффективности по четырем параллельным однокаскадным искровым промежутком с питанием от CWG, чтобы проиллюстрировать потенциальное повышение эффективности. В частности, электрический КПД схемы, изображенной на фиг. 8, с одним трансформатором 120 В-12 кВ переменного тока, питающим четыре отдельные подсхемы искрового промежутка генератора Кокрофта-Уолтона (T+4CWG). Хотя приведенный ниже анализ эффективности применим к выходу плазменной мощности в среду любого типа, эксперименты были проведены с использованием искровых промежутков в воздухе с предполагаемым применением искровых промежутков в смеси нефти и газа. Следовательно, пары наконечников стрелок (^ ^) на фиг. 8, 14, 17 и 19 следует рассматривать как общий случай: искровой промежуток в неопределенной среде. Основной независимой переменной для экспериментальных данных, представленных в этом разделе, был интервал искрового промежутка. Каждый искровой промежуток регулировался вручную с использованием физического разделителя, так чтобы все четыре промежутка были насколько возможно одинаковыми перед измерением. Были испытаны промежутки 2,7; 3,2; 4,6; и 5,0 мм. На фиг. 8, крайняя правая подсхема CWG включает дополнительную схему вокруг искрового промежутка. Это зарядно-импульсное устройство, разработанное для расчета энергии на импульс и средней выходной мощности. Это устройство было перемещено в каждый из трех других искровых промежутков между измерениями, что привело к получению четырех аналогичных наборов данных за сеанс. Поскольку для четырех параллельных искровых промежутков были протестированы четыре различных промежутка между искровыми промежутками, было собрано и проанализировано шестнадцать полных наборов данных (см. табл. 3).An efficiency analysis of four parallel CWG-fed single-stage spark gaps will now be presented to illustrate the potential efficiency gains. In particular, the electrical efficiency of the circuit shown in FIG. 8, with one 120 V-12 kV AC transformer feeding four separate spark gap subcircuits of the Cockcroft-Walton Generator (T+4CWG). Although the efficiency analysis below applies to plasma power output in any type of environment, experiments were conducted using spark gaps in air with the intended application of spark gaps in an oil and gas mixture. Therefore, pairs of arrowheads (^ ^) in Fig. 8, 14, 17 and 19 should be considered as a general case: spark gap in an uncertain environment. The main independent variable for the experimental data presented in this section was the spark gap interval. Each spark gap was manually adjusted using a physical spacer so that all four gaps were as equal as possible before measurement. Spacings of 2.7 were tested; 3.2; 4.6; and 5.0 mm. In fig. 8, the rightmost CWG subcircuit includes additional circuitry around the spark gap. This is a pulse charger designed to calculate energy per pulse and average power output. This device was moved to each of the other three spark gaps between measurements, resulting in four similar data sets per session. Because four different spark gaps were tested for four parallel spark gaps, sixteen complete data sets were collected and analyzed (see Table 3).

Способ расчета эффективности зависит от количественного определения средней энергии, выделяемой в плазме во время разряда. Для этого был разработан способ электрической диагностики для измерения общего количества заряда, перемещаемого за искру, показанного как подсхема, присоединенная к крайнему правому искровому промежутку на фиг. 8. По заряду в импульсе рассчитывается энергия в импульсе. Эта процедура для вычисления энергии в импульсе работает путем регистрации значения Vq (как определено на фиг. 7) непосредственно до и сразу после возникновения искры: _ _ Vqbefore.The method for calculating efficiency depends on quantifying the average energy released into the plasma during the discharge. To achieve this, an electrical diagnostic method was developed to measure the total amount of charge moved per spark, shown as a subcircuit connected to the rightmost spark gap in FIG. 8. Based on the charge in the pulse, the energy in the pulse is calculated. This procedure for calculating the energy in a pulse works by recording the value of Vq (as defined in Fig. 7) immediately before and immediately after the spark occurs: _ _ Vqbefore.

Энергия в импульсе затем может быть рассчитана как ЕриЬе - ^CQ-AVq-Vb, где Vb измеряется путем взятия значения Vg (как определено на фиг. 7) до пробоя. Эта процедура повторялась для каждого искрообразования в течение односекундного интервала измерения, и вычислялось среднее значение Еpulse. На фиг. 9 представлены графики Epulse как функции Vb для одного набора данных, который очень хорошо согласуется с квадратичной функцией Epuise _ ^Cequiv Vb2 (с использованием Сequiv в качестве параметра аппроксимации методом наименьших квадратов). Было обнаружено, что Сequiv имеет среднее значение 240 пФ по всем наборам данных в этом эксперименте, что сравнимо со случаем, когда два конденсатора С1 в одном CWG присоединяются параллельно для одного искрообразования, ^equlv ~ Ci + Ci 220 пФ. Затем можно рассчитать среднюю выходную мощность плазмы Pout как P°ut Epulse favg, где favg представляет собой среднюю частоту повторения радиоимпульсов искрового генератора в течение интервала измерения.The energy per pulse can then be calculated as Epube - ^CQ-AVq-Vb, where Vb is measured by taking the value of Vg (as defined in Fig. 7) before breakdown. This procedure was repeated for each spark during the one second measurement interval and the average E pulse was calculated. In fig. Figure 9 shows plots of E pulse as a function of Vb for one data set that fits very well to the quadratic function Epuise _ ^Cequiv Vb 2 (using C equiv as the least squares fitting parameter). C equiv was found to have an average value of 240 pF across all data sets in this experiment, which is comparable to the case where two capacitors C1 in one CWG are connected in parallel for one spark, ^ equlv ~ Ci + Ci 220 pF. The average plasma output power Pout can then be calculated as P° ut Ep ulse favg, where favg is the average repetition rate of the spark generator radio pulses during the measurement interval.

Средние значения Pw, Pprobel и PRq также были измерены вместе с вычисленным выше измерением Pout для определения эффективности. Pw измеряли вручную с помощью настенного измерителя мощности Kill-A-Watt, a Pprobel и PRq определяли с помощью Pr = <V2/R>. Перед получением данных напряжения, используемых для анализа энергии в импульсе, сначала было измерено Pw для различных нагрузок (путем изменения количества подсхем CWG, работающих параллельно, NCWG), как показано на фиг. 10. Из этого графика видно, что функция - ^C^cwg) является строго линейной в каждом случае со средним отрезком Pw= f(NcwG=0) = -19,0 Вт и средним наклоном dPw/dNcwc = -2,5 Вт / #. Если предположить, что это соотношение остается линейным, трансформатор станет работать более эффективно при параллельном питании большего количества установок CWG. Хотя это может быть неэкономичным при использовании с низким энергопотреблением (например, Pw меньше 50 Вт), примеры воплощения изобретения этой схемы могут быть очень полезны для расширенных версий реактора с большой мощностью (например, Pw приблизительно 900 Вт). Вышеупомянутое предположение также подразумевает, что каждая установка CWG получает от трансформатора среднюю подводимую мощность, равную dPw/dNCWG, рассчитанную посредством линейной регрессии данных, показанных на фиг. 11.The average values of Pw , Pprobel and PRq were also measured along with the Pout measurement calculated above to determine the efficiency. P w was measured manually using a Kill-A-Watt wall power meter, and Pprobel and P R q were determined using Pr = <V 2 /R>. Before obtaining the voltage data used for pulse energy analysis, Pw was first measured for various loads (by varying the number of CWG subcircuits running in parallel, NCWG), as shown in FIG. 10. From this graph it is clear that the function - ^C^cwg) is strictly linear in each case with an average segment Pw= f(NcwG=0) = -19.0 W and an average slope dPw/dNcwc = -2.5 W /#. Assuming this relationship remains linear, the transformer will operate more efficiently when feeding more CWG units in parallel. Although this may not be economical for low power applications (eg P w less than 50 W), exemplary embodiments of this circuit can be very useful for high power extended versions of the reactor (eg P w approximately 900 W). The above assumption also implies that each CWG installation receives from the transformer an average input power equal to dP w /dN CWG calculated by linear regression of the data shown in FIG. eleven.

Используя вышеупомянутые данные, дифференциальная эффективность всей установки может быть определена и вычислена как = (Pout+Pprobei)/(dPw/dNcwG), как показано в табл. 3 и на фиг. 12. ВUsing the above data, the differential efficiency of the entire installation can be determined and calculated as = (Pout+Pprobei)/(dP w /dNcwG), as shown in Table. 3 and in fig. 12.V

- 10 043985 общем CWG может быть очень эффективным, теряя мощность только из-за сопротивления неидеальных диодов. Обсуждаемый здесь эксперимент продемонстрировал, что ntotal,diff =~68%, при этом эффективность немного снижается для более высоких пробойных напряжений (большие промежутки между зарядниками) из-за увеличения утечки тока через коронные разряды в окружающий воздух (что можно решить, например, герметизацией схемы, сведя к минимуму незащищённый металл и т.д.).- 10 043985 in general CWG can be very efficient, losing power only due to the resistance of non-ideal diodes. The experiment discussed here demonstrated that nt otal , diff = ~68%, with the efficiency decreasing slightly for higher breakdown voltages (large gaps between chargers) due to increased current leakage through corona discharges into the surrounding air (which can be solved by e.g. sealing the circuit, minimizing exposed metal, etc.).

Альтернативный способ количественной оценки общей дифференциальной эффективности данной установки заключается в построении графика общей выходной мощности ^out + 4ιο®ι + ^rq) как функции подводимой мощности на стенке, как показано на фиг. 13. Этот график, как и следовало ожидать, строго линейный. Наклон результирующей линии соответствия, dPout,tot/dPw равен дифференциальной эффективности всей установки и составляет 64,9%. Это значение хорошо согласуется с общими значениями дифференциальной эффективности, установленными с помощью (Pout+Pprobei)/(dPw/NcwG), показанными в табл. 3 ниже (которая представляет табличные результаты экспериментов) и на фиг. 13.An alternative way to quantify the overall differential efficiency of a given installation is to plot the total power output ^ out + 4 ιο ®ι + ^ r q) as a function of the wall power input, as shown in FIG. 13. This graph, as you would expect, is strictly linear. The slope of the resulting line of correspondence, dP out , tot /dPw is equal to the differential efficiency of the entire installation and is 64.9%. This value agrees well with the overall differential efficiency values determined using (Pout+Pprobei)/(dP w /NcwG) shown in Table. 3 below (which presents tabular experimental results) and FIG. 13.

Таблица 3Table 3

Наи м. про меж утка Nai m. about between ducks Дата date Огра ниче ние пром ежутк а [мм] Spacing limitation [mm] (dPw/N cwg) [Вт](dP w /N cwg) [W] V b.avg [кВ] Vb.avg [kV] V bjnax [кВ] V bjnax [kV] Epulse,avg [мДж] Epulse,avg [mJ] favg [Гц] favg [Hz] Pout [Вт] Pout [W] Pprobel [Вт] Pprobel [W] Prq [мВт] Prq [mW] T)total,diff (Pout +Р probel) /(dPw/Ncwc)T)total,diff - (Pout +P probel) / (dP w /Ncwc) А A 4 марта March 4 2,7 2.7 2,09 2.09 10,6 10.6 13,5 13.5 15,6 15.6 87,6 87.6 1,37 1.37 0,116 0.116 1,4 1.4 71,1% 71.1% В IN 4 марта March 4 2,7 2.7 2,09 2.09 10,8 10.8 14,9 14.9 12,6 12.6 92,2 92.2 1,26 1.26 0,113 0.113 1,3 1.3 65,8% 65.8% С WITH 4 марта March 4 2,7 2.7 2,09 2.09 Ю,1 Yu, 1 12,1 12.1 12,5 12.5 105,7 105.7 1,32 1.32 0,092 0.092 1,7 1.7 67,8% 67.8% D D 4 марта March 4 2,7 2.7 2,09 2.09 10,9 10.9 15,5 15.5 18,6 18.6 71,8 71.8 1,34 1.34 0,106 0.106 1,3 1.3 68,9% 68.9% 4 марта Сред. March 4 Wed. 2,7 2.7 2,09 2.09 10,9 10.9 14,0 14.0 14,8 14.8 89,3 89.3 1,32 1.32 0,107 0.107 1,4 1.4 68,4% 68.4% А A 5 марта 5th of March 3,2 3.2 2,25 2.25 П,9 P,9 17,7 17.7 16,5 16.5 89,0 89.0 1,47 1.47 0,134 0.134 1,4 1.4 71,3% 71.3% В IN 5 марта 5th of March 3,2 3.2 2,25 2.25 13,2 13.2 17,7 17.7 20,0 20.0 75,9 75.9 1,52 1.52 0,171 0.171 1,3 1.3 75,2% 75.2% С WITH 5 марта 5th of March 3,2 3.2 2,25 2.25 12,0 12.0 16,1 16.1 16,0 16.0 94,4 94.4 1,51 1.51 0,133 0.133 1,6 1.6 73,1% 73.1% D D 5 марта 5th of March 3,2 3.2 2,25 2.25 12,6 12.6 16,1 16.1 20,6 20.6 79,0 79.0 1,63 1.63 0,138 0.138 1,7 1.7 78,4% 78.4% 5 марта Сред. March 5 Wed. 3,2 3.2 2,25 2.25 12,4 12.4 16,9 16.9 18,3 18.3 84,6 84.6 1,53 1.53 0,144 0.144 1,5 1.5 74,5% 74.5% А A 6 марта March, 6 4,6 4.6 2,86 2.86 15,5 15.5 20,5 20.5 20,5 20.5 52,2 52.2 1,65 1.65 0,240 0.240 1,2 1.2 66,1% 66.1% В IN 6 марта March, 6 4,6 4.6 2,86 2.86 16,5 16.5 20,6 20.6 20,6 20.6 53,7 53.7 1,72 1.72 0,229 0.229 1,2 1.2 68,2% 68.2% С WITH 6 марта March, 6 4,6 4.6 2,86 2.86 14,9 14.9 18,9 18.9 18,9 18.9 60,2 60.2 1,41 1.41 0,262 0.262 1,0 1.0 58,5% 58.5% D D 6 марта March, 6 4,6 4.6 2,86 2.86 16,3 16.3 19,8 19.8 19,8 19.8 45,3 45.3 1,54 1.54 0,252 0.252 1,1 1.1 62,8% 62.8% 6 марта Сред. March 6 Wed. 4,6 4.6 2,86 2.86 15,8 15.8 20,0 20.0 30,3 30.3 52,8 52.8 1,58 1.58 0,246 0.246 1D 63,9% 63.9% А A 7 марта March 7 5,0 5.0 2,61 2.61 15,6 15.6 21,2 21.2 21,2 21.2 48,1 48.1 1,49 1.49 0,277 0.277 1,0 1.0 67,6% 67.6% В IN 7 марта March 7 5,0 5.0 2,61 2.61 17,2 17.2 21,3 21.3 21,3 21.3 40,9 40.9 1,35 1.35 0,324 0.324 0,8 0.8 64,2% 64.2% С WITH 7 марта March 7 5,0 5.0 2,61 2.61 17,3 17.3 22,0 22.0 22,0 22.0 39,3 39.3 1,37 1.37 0,329 0.329 0,8 0.8 65,0% 65.0% D D 7 марта March 7 5,0 5.0 2,61 2.61 17,0 17.0 20,2 20.2 20,2 20.2 39,3 39.3 1,48 1.48 0,292 0.292 1,0 1.0 68,0% 68.0% 7 марта Сред. March 7 Wed. 5,0 5.0 2,61 2.61 16,8 16.8 21,2 21.2 34,1 34.1 41,9 41.9 1,42 1.42 0,306 0.306 0,9 0.9 66,2% 66.2%

Теперь будет представлен пример анализа эффективности для двухполупериодного искрового промежутка с питанием от CWG. Аналогичные измерения мощности и энергии на импульс были выполнены с использованием двухполупериодного однокаскадного генератора Кокрофта-Уолтона (см. фиг. 14) для определения эффективности. Данная типичная схема включает две подключенные подсхемы КокрофтаУолтона, питаемые от входов противоположной полярности от одного и того же трансформатора, что позволяет использовать полный цикл переменного тока для зарядки конденсатора. Эти результаты (фиг. 15 и 16) напрямую сопоставимы с результатами для полуволновой схемы, показанными на фиг. 9 и 13, показывая, что разница в дифференциальной эффективности между двухполупериодной схемой (фиг. 14) и полуволновой схемой незначительна (<5%).An example of efficiency analysis for a full-wave spark gap powered by a CWG will now be presented. Similar power and energy per pulse measurements were made using a full-wave, single-stage Cockcroft-Walton oscillator (see FIG. 14) to determine efficiency. This typical circuit involves two connected Cockcroft-Walton subcircuits fed by inputs of opposite polarity from the same transformer, allowing a full AC cycle to be used to charge the capacitor. These results (FIGS. 15 and 16) are directly comparable to the results for the half-wave circuit shown in FIG. 9 and 13, showing that the difference in differential efficiency between the full-wave circuit (FIG. 14) and the half-wave circuit is negligible (<5%).

В типичных конструкциях, альтернативных представленным на фиг. 8 и 14, раскрытые методы ге- 11 043985 нерации импульсов высокого напряжения для использования в конверсии углеводородов охватывают все варианты схемы T+CWG, такие как изображенные на фиг. 17 и 18. Основные конструктивные параметры включают (1) количество искровых промежутков с питанием от CWG, работающих параллельно от одного трансформатора;In typical alternative designs to those shown in FIGS. 8 and 14, the disclosed methods for generating high voltage pulses for use in hydrocarbon conversion cover all variations of the T+CWG circuit such as those depicted in FIGS. 17 and 18. Key design parameters include (1) the number of CWG-fed spark gaps operating in parallel from a single transformer;

(2) количество каскадов (2 конденсатора+2 диода) в каждом CWG (VDC =NstagesVpp); и (3) двухполупериодные или полуволновые конструкции.(2) the number of stages (2 capacitors + 2 diodes) in each CWG (V DC =N stages V pp ); and (3) full-wave or half-wave designs.

В различных вариантах воплощения изобретения может использоваться любая комбинация и изменение вышеуказанных параметров.In various embodiments of the invention, any combination and variation of the above parameters may be used.

Для создания рентабельного процесса конверсии углеводородов желательно иметь эффективную электрическую схему. Такая схема предпочтительно теряет минимальную часть подводимой энергии в виде тепла (диссипативные потери) или нежелательной утечки заряда (потери переноса заряда), передавая большую часть своей энергии на материал между двумя разрядными электродами посредством химических процессов. В случае конверсии углеводородов, например, этот материал может представлять собой двухфазную комбинацию тяжелых углеводородов и выбранного газообразного донора водорода (например, Н2, СН4). В различных вариантах воплощения для нацеливания конкретных химических реакций, которые приведут к желаемой конверсии с минимальным образованием сажи, используются относительно небольшие энергии импульса (приблизительно 30 мДж или меньше). В различных вариантах воплощения изобретения схема также может быть относительно компактной, чтобы упростить внедрение в полную реакторную систему, и может иметь саморетрансляционную конструкцию для помощи в расширении системы реактора. Что касается эффективности, в некоторых вариантах воплощения изобретения можно ожидать эффекта уменьшения отдачи при улучшении электрического КПД схемы. Например, увеличение эффективности с 30 до 50% может внести гораздо больший вклад в рентабельность процесса конверсии углеводородов, чем увеличение с 70 до 90%. Для некоторых обсуждаемых здесь вариантов воплощения изобретения, можно предположить, что подходящим КПД схемы будет приблизительно 60% или выше.To create a cost-effective hydrocarbon conversion process, it is desirable to have an efficient electrical circuit. Such a circuit preferably loses a minimal portion of its input energy as heat (dissipative loss) or unwanted charge leakage (charge transfer loss), transferring the majority of its energy to the material between the two discharge electrodes through chemical processes. In the case of hydrocarbon conversion, for example, this material may be a two-phase combination of heavy hydrocarbons and a selected hydrogen donor gas (eg, H 2 , CH 4 ). In various embodiments, relatively low pulse energies (approximately 30 mJ or less) are used to target specific chemical reactions that will result in the desired conversion with minimal soot formation. In various embodiments of the invention, the circuit may also be relatively compact to facilitate implementation into a complete reactor system, and may have a self-relaying design to aid in expansion of the reactor system. With respect to efficiency, in some embodiments, a diminishing return effect can be expected while improving the electrical efficiency of the circuit. For example, an increase in efficiency from 30 to 50% can make a much greater contribution to the profitability of a hydrocarbon conversion process than an increase from 70 to 90%. For some embodiments discussed herein, it may be assumed that a suitable circuit efficiency would be approximately 60% or higher.

Возвращаясь к фиг. 1, основным примером схемы, которая может использоваться для этого приложения, является простая RC-схема, в которой используется источник постоянного тока с регулируемым напряжением (а) или регулируемым током (б) для зарядки одного высоковольтного конденсатора, пока напряжение конденсатора не превысит текущее пробойное напряжение искрового промежутка и в этот момент возникает искра, и конденсатор выравнивается. Балластный резистор обычно включается последовательно с источником постоянного тока для уменьшения повреждений, вызванных искрой. Вычислительная модель этой схемы показала, что при использовании источника питания, управляемого напряжением, максимально возможная энергоэффективность, достижимая при изменении RC-схемы, составляет 50% даже в пределах небольшого балластного сопротивления и минимального перенапряжения (Overvoltage — Vs - Vb, где VS представляет собой постоянное напряжение питания, Vb представляет собой пробойное напряжение). Однако, в различных вариантах воплощения изобретения использующих источник питания с регулируемым током, можно достичь 100% энергоэффективности в пределах как небольшого зарядного тока (или малой подводимой мощности), так и небольшого балластного сопротивления (см. фиг. 5). Этот результат справедлив и для неидеальной RC-схемы искрового разряда (фиг. 2).Returning to FIG. 1, a basic example of a circuit that can be used for this application is a simple RC circuit that uses a voltage-regulated (a) or current-regulated (b) DC source to charge a single high-voltage capacitor until the capacitor voltage exceeds the current breakdown voltage spark gap voltage and at this moment a spark occurs and the capacitor is leveled. A ballast resistor is usually placed in series with the DC source to reduce damage caused by sparking. A computational model of this circuit showed that when using a voltage-controlled power supply, the maximum possible energy efficiency achievable by changing the RC circuit is 50%, even within the limits of small ballast resistance and minimum overvoltage (Overvoltage - Vs - Vb, where VS is the constant supply voltage, V b represents the breakdown voltage). However, in various embodiments using a current-regulated power supply, 100% energy efficiency can be achieved within the limits of both a small charging current (or low power input) and a small ballast resistance (see FIG. 5). This result is also valid for a non-ideal RC spark discharge circuit (Fig. 2).

В некоторых вариантах воплощения изобретения RC-схема, работающая с этими предельными параметрами для достижения максимальной эффективности, нецелесообразна для предполагаемого примеf=Is j су ’ нения, поскольку частота импульсов пропорциональна зарядному току (согласно 1 ь где Is представляет собой установленный зарядный ток, а C1 представляет собой зарядную емкость). Кроме того, имеющиеся в продаже источники питания высокого напряжения с регулируемым током обычно не оптимизированы по эффективности. Тем не менее этот результат имеет важное значение для всех возможных схем с высоким КПД, которые работают за счет разряда энергии, накопленной в конденсаторах. В целом, потенциально сложные схемы искрового разряда можно рассматривать как имеющие некоторую эквивалентную емкость, которая обеспечивает энергию для каждого искрообразования, а также некоторое эквивалентное сопротивление, которое приводит к диссипативным потерям. Следовательно, основываясь на результатах вышеупомянутой вычислительной модели, версия любой схемы искрового разряда с управляемым током будет по своей сути более эффективной, чем ее аналог с управляемым напряжением. Это также относится к схемам с ограничением мощности, которые почти ограничены по току, когда схема, управляемая напряжением, достигает предела мощности.In some embodiments, an RC circuit operating at these extremes to achieve maximum efficiency is not practical for the intended application because the pulse frequency is proportional to the charging current (as per 1b where Is is the set charging current and C 1 represents the charging capacity). Additionally, commercially available high-voltage, current-regulated power supplies are typically not optimized for efficiency. Nevertheless, this result has important implications for all possible high-efficiency circuits that operate by discharging energy stored in capacitors. In general, potentially complex spark discharge circuits can be thought of as having some equivalent capacitance that provides the energy for each spark, as well as some equivalent resistance that introduces dissipative losses. Therefore, based on the results of the above computational model, the current controlled version of any spark discharge circuit will be inherently more efficient than its voltage controlled counterpart. This also applies to power-limited circuits, which are almost current-limited when the voltage-controlled circuit reaches its power limit.

Примером конфигурации схемы, которая соответствует требованиям различных приложений, является обсуждаемый выше CWG. Эта схема выпрямляет входной переменный ток с помощью лестницы из высоковольтных диодов и конденсаторов для получения высокого напряжения постоянного тока на выходе, которое может быть подключено непосредственно к искровому промежутку (фиг. 7). В таком случае конденсаторы в этой выпрямительной схеме составляют полную емкость Cequiv, разряженную воAn example of a circuit configuration that meets the requirements of various applications is the CWG discussed above. This circuit rectifies the AC input using a ladder of high voltage diodes and capacitors to produce a high DC voltage output that can be connected directly to the spark gap (Fig. 7). In this case, the capacitors in this rectifier circuit constitute the total capacitance C equiv discharged during

- 12 043985- 12 043985

E —С V2 ____ _______________,-_____________ г- _____________ _ “ ^equn ь >___ _______________ ____ время искрового выброса энергии bspark, в соответствии с 2 где Vb представляет собой пробойное напряжение (равное напряжению, накопленному во всей выпрямительной подсхеме непосредственно перед искрообразованием). В идеальном случае диоды и конденсаторы в этой схеме имеют нулевые диссипативные потери (из-за электронагрева) и, следовательно, могут приближаться к 100% эффективности. Кроме того, в различных приложениях для CWG максимально возможная частота импульсов равна частоте возбуждения входного переменного тока (например, 60 Гц при использовании линейного входа). Когда в цепи происходит искрообразование на этой частоте, со средней энергией на импульс ^spark~~C Vb , p=p f ее средняя выходная мощность ограничивается в соответствии с out · Следова- тельно, схема CWG извлекает выгоду из вышеупомянутых преимуществ схем искрового разряда с регулируемым током и ограничением мощности. Экспериментальные доказательства, представленные в этом описании, подтверждают это утверждение, показывая, что дифференциальная эффективность такой схемы искрового разряда CWG превышает 50%, что невозможно в системе, управляемой напряжением. В некоторых вариантах воплощения изобретения несколько однокаскадных CWG могут быть объединены параллельно для дальнейшего увеличения конечного выходного напряжения постоянного тока Vout результирующей многокаскадной схемы лестничного типа в соответствии с соотношением Vout stagedpp;in ? где Nstages представляет собой количество ступеней и Vpp,in представляет собой размах напряжения входного переменного тока. Например, идеальный двухкаскадный CWG, работающий при входном напряжении 10 кВ переменного тока (размах 20 кВ), будет производить выходное напряжение 40 кВ постоянного тока.E —С V 2 ____ _______________,-_____ g- _____________ _ “ ^equn ь >___ _______________ ____ time of spark release of energy b spark , in accordance with 2 where V b represents the breakdown voltage (equal to the voltage accumulated in the entire rectifier subcircuit just before sparking). Ideally, the diodes and capacitors in this circuit have zero dissipative losses (due to electrical heating) and can therefore approach 100% efficiency. Additionally, in various CWG applications, the maximum possible pulse frequency is equal to the AC input drive frequency (e.g., 60 Hz when using a line input). When a circuit sparks at this frequency, with an average energy per pulse ^spark~~CV b , p = pf its average output power is limited according to out Consequently, the CWG circuit benefits from the above-mentioned advantages of controlled spark discharge circuits. current and power limitation. The experimental evidence presented in this specification supports this claim, showing that the differential efficiency of such a CWG spark discharge circuit exceeds 50%, which is not possible in a voltage controlled system. In some embodiments, multiple single-stage CWGs may be combined in parallel to further increase the final DC output voltage V out of the resulting multi-stage ladder circuit in accordance with the relationship V out stagedpp ; in? where N stages represents the number of stages and V pp , in represents the peak-to-peak AC input voltage. For example, an ideal two-stage CWG operating at an input voltage of 10 kV AC (20 kV peak-to-peak) will produce an output voltage of 40 kV DC.

Хотя, в некоторых вариантах воплощения изобретения схема лестничного типа Кокрофта-Уолтона потенциально может питаться от стандартного подключения (например, 120 В переменного тока), количество каскадов CWG, необходимых для выпрямления этого входа до высоких напряжений постоянного тока, необходимых для преобразования углеводородов (~30 кВ), будет относительно большим. Например, для преобразования 120 В переменного тока в 30 кВ постоянного тока потребуется 125 каскадов (.Nstages -^out^pP,m) без учета потерь или кратковременного падения напряжения. Для решения этой проблемы, в различных вариантах воплощения изобретения может использоваться повышающий трансформатор напряжения. Как правило, от переменного тока на входе повышающий трансформатор может генерировать более высокое напряжение (потенциально кВ) переменного тока на выходе с высоким КПД (также из-за отсутствия элементов, которые проявляют электронагрев). Используя это выходное напряжение в кВ переменного тока от трансформатора в качестве входа для схемы лестничного типа CWG (T+CWG), можно достичь приблизительно 30 кВ постоянного тока, используя значительно меньшее количество каскадов CWG, чем при прямом линейном входе, при сохранении высокого КПД. Эта концепция подразумевает пространство параметров возможных конфигураций T+CWG с различными коэффициентами поворота трансформатора и номерами каскадов CWG. Также стоит отметить альтернативную двухполупериодную конфигурацию генератора Кокрофта-Уолтона (фиг. 14), которая может использоваться таким образом, что пики как положительной, так и отрицательной полярности способствуют переносу заряда, но требуется трансформатор с двойными выходами противоположной полярности.Although, in some embodiments, the Cockcroft-Walton ladder circuit can potentially be powered from a standard connection (e.g., 120 VAC), the number of CWG stages required to rectify this input to the high DC voltages required for hydrocarbon conversion (~30 kV), will be relatively large. For example, to convert 120 VAC to 30 kVDC, 125 stages (. N st a ges -^out^p P ,m) will be required without taking into account losses or short-term voltage drops. To solve this problem, a step-up voltage transformer can be used in various embodiments of the invention. Typically, from an AC input, a step-up transformer can generate a higher voltage (potentially kV) AC output with high efficiency (also due to the absence of elements that exhibit electrical heating). By using this kV AC output voltage from the transformer as the input to a CWG ladder circuit (T+CWG), approximately 30 kV DC can be achieved using significantly fewer CWG stages than direct line input, while maintaining high efficiency. This concept implies a parameter space of possible T+CWG configurations with different transformer turning ratios and CWG stage numbers. Also worth noting is the alternative full-wave Cockcroft-Walton oscillator configuration (Fig. 14), which can be used so that both positive and negative polarity peaks contribute to charge transfer, but requires a transformer with dual outputs of opposite polarity.

В различных вариантах воплощения изобретения конфигурация T+CWG, состоящая из одного повышающего трансформатора и одной схемы лестничного типа CWG, питающей один искровой промежуток, предполагает возможность расширения с использованием одной схемы T+CWG для питания нескольких искровых промежутков. Однако простое подключение одного CWG к нескольким искровым промежуткам не будет работать должным образом в различных приложениях; такая система могла бы вызвать искру в искровом промежутке при самом низком пробойном напряжении. В некоторых вариантах воплощения изобретения конфигурация схемы T+CWG, которая решает эту проблему, состоит из одного повышающего трансформатора, питающего несколько схем лестничного типа CWG (1 схема лестничного типа CWG на искровой промежуток). Каждый CWG в этой конфигурации (T+NCWG) обеспечивает независимый высоковольтный выход постоянного тока, не требуя собственного выделенного трансформатора, и может питать один искровой промежуток, не подвергаясь влиянию пробивных напряжений других искровых промежутков в той же цепи. В целом повышающие трансформаторы работают более эффективно, приближаясь к предельной мощности, поэтому относительно мощный трансформатор (например, приблизительно 1 кВт) потенциально может запитать несколько сотен искровых промежутков CWG одновременно (приблизительно 2 Вт на искровой промежуток) от прямого ввода питания от сети. Кроме того, в различных версиях трехфазный линейный вход также может использоваться для питания этой схемы (предыдущие обсуждения были сосредоточены на однофазном линейном входе). Используя трехфазный вход, можно создать систему с тремя трансформаторами с использованием вышеупомянутой схемы, с одним трансформатором, подключенным к каждой из трех фаз входа, в результате чего три схемы T+NCWG работают одновременно с задержкой по фазе в одну треть одного цикла. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения из-за относительной простоты и компактности схемы лестничного типа CWG (2 конденсатора и 2 диода, которые можно уместить в ограничивающем объемеIn various embodiments, a T+CWG configuration consisting of one step-up transformer and one CWG ladder circuit feeding one spark gap is capable of being expanded using a single T+CWG circuit to supply multiple spark gaps. However, simply connecting one CWG to multiple spark gaps will not work well across different applications; such a system could cause a spark in the spark gap at the lowest breakdown voltage. In some embodiments, a T+CWG circuit configuration that solves this problem consists of a single step-up transformer feeding multiple CWG ladders (1 CWG ladder per spark gap). Each CWG in this configuration (T+NCWG) provides an independent high-voltage DC output without requiring its own dedicated transformer, and can supply a single spark gap without being affected by the breakdown voltages of other spark gaps in the same circuit. In general, step-up transformers operate more efficiently toward their power limit, so a relatively powerful transformer (e.g., approximately 1 kW) can potentially power several hundred CWG spark gaps simultaneously (approximately 2 W per spark gap) from direct mains input. Additionally, in various versions, a three-phase line input can also be used to power this circuit (previous discussions focused on single-phase line input). Using a three-phase input, it is possible to create a three-transformer system using the above circuit, with one transformer connected to each of the three input phases, resulting in three T+NCWG circuits operating simultaneously with a phase delay of one-third of one cycle. Additionally, in some embodiments, due to the relative simplicity and compactness of the CWG ladder circuit (2 capacitors and 2 diodes, which can be contained within the confining volume

- 13 043985- 13 043985

1,5х2,5х0,5 дюйма), можно легко реализовать полную схему в полной реакторной системе и легко расширить (одна схема лестничного типа CWG на искровой промежуток).1.5 x 2.5 x 0.5 inches), the complete circuit can be easily implemented in a complete reactor system and easily expandable (one CWG ladder circuit per spark gap).

Схема T+NCWG предоставляет различные возможные варианты воплощения схемы искрового разряда, которая хорошо подходит для различных применений в преобразовании углеводородов (эффективность, компактность, простота расширения, низкая энергия импульса, выходное напряжение более 30 кВ постоянного тока, управляемая током). Однако в различных альтернативных вариантах воплощения изобретения, могут использоваться другие схемы, как раскрыто в настоящем документе.The T+NCWG circuit provides a variety of possible spark circuit implementations that are well suited for a variety of hydrocarbon conversion applications (efficiency, compactness, easy expansion, low pulse energy, output voltage greater than 30 kV DC, current controlled). However, in various alternative embodiments of the invention, other schemes may be used, as disclosed herein.

Следует отметить, что низкая выходная емкость является важной характеристикой вариантов воплощения раскрытого подхода. Типичные высоковольтные источники питания имеют относительно высокую выходную емкость (например, приблизительно 1 нФ), чтобы уменьшить колебания. Однако выходные емкости в нанофарадах могут быть слишком высокими для различных вариантов воплощения химической обработки, которые могут быть нечувствительны к колебаниям в схеме. В конкретных применениях обработки с использованием импульсных электрических разрядов большое значение имеет емкость. Емкость линейно влияет на энергию в импульсе, а низкая энергия в импульсе при высоком напряжении является преимуществом для плазмохимического процесса. Следовательно, общая емкость схемы (которая зависит от общей выходной емкости источника питания) должна быть минимизирована в некоторых вариантах реализации. Например, искровой разряд, генерируемый цепью емкостью 100 пФ через промежуток с пробойным напряжением 20 кВ, будет иметь энергию импульса 20 мДж. Для некоторых приложений этого может быть достаточно, но теоретически можно еще больше снизить энергию в импульсе за счет уменьшения емкости. Обычно это делается путем выбора имеющихся в продаже высоковольтных конденсаторов с меньшей емкостью, но также можно создать варианты воплощения этой схемы (CWG или другие), в которых используется паразитная емкость, которая обычно составляет порядка десятков пикофарад для схем такого размера.It should be noted that low output capacitance is an important characteristic of embodiments of the disclosed approach. Typical high-voltage power supplies have a relatively high output capacitance (eg, approximately 1 nF) to reduce fluctuations. However, nanofarad output capacitances may be too high for various chemical processing embodiments that may not be sensitive to circuit variations. In specific processing applications using pulsed electrical discharges, capacitance is of great importance. Capacitance has a linear effect on pulse energy, and low pulse energy at high voltage is an advantage for the plasmachemical process. Therefore, the total circuit capacitance (which depends on the total output capacitance of the power supply) must be minimized in some implementations. For example, a spark discharge generated by a 100 pF circuit across a gap with a breakdown voltage of 20 kV will have a pulse energy of 20 mJ. For some applications this may be sufficient, but theoretically it is possible to further reduce the energy per pulse by reducing the capacitance. This is typically done by selecting commercially available high voltage capacitors with lower capacitances, but it is also possible to create embodiments of this circuit (CWG or others) that use parasitic capacitance, which is typically on the order of tens of picofarads for circuits of this size.

В примерных версиях схемы, рассмотренные выше, могут использоваться в импульсных плазменных системах (например, искровые разряды наносекундной длительности) для обработки сырой нефти. Схема заряжает конденсатор, а затем разряжает накопленную электрическую энергию через искровой промежуток в сырую нефть, в которой образуются пузырьки газа. Искра разрывает отдельные связи в сырой нефти, делая некоторые длинные углеродные цепи короче. Раскрытый подход может быть использован как частично усовершенствованный для повышения качества сырой нефти (т.е. его можно использовать для начала процесса переработки сырой нефти и превращения ее в другие полезные продукты, такие как бензин). Устройство может, например, использоваться для снижения вязкости сырой нефти, что облегчает ее течение. В результате нужно будет меньшее количество разбавителя или, возможно, не потребуется никакого разбавителя для нефти, которая будет помещена в трубопровод и отгружена, что снизит стоимость сырой нефти.In exemplary versions, the circuits discussed above can be used in pulsed plasma systems (eg, nanosecond spark discharges) for processing crude oil. The circuit charges the capacitor and then discharges the stored electrical energy through a spark gap into crude oil, where gas bubbles form. The spark breaks individual bonds in the crude oil, making some long carbon chains shorter. The disclosed approach can be used as a partial enhancement to improve the quality of crude oil (ie, it can be used to begin the process of refining crude oil and converting it into other useful products such as gasoline). The device can, for example, be used to reduce the viscosity of crude oil, making it easier to flow. As a result, less or perhaps no diluent will be needed for the oil to be placed in the pipeline and shipped, reducing the cost of crude oil.

Хотя изобретение сфокусировано на конверсии углеводородов и их смесей, раскрытый подход также применим к обработке других соединений. В различных вариантах воплощения изобретения раскрытые системы и способы могут применяться для обработки других смесей и соединений, например, для обеззараживания воды и/или пищевых продуктов.Although the invention is focused on the conversion of hydrocarbons and mixtures thereof, the disclosed approach is also applicable to the processing of other compounds. In various embodiments of the invention, the disclosed systems and methods can be used to treat other mixtures and compounds, for example, to disinfect water and/or food products.

Термин углеводородный материал или смесь, подлежащие обработке, может относиться к тем углеводородным соединениям и их смесям, которые являются текучими средами в атмосферных условиях. Жидкие углеводородные материалы могут быть жидкостями, которые необязательно содержат взвешенные в них твердые частицы. Жидкие углеводородные материалы могут содержать другие обычные добавки, включая, помимо прочего, улучшители текучести, антистатические агенты, антиоксиданты, парафиновые противоосадочные агенты, ингибиторы коррозии, беззольные детергенты, антидетонационные агенты, улучшители воспламенения, дегазаторы, реодоранты, снижающие сопротивление трубопровода вещества, смазывающие вещества, улучшающие цетановое число присадки, вспомогательные вещества для искрообразования, составы для защиты седел клапанов, жидкости-носители на синтетических или минеральных маслах и пеногасители. Иллюстративные жидкие углеводородные материалы включают, без ограничения, минеральное масло; нефтепродукты, такие как сырая нефть, бензин, керосин и мазут; парафиновые углеводороды с прямой и разветвленной цепью; циклопарафиновые углеводороды; моноолефиновые углеводороды; диолефиновые углеводороды; алкеновые углеводороды; ароматические углеводороды, такие как бензол, толуол и ксилол. Если жидкий углеводородный материал включает сырую нефть, сырая нефть может содержать углеводороды широкого диапазона молекулярного веса и форм. Например, углеводороды могут включать, без ограничения, парафины, ароматические соединения, нафтены, циклоалканы, алкены, диолефины и алкины. Углеводороды могут характеризоваться общим числом атомов углерода (С) и/или количеством одинарных (С-С), двойных (С=С) или тройных (С=С) связей между атомами углерода. Благодаря разнообразию соединений, присутствующих в сырой нефти, это сырье хорошо подходит для описанного процесса. Его можно использовать для быстрого получения легких фракций, таких как бензин и керосин, или более тяжелых фракций, таких как дизельное топливо и мазут. Сотни различных молекул углеводородов в сырой нефти можно конвертировать с использованием процессов настоящей технологии в компоненты, которые могут использоваться в качестве топлива, смазоч- 14 043985 ных материалов и в качестве сырья в других нефтехимических процессах.The term hydrocarbon material or mixture to be processed may refer to those hydrocarbon compounds and mixtures thereof that are fluid under atmospheric conditions. Liquid hydrocarbon materials can be liquids that do not necessarily have solid particles suspended therein. Liquid hydrocarbon materials may contain other conventional additives, including, but not limited to, flow improvers, antistatic agents, antioxidants, wax anti-sludge agents, corrosion inhibitors, ashless detergents, anti-knock agents, ignition improvers, degassers, rheodorants, pipeline drag reducers, lubricants, Cetane improvers, spark aids, valve seat protectors, synthetic or mineral oil carrier fluids and defoamers. Exemplary liquid hydrocarbon materials include, but are not limited to, mineral oil; petroleum products such as crude oil, gasoline, kerosene and fuel oil; straight and branched chain paraffinic hydrocarbons; cycloparaffin hydrocarbons; monoolefin hydrocarbons; diolefin hydrocarbons; alkene hydrocarbons; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene. If the liquid hydrocarbon material includes crude oil, the crude oil may contain hydrocarbons of a wide range of molecular weights and forms. For example, hydrocarbons may include, but are not limited to, paraffins, aromatics, naphthenes, cycloalkanes, alkenes, diolefins and alkynes. Hydrocarbons can be characterized by the total number of carbon atoms (C) and/or the number of single (C-C), double (C=C) or triple (C=C) bonds between the carbon atoms. Due to the variety of compounds present in crude oil, this feedstock is well suited for the described process. It can be used to quickly produce light fractions such as gasoline and kerosene, or heavier fractions such as diesel fuel and fuel oil. Hundreds of different hydrocarbon molecules in crude oil can be converted using this technology's processes into components that can be used as fuels, lubricants and as feedstocks in other petrochemical processes.

Не ограничиваясь теорией, в любом из вышеуказанных процессов или вариантов воплощения изобретения, жидкие углеводородные материалы с высоким содержанием углерода могут быть расщеплены на молекулы с более низким содержанием углерода с образованием углеводородных фракций в среднем более легких (как по молекулярной массе, так и по температуре кипения), чем более тяжелые жидкие углеводородные материалы в сырье. Опять же, не ограничиваясь теорией, считается, что расщепление тяжелых молекул происходит за счет разрыва С-С связей. Для этих молекул энергия, необходимая для разрыва С-С связи, составляет приблизительно 261,9 кДж/моль. Это количество энергии значительно меньше, чем энергия, необходимая для разрыва связи С-Н (364,5 кДж/моль).Without being limited by theory, in any of the foregoing processes or embodiments of the invention, liquid hydrocarbon materials with a high carbon content can be broken down into molecules with a lower carbon content to produce hydrocarbon fractions that are on average lighter (in both molecular weight and boiling point) ) than the heavier liquid hydrocarbon materials in the feedstock. Again, without being limited by theory, it is believed that the splitting of heavy molecules occurs due to the breaking of C-C bonds. For these molecules, the energy required to break a C-C bond is approximately 261.9 kJ/mol. This amount of energy is significantly less than the energy required to break a C-H bond (364.5 kJ/mol).

Свободные радикалы углеводородов притягивают атомы водорода. Таким образом, в процессе может быть использован газ-носитель, служащий источником атома водорода. Подходящие газы-носители могут включать, но не ограничиваются ими, газы, содержащие атомы водорода. Иллюстративные газыносители могут включать, но не ограничиваются ими, водород, метан, природный газ и другие газообразные углеводороды. В любом из вышеупомянутых вариантов воплощения может использоваться смесь таких иллюстративных газов-носителей.Free radicals from hydrocarbons attract hydrogen atoms. Thus, the process can use a carrier gas that serves as a source of hydrogen atom. Suitable carrier gases may include, but are not limited to, gases containing hydrogen atoms. Exemplary carrier gases may include, but are not limited to, hydrogen, methane, natural gas and other hydrocarbon gases. In any of the above embodiments, a mixture of such illustrative carrier gases may be used.

Если процесс должен выполняться непрерывно, различные стадии или шаги процесса могут происходить одновременно или последовательно, так что жидкий углеводородный материал непрерывно подается в разрядную камеру по мере того, как углеводородные фракции продукта выходят из камеры.If the process is to be performed continuously, the various stages or steps of the process may occur simultaneously or sequentially such that liquid hydrocarbon material is continuously fed into the discharge chamber as hydrocarbon product fractions exit the chamber.

Как изложено выше, типовые процессы могут включать в себя создание плазмы искрового разряда в струе газа в межэлектродном разрядном промежутке. Пробойное напряжение газа-носителя будет меньше пробойного напряжения жидкости, соответственно, использование струи газа при том же уровне напряжения может использоваться для создания более длинного разрядного промежутка. Увеличение межэлектродного разрядного промежутка при одновременном снижении коррозионного воздействия процесса на электроды увеличивает площадь прямого контакта между плазменным разрядом и обрабатываемым жидким углеводородным материалом. Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, считается, что при контакте разрядной плазмы с жидким углеводородным материалом в межэлектродном разрядном промежутке жидкий углеводородный материал может быстро нагреваться и испаряться с образованием пара. Таким образом, молекулы жидкого углеводородного материала могут смешиваться с молекулами газа-носителя и частицами плазмы, образованной в них. Электроны плазмы могут сталкиваться с молекулами углеводородов, тем самым разбивая их на более мелкие молекулы, имеющие одну ненасыщенную связь и являющиеся по существу свободными радикалами, т.е. фрагментами молекул, имеющих свободную связь. Свободные радикалы также могут возникать в результате прямого взаимодействия быстро движущихся электронов с жидкими стенками, образованными вокруг плазменного канала, установленного между электродами.As stated above, typical processes may involve creating a spark discharge plasma in a gas stream in the interelectrode discharge gap. The breakdown voltage of the carrier gas will be less than the breakdown voltage of the liquid; accordingly, the use of a gas jet at the same voltage level can be used to create a longer discharge gap. Increasing the interelectrode discharge gap while simultaneously reducing the corrosive effect of the process on the electrodes increases the area of direct contact between the plasma discharge and the liquid hydrocarbon material being processed. Without being limited to any particular theory, it is believed that when the discharge plasma contacts liquid hydrocarbon material in the interelectrode discharge gap, the liquid hydrocarbon material can quickly heat up and evaporate to form steam. Thus, molecules of liquid hydrocarbon material can mix with molecules of the carrier gas and plasma particles formed in them. Plasma electrons can collide with hydrocarbon molecules, thereby breaking them into smaller molecules that have one unsaturated bond and are essentially free radicals, i.e. fragments of molecules that have a free bond. Free radicals can also arise from the direct interaction of fast-moving electrons with liquid walls formed around a plasma channel installed between the electrodes.

Как отмечалось выше, различные газы-носители, известные в данной области техники, могут использоваться в процессах и устройствах настоящей технологии. Примеры газов-носителей включают, но не ограничиваются ими, гелий, неон, аргон, ксенон и водород (Н2), среди других газов. В некоторых вариантах воплощения газ-носитель представляет собой водородсодержащий газ, такой как, но не ограничиваясь этим, вода, пар, чистый водород, метан, природный газ или другие газообразные углеводороды. Смеси любых двух или более таких водородсодержащих газов могут использоваться в любом из описанных вариантов воплощения. Кроме того, газы, не содержащие водород, такие как гелий, неон, аргон и ксенон, могут использоваться либо в качестве газов-разбавителей для любого из водородсодержащих газов, либо они могут использоваться с жидкими углеводородными материалами, что позволяет свободным радикалам заканчиваться друг с другом вместо атома водорода из газа-носителя. С точки зрения затрат энергии на образование одного свободного атома водорода, чтобы выбрать подходящий газноситель, можно сравнить энергию диссоциации различных газов-носителей или водородсодержащих газов. Так, например, для разрыва связи между атомами водорода в молекуле Н2 может потребоваться приблизительно 432 кДж/моль. Для водяного пара энергия, необходимая для высвобождения атома водорода, составляет приблизительно 495 кДж/моль, тогда как для удаления атома водорода из молекулы углеводорода, такой как метан, может потребоваться приблизительно 364,5 кДж/моль.As noted above, various carrier gases known in the art can be used in the processes and devices of the present technology. Examples of carrier gases include, but are not limited to, helium, neon, argon, xenon, and hydrogen (H 2 ), among other gases. In some embodiments, the carrier gas is a hydrogen-containing gas, such as, but not limited to, water, steam, pure hydrogen, methane, natural gas, or other hydrocarbon gases. Mixtures of any two or more such hydrogen-containing gases may be used in any of the described embodiments. Additionally, non-hydrogen gases such as helium, neon, argon and xenon can be used either as diluent gases for any of the hydrogen-containing gases, or they can be used with liquid hydrocarbon materials, allowing free radicals to terminate with each other instead of a hydrogen atom from the carrier gas. From the point of view of the energy required to form one free hydrogen atom, in order to select a suitable carrier gas, one can compare the dissociation energy of various carrier gases or hydrogen-containing gases. For example, approximately 432 kJ/mol may be required to break the bond between hydrogen atoms in a H2 molecule. For water vapor, the energy required to release a hydrogen atom is approximately 495 kJ/mol, while it may require approximately 364.5 kJ/mol to remove a hydrogen atom from a hydrocarbon molecule such as methane.

Согласно некоторым вариантам воплощения, газ-носитель является метаном. Использование метана или природного газа выгодно не только с точки зрения энергии, необходимой для разрыва связей, но и из-за его относительно низкой стоимости. Использование метана гарантирует, что связи С-Н разорваны с образованием водородного радикала и метилового радикала, каждый из которых может объединяться с более крупными углеводородными радикалами на стадии завершения. В некоторых вариантах воплощения газ-носитель представляет собой метан или смесь метана с инертным газом, таким как гелий, аргон, неон или ксенон.In some embodiments, the carrier gas is methane. Using methane or natural gas is advantageous not only in terms of the energy required to break the bonds, but also because of its relatively low cost. The use of methane ensures that C-H bonds are broken to form a hydrogen radical and a methyl radical, each of which can combine with larger hydrocarbon radicals in the completion stage. In some embodiments, the carrier gas is methane or a mixture of methane and an inert gas such as helium, argon, neon, or xenon.

Для создания плазмы в газовой струе могут использоваться различные типы электрических разрядов. Эти разряды могут быть как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Например, в некоторых вариантах воплощения изобретения эффективно использование непрерывных разрядов, таких как дуговой разряд или тлеющий разряд. Однако использование этого типа разряда для крекинга тяжелых углеводородов может быть ограничено тем фактом, что нагрев газовой среды постоянным током может приVarious types of electrical discharges can be used to create plasma in a gas jet. These discharges can be either continuous or pulsed. For example, in some embodiments of the invention it is effective to use continuous discharges, such as an arc discharge or a glow discharge. However, the use of this type of discharge for cracking heavy hydrocarbons may be limited by the fact that heating the gaseous medium with direct current can cause

- 15 043985 вести к нежелательному повышению температуры внутри разрядной камеры. Такое повышение температуры может привести к увеличению коксования и образования сажи. Кроме того, при использовании непрерывного разряда продукты углеводородной фракции могут постоянно подвергаться воздействию разряда до тех пор, пока они не выйдут из плазмы. Напротив, использование импульсного разряда, особенно импульсного искрового разряда, может быть желательным с целью производства фракции легких углеводородов из фракций тяжелой нефти, поскольку интервал между импульсами может позволить прекратить образование свободных радикалов и дать время для выхода продукта легких углеводородов из плазмы.- 15 043985 lead to an undesirable increase in temperature inside the discharge chamber. This increase in temperature can lead to increased coking and soot formation. In addition, when using a continuous discharge, the products of the hydrocarbon fraction can be continuously exposed to the discharge until they leave the plasma. In contrast, the use of a pulsed discharge, especially a pulsed spark discharge, may be desirable for the purpose of producing light hydrocarbon fractions from heavy oil fractions, since the interval between pulses may allow the formation of free radicals to cease and allow time for the light hydrocarbon product to escape from the plasma.

В другом аспекте предложено устройство для превращения жидкой углеводородной среды в продукт углеводородных фракций. Устройство может включать в себя разрядную камеру для размещения элементов, обеспечивающих искровой разряд, вызывающий конверсию. Разрядная камера и, следовательно, устройство могут включать в себя входное отверстие, устроенное для транспортировки жидкого углеводородного материала в разрядную камеру, выходное отверстие, устроенное для транспортировки продукта углеводородных фракций из разрядной камеры, отрицательный электрод, имеющий первый конец и второй конец, и положительный электрод, имеющий первый конец и второй конец. В разрядной камере первый конец отрицательного электрода может быть расположен на расстоянии от первого конца положительного электрода, при этом расстояние определяет межэлектродный разрядный промежуток. Чтобы обеспечить способ смешивания жидкого углеводородного материала с газом-носителем, как описано выше, разрядная камера может также включать газовую струю, устроенную для ввода газа-носителя вблизи разрядного промежутка. Другими словами, газ-носитель можно впрыскивать в жидкий углеводородный материал во время или непосредственно перед впрыском в разрядный промежуток. Второй конец отрицательного электрода и второй конец положительного электрода могут быть подключены к конденсатору, и может быть предусмотрен источник питания, настроенный на генерацию искрового разряда в межэлектродном разрядном промежутке.In another aspect, a device is provided for converting a liquid hydrocarbon medium into a product of hydrocarbon fractions. The device may include a discharge chamber for housing elements that provide a spark discharge that causes conversion. The discharge chamber, and thus the apparatus, may include an inlet configured to transport liquid hydrocarbon material into the discharge chamber, an outlet configured to transport hydrocarbon product from the discharge chamber, a negative electrode having a first end and a second end, and a positive electrode having a first end and a second end. In the discharge chamber, the first end of the negative electrode may be located at a distance from the first end of the positive electrode, wherein the distance determines the interelectrode discharge gap. To provide a method of mixing liquid hydrocarbon material with a carrier gas as described above, the discharge chamber may also include a gas jet arranged to introduce the carrier gas adjacent the discharge gap. In other words, the carrier gas can be injected into the liquid hydrocarbon material during or just before injection into the discharge gap. The second end of the negative electrode and the second end of the positive electrode may be connected to a capacitor, and a power supply configured to generate a spark discharge in the interelectrode discharge gap may be provided.

В разрядной камере искровой разряд может формироваться в межэлектродном разрядном промежутке, когда напряжение (V), приложенное к электродам, равно или превышает пробойное напряжение (Vb) межэлектродного промежутка. Искровой разряд может быть инициирован свободными электронами, которые обычно появляются на положительном электроде в результате автоэлектронной эмиссии или других процессов эмиссии электронов. Свободные электроны могут быть ускорены в электрическом поле, охватывающем промежуток, и может быть создан искровой плазменный канал, когда газ в промежутке ионизируется. После формирования канала искрового разряда разрядный ток может протекать через плазму. Напряжение внутри плазменного канала (Vd) может быть ниже, чем пробойное напряжение (Vb). Дуговой разряд может возникнуть, если источник питания достаточный для того, чтобы ток в разрядном канале протекал в непрерывном режиме. Нагрев плазмы также может происходить в искровом разряде. Однако регулировать температуру можно не только путем регулирования силы тока разряда, но и путем управления продолжительностью разряда. В некоторых вариантах воплощения в результате образования плазменного канала в газе, температура газа может достигать нескольких тысяч °С.In the discharge chamber, a spark discharge can be formed in the interelectrode discharge gap when the voltage (V) applied to the electrodes is equal to or exceeds the breakdown voltage ( Vb ) of the interelectrode gap. A spark discharge can be initiated by free electrons, which usually appear at the positive electrode as a result of field emission or other electron emission processes. Free electrons can be accelerated in an electric field spanning the gap, and a spark plasma channel can be created when the gas in the gap is ionized. After the spark discharge channel is formed, the discharge current can flow through the plasma. The voltage inside the plasma channel (Vd) can be lower than the breakdown voltage ( Vb ). An arc discharge can occur if the power supply is sufficient to ensure that the current in the discharge channel flows continuously. Plasma heating can also occur in a spark discharge. However, the temperature can be controlled not only by regulating the discharge current, but also by controlling the duration of the discharge. In some embodiments, as a result of the formation of a plasma channel in the gas, the temperature of the gas can reach several thousand °C.

В качестве альтернативы для генерации искрового разряда может использоваться другая схема питания. В некоторых вариантах воплощения для зажигания искровых разрядов может использоваться некоторое количество различных генераторов импульсов. Например, может использоваться схема, разряжающая накопительный конденсатор предварительного заряда под нагрузкой. Параметры импульсного напряжения на нагрузке определяются емкостью накопителя, а также параметрами всей разрядной схемы. Потери энергии будут зависеть от характеристик разрядной схемы, в частности, потерь в переключателе.Alternatively, another power circuit can be used to generate the spark discharge. In some embodiments, a number of different pulse generators may be used to ignite the spark discharges. For example, a circuit may be used that discharges the precharge storage capacitor under load. The parameters of the pulse voltage at the load are determined by the storage capacity, as well as by the parameters of the entire discharge circuit. Energy losses will depend on the characteristics of the discharge circuit, in particular the losses in the switch.

В некоторых вариантах воплощения настоящей технологии искровой выключатель может использоваться непосредственно в качестве нагрузки, т.е. плазменного реактора, тем самым снижая потери энергии в разрядной схеме. Кроме того, накопительный конденсатор может быть подключен параллельно искровому промежутку в цепи с минимальной индуктивностью. Пробой промежутка может происходить, когда напряжение на накопительном конденсаторе достигает пробойного напряжения, а подвод энергии в плазменную искру может происходить во время разряда конденсатора. Следовательно, потери энергии в цепи низкие.In some embodiments of the present technology, the spark switch can be used directly as a load, i.e. plasma reactor, thereby reducing energy losses in the discharge circuit. In addition, a storage capacitor can be connected in parallel with the spark gap in a circuit with minimal inductance. Gap breakdown can occur when the voltage across the storage capacitor reaches the breakdown voltage, and energy input into the plasma spark can occur during capacitor discharge. Consequently, energy losses in the circuit are low.

Согласно различным вариантам воплощения, положительный и отрицательный электроды могут иметь форму плоских электродов, либо в виде листа, лезвия, либо плоского вывода, и/или форму трубки (т.е. канюлированных). Канюлированный электрод представляет собой полый электрод, через который газ-носитель может быть введен в жидкий углеводородный материал в межэлектродном зазоре. Таким образом, канюлированный электрод может служить каналом для газа-носителя. Если отрицательный электрод канюлированный, проход канюли может иметь радиус кривизны в отверстии трубки. Высота или длина разрядного электрода обычно измеряется от основания, которое является точкой крепления, до вершины. В некоторых вариантах воплощения отношение радиуса кривизны к высоте или длине катода может быть больше приблизительно 10.According to various embodiments, the positive and negative electrodes may be in the form of planar electrodes, either in the form of a sheet, blade, or flat lead, and/or in the form of a tube (ie, cannulated). A cannulated electrode is a hollow electrode through which a carrier gas can be introduced into a liquid hydrocarbon material in the interelectrode gap. In this way, the cannulated electrode can serve as a channel for the carrier gas. If the negative electrode is cannulated, the cannula passage may have a radius of curvature at the tube opening. The height or length of the discharge electrode is usually measured from the base, which is the attachment point, to the top. In some embodiments, the ratio of the radius of curvature to the height or length of the cathode may be greater than about 10.

Как отмечалось выше, межэлектродный разрядный промежуток, т.е. расстояние между электродами, влияет на эффективность процесса. Межэлектродный разрядный промежуток - это деталь, которуюAs noted above, the interelectrode discharge gap, i.e. the distance between the electrodes affects the efficiency of the process. The interelectrode discharge gap is a part that

- 16 043985 можно оптимизировать, например, на основе конкретного углеводородного материала, подаваемого в разрядную камеру, введенного газа-носителя и приложенного напряжения и/или тока. Однако могут быть установлены некоторые диапазоны для межэлектродного разрядного промежутка. Например, в любом из вышеупомянутых вариантов воплощения, межэлектродный разрядный промежуток может составлять от приблизительно 1-3 мм до приблизительно 100 мм. Это может включать межэлектродный разрядный промежуток от приблизительно 3 мм до приблизительно 20 мм, при использовании рабочего напряжения 30-50 кВ оптимальная длина промежутка будет от 8 до 12 мм. Отрицательный электрод и положительный электрод могут выступать в разрядную камеру.- 16 043985 can be optimized, for example, based on the specific hydrocarbon material supplied to the discharge chamber, the carrier gas introduced and the applied voltage and/or current. However, some ranges for the interelectrode discharge gap can be set. For example, in any of the above embodiments, the interelectrode discharge gap may range from about 1-3 mm to about 100 mm. This may include an interelectrode discharge gap of about 3 mm to about 20 mm, when using an operating voltage of 30-50 kV the optimal gap length will be from 8 to 12 mm. The negative electrode and positive electrode may protrude into the discharge chamber.

Как отмечалось, накопительный конденсатор может быть заряжен до напряжения, равного или превышающего пробойное напряжение газа-носителя, так что возникает искровой разряд. В некоторых вариантах воплощения разряд возникает между положительным электродом и газом-носителем вблизи первого конца положительного электрода. В некоторых вариантах воплощения разряд является непрерывным. В других вариантах воплощения, разряд является импульсным. В некоторых вариантах воплощения скорость электрического разряда регулируется величиной сопротивления в зарядной схеме накопительного конденсатора.As noted, the storage capacitor can be charged to a voltage equal to or greater than the breakdown voltage of the carrier gas such that a spark discharge occurs. In some embodiments, a discharge occurs between the positive electrode and a carrier gas near the first end of the positive electrode. In some embodiments, the discharge is continuous. In other embodiments, the discharge is pulsed. In some embodiments, the rate of electrical discharge is controlled by the amount of resistance in the charging circuit of the storage capacitor.

Источник питания может быть подключен ко всей системе для обеспечения подвода энергии для возбуждения разряда. В некоторых вариантах воплощения в описанном здесь устройстве, можно использовать источник постоянного тока с рабочим напряжением 15-25 кВ. Источник питания может зависеть от количества промежутков для обработки углеводородной жидкости, от их длины, частоты следования импульсов, расхода жидкости через реактор, расхода газа через каждый промежуток и т.д. Пример устройства, в котором используется 12 промежутков, может включать реактор, в котором используются разрядные промежутки длиной 3,5 мм, конденсаторы емкостью 100 пФ, рабочее напряжение 18 кВ и частота следования импульсов 5 Гц. Потребляемый источник питания может составлять от 1 до 2 Вт, в то время как плазма может поглощать мощность приблизительно 0,97 Вт непосредственно в разряде. Оставшаяся энергия может рассеиваться в конденсаторах зарядной системы.A power source may be connected to the entire system to provide energy to initiate the discharge. In some embodiments, the device described herein may use a DC source with an operating voltage of 15-25 kV. The power source may depend on the number of gaps for processing the hydrocarbon liquid, their length, pulse repetition rate, liquid flow through the reactor, gas flow through each gap, etc. An example device that uses 12 gaps would include a reactor that uses 3.5 mm long gaps, 100 pF capacitors, an operating voltage of 18 kV, and a pulse repetition rate of 5 Hz. The power supply consumption can range from 1 to 2 W, while the plasma can absorb approximately 0.97 W of power directly from the discharge. The remaining energy can be dissipated in the charging system capacitors.

Варианты воплощения устройств и процессов, в целом описанных выше, могут быть лучше поняты со ссылкой на следующие примеры, которые никоим образом не предназначены для ограничения устройств или процессов, описанных выше.Embodiments of the devices and processes generally described above may be better understood with reference to the following examples, which are in no way intended to limit the devices or processes described above.

ПримерыExamples

Пример 1. T+4CWG: повышающий трансформатор (Pmax=900 Вт), питающий четыре (4) полуволновых CWG параллельно через четыре (4) разрядных промежутка с одинаковым пробойным напряжением.Example 1. T+4CWG: Step-up transformer (P max =900 W) feeding four (4) half-wave CWGs in parallel through four (4) discharge gaps with the same breakdown voltage.

Чтобы продемонстрировать вышеупомянутую возможность установки T+CWG для эффективного питания нескольких искровых промежутков от одного линейного входа, схема, показанная на фиг. 8, была выполнена и оценена с использованием диагностического способа измерения энергии импульса для расчета эффективности. Путем количественной оценки заряда, перенесенного во время одного искрообразования, с использованием подсхемы, показанной на четвертом искровом промежутке на фиг. 8, можно оценить энергию импульса для отдельных случаев искрообразования. Этот способ использовался для получения статистики энергии и частоты импульса (фиг. 12), на основании которых был рассчитан средний выход энергии. Принимая во внимание расчеты мощности для диагностического оборудования (высоковольтный зонд, подсхема измерения заряда), а также дифференциальную мощность на выходе из трансформатора ^cwg (где Pw представляет собой подводимую мощность на стенке, a NCWG представляет собой количество схем искрового разряда CWG, работающих параллельно), значение дифференциальР -Р -Р _ 1 out probe 1 RQ ной эффективности схемы на фиг. 5 было определено как (dPw IdNCWG) , где ^out Еpuise,avgfavg ,To demonstrate the above-mentioned capability of setting up a T+CWG to efficiently power multiple spark gaps from a single line input, the circuit shown in FIG. 8 was performed and evaluated using a diagnostic pulse energy measurement method to calculate efficiency. By quantifying the charge transferred during a single spark using the subcircuit shown in the fourth spark gap in FIG. 8, it is possible to estimate the pulse energy for individual cases of sparking. This method was used to obtain pulse energy and frequency statistics (Fig. 12), from which the average energy output was calculated. Taking into account the power calculations for the diagnostic equipment (high voltage probe, charge sensing subcircuit) as well as the differential power output from the transformer ^cwg (where P w is the wall power input and N CWG is the number of CWG spark discharge circuits operating in parallel), the value of the differential P -P -P _ 1 out probe 1 RQ of the circuit efficiency in Fig. 5 was defined as (dP w IdN CWG ), where ^out E pu ise,av g fav g ,

V 2 V 2 V 2 V 2

Р _ gap,avg р _ avg probe rRQ r ^probe и ^probe Эти результаты сведены в табл. 3 и представлены на фиг. 12. Среднее значение дифференциальной эффективности nA = 68,3%. Альтернативным определением дифференциальной _ d(Pout +Pprobe +PRQ) Ьв лр ’ эффективности для этой схемы является а· что представляет постепенное увеличение полезной выходной мощности для постепенного увеличения подводимой мощности. Вышеупомянутых данных (подробно представленных в табл. 3) достаточно для построения графика °ut probe RQ в зависимости от PW, как показано на фиг. 13. Этот график является строго линейным и nB может быть рассчитан путем нахождения среднего наклона этих данных с помощью линейной регрессии. Это приводит к значению дифференциальной эффективности nB = 64,9%, что хорошо согласуется с расчетом nA при учете экспериментальной неопределенности. Основываясь на этих расчетах эффективности, можно сделать вывод, что настоящая схема удовлетворяет вышеупомянутым требованиям и ее будет достаточно, если она будет применяться для конверсии водорода указанным выше способом.P _ gap,avg p _ avg probe r RQ r ^probe and ^probe These results are summarized in table. 3 and are presented in Fig. 12. Average value of differential efficiency nA = 68.3%. An alternative definition of differential _ d(P out +P probe +P RQ ) bv - lp ' efficiency for this circuit is a · which represents a gradual increase in useful output power for a gradual increase in input power. The above data (detailed in Table 3) is sufficient to construct a graph of ° ut probe R Q versus P W , as shown in FIG. 13. This graph is strictly linear and nB can be calculated by finding the average slope of these data using linear regression. This leads to a differential efficiency value of n B = 64.9%, which is in good agreement with the calculation of n A when taking into account experimental uncertainty. Based on these efficiency calculations, it can be concluded that the present scheme satisfies the above requirements and will be sufficient if used for hydrogen conversion in the above manner.

- 17 043985- 17 043985

Пример 2. T+CWG(FW): повышающий трансформатор (Pmax=900 Вт), питающий двухполупериодный CWG через искровой промежуток.Example 2. T+CWG(FW): step-up transformer (P max =900 W) feeding full-wave CWG across the spark gap.

Подобно эксперименту, подробно описанному в примере 1, был проведен анализ эффективности для системы с одним двухполупериодным искровым промежуткам CWG в воздухе, чтобы сравнить эффективности между двухполупериодной и полуволновой T+CWG схемами. Результаты этого анализа (фиг. 15 и 16) напрямую сопоставимы с результатами для полуволновой схемы, показанными на фиг. 9 и J(Pout+Pprobe+PRQ) .Similar to the experiment detailed in Example 1, an efficiency analysis was conducted for a system with a single full-wave CWG spark gap in air to compare the efficiencies between full-wave and half-wave T+CWG designs. The results of this analysis (FIGS. 15 and 16) are directly comparable to the results for the half-wave circuit shown in FIG. 9 and J(P out +P probe +P RQ ) .

О в /!]> 9 с использованием определения дифференциальной эффективности aiw дифференциальная эффективность nB= 70,9% была рассчитана для случая двухполупериодного T+CWG. Этот результат показывает, что разница в дифференциальной эффективности между двухполупериодной схемой (фиг. 14) и полуволновой схемой незначительна (<5%).О в /!]> 9 using the definition of differential efficiency ai w differential efficiency nB= 70.9% was calculated for the case of full-wave T+CWG. This result shows that the difference in differential efficiency between the full-wave circuit (Fig. 14) and the half-wave circuit is negligible (<5%).

Изобретение дополнительно определяется следующими вариантами воплощения.The invention is further defined by the following embodiments.

Вариант воплощения А. Устройство, содержащее реактор для обработки нефти для приема двухфазной смеси газа и жидкости, в которой смесь включает углеводород, подлежащий превращению;Embodiment A. An apparatus comprising: a petroleum processing reactor for receiving a two-phase mixture of gas and liquid, wherein the mixture includes a hydrocarbon to be converted;

многоэлектродную схему искрового разряда для преобразования углеводородов, причем схема искрового разряда имеет два или более электродов с искровым промежуткам, контактирующих с двухфазной смесью в реакторе обработки нефти; и по меньшей мере одну схему высоковольтного выпрямителя, функционально связанную со схемой искрового разряда, при этом устройство сконфигурировано для подачи входного сигнала регулируемой мощности в схему искрового разряда для генерации искровых разрядов на электродах.a multi-electrode spark circuit for converting hydrocarbons, the spark circuit having two or more spark gap electrodes in contact with the two-phase mixture in the oil processing reactor; and at least one high voltage rectifier circuit operatively coupled to the spark circuit, wherein the device is configured to provide a controlled power input signal to the spark circuit to generate sparks at the electrodes.

Вариант воплощения В. Устройство по варианту воплощения А, в котором схема выпрямителя сконфигурирована для генерирования более высокого напряжения постоянного тока из входного переменного тока более низкого напряжения.Embodiment B. The apparatus of Embodiment A, wherein the rectifier circuit is configured to generate a higher DC voltage from a lower voltage AC input.

Вариант воплощения С. Устройство по варианту воплощения А или В, в котором схема выпрямителя включает по меньшей мере один генератор Кокрофта-Уолтона (CWG).Embodiment C. The apparatus of Embodiment A or B, wherein the rectifier circuit includes at least one Cockcroft-Walton generator (CWG).

Вариант воплощения D. Устройство по любому из вариантов воплощения А-С, в котором схема выпрямителя работает параллельно от повышающего трансформатора.Embodiment D. The apparatus of any one of embodiments A to C, wherein the rectifier circuit operates in parallel with the step-up transformer.

Вариант воплощения Е. Устройство по любому из вариантов воплощения A-D, в котором линейный вход является по меньшей мере одним из входного 120 В переменного тока 60 Гц и входного 240 В переменного тока 60 Гц.Embodiment E. The apparatus of any one of embodiments A-D, wherein the line input is at least one of a 120 VAC 60 Hz input and a 240 VAC 60 Hz input.

Вариант воплощения F. Устройство по любому из вариантов воплощения А-Е, в котором один повышающий трансформатор питает множество искровых промежутков параллельно.Embodiment F. The apparatus of any one of embodiments A through E, wherein a single step-up transformer supplies multiple spark gaps in parallel.

Вариант воплощения G. Устройство по любому из вариантов воплощения A-F, имеющее множество трансформаторов и множество искровых промежутков, с одним трансформатором для каждого искрового промежутка и с полным электрическим разделением каждой схемы искрового промежутка.Embodiment G. An apparatus as in any one of embodiments A-F having multiple transformers and multiple spark gaps, with one transformer for each spark gap and complete electrical separation of each spark gap circuit.

Вариант воплощения Н. Устройство по любому из вариантов воплощения A-G, в котором схема выпрямителя включает CWG и в котором повышающий трансформатор подключен к многофазному линейному входу, чтобы разделять разнофазные входные напряжения переменного тока и присоединять одно или более полных устройств CWG трансформатора для каждого входа.Embodiment H. The apparatus of any one of embodiments A-G, wherein the rectifier circuit includes a CWG and wherein a step-up transformer is connected to a multi-phase line input to separate the multi-phase AC input voltages and couple one or more complete CWG transformer devices to each input.

Вариант воплощения I. Устройство по любому из вариантов воплощения А-Н, в котором схема выпрямителя включает в себя полуволновой однокаскадный CWG.Embodiment I. The device according to any one of embodiments A-H, wherein the rectifier circuit includes a half-wave single-stage CWG.

Вариант воплощения J. Устройство по любому из вариантов воплощения A-I, в котором схема выпрямителя включает в себя многокаскадный CWG.Embodiment J. The apparatus of any one of embodiments A-I, wherein the rectifier circuit includes a multi-stage CWG.

Вариант воплощения K. Устройство по любому из вариантов воплощения A-J, в котором схема выпрямителя включает в себя двухполупериодный CWG.Embodiment K. The apparatus of any one of embodiments A-J, wherein the rectifier circuit includes a full-wave CWG.

Вариант воплощения L. Устройство по любому из вариантов воплощения А-K, в котором емкость по меньшей мере одного из конденсаторов в схеме выпрямителя влияет на энергию в импульсе для искровых разрядов.Embodiment L. The apparatus of any one of embodiments A-K, wherein the capacitance of at least one of the capacitors in the rectifier circuit influences the pulse energy for the spark discharges.

Вариант воплощения М. Устройство по любому из вариантов воплощения A-L, в котором схема выпрямителя работает параллельно с первым источником питания и вторым источником питания, работающим вместе с первым источником питания, при этом первый источник питания преобразует стандартный линейный вход переменного тока в низковольтный постоянный ток на выходе, при этом второй источник питания преобразует вход постоянного тока низкого напряжения в выход переменного тока высокого напряжения любой частоты.Embodiment M. The apparatus of any one of Embodiments A-L, wherein the rectifier circuit operates in parallel with a first power supply and a second power supply operating in conjunction with the first power supply, wherein the first power supply converts a standard AC line input to low-voltage direct current at output, wherein the second power supply converts the low voltage DC input into a high voltage AC output of any frequency.

Вариант воплощения N. Устройство по любому из вариантов воплощения А-М, в котором схема выпрямителя сконфигурирована так, чтобы иметь выходную емкость в диапазоне от 1 пФ до 1 нФ, потенциально используя любую присущую схеме паразитную емкость.Embodiment N. The apparatus of any one of embodiments A-M, wherein the rectifier circuit is configured to have an output capacitance in the range of 1 pF to 1 nF, potentially utilizing any inherent parasitic capacitance in the circuit.

Вариант воплощения О. Устройство по любому из вариантов воплощения A-N, причем устройство сконфигурировано для генерирования напряжения в диапазоне от 3 до 50 кВ.Embodiment O. The apparatus of any one of embodiments A-N, wherein the apparatus is configured to generate a voltage in the range of 3 kV to 50 kV.

- 18 043985- 18 043985

Вариант воплощения Р. Устройство, содержащее реактор обработки для приема обрабатываемой смеси;Embodiment P: A device comprising a treatment reactor for receiving a mixture to be treated;

по меньшей мере одну многоэлектродную схему искрового разряда, причем по меньшей мере одна схема искрового разряда реализуется в реакторе обработки путем воздействия двух электродов искрового промежутка на смесь; и по меньшей мере один генератор высокого напряжения, функционально соединенный по меньшей мере с одной схемой искрового разряда, причем генератор выполнен с возможностью подачи управляемого током входного сигнала по меньшей мере в одну схему искрового разряда для генерации искровых разрядов на электродах.at least one multi-electrode spark circuit, wherein the at least one spark circuit is implemented in the treatment reactor by exposing two spark gap electrodes to the mixture; and at least one high voltage generator operably coupled to the at least one spark circuit, the generator being configured to provide a current controlled input signal to the at least one spark circuit to generate sparks at the electrodes.

Вариант воплощения Q. Устройство по варианту воплощения Р, в котором генератор представляет собой генератор Кокрофта-Уолтона (CWG), функционально связанный со схемой искрового разряда, причем CWG выполнен с возможностью работы параллельно от повышающего трансформатора.Embodiment Q. The apparatus of Embodiment P, wherein the generator is a Cockcroft-Walton generator (CWG) operably coupled to a spark circuit, the CWG being operable in parallel with a step-up transformer.

Вариант воплощения R. Устройство по варианту воплощения Р или Q, выполненное для обеззараживания по меньшей мере одного из продуктов питания или воды.Embodiment R. A device according to embodiment P or Q, configured to disinfect at least one of food or water.

Вариант воплощения S. Устройство для преобразования углеводородов, содержащее разрядную камеру, имеющую два или более электродов, разделенных промежутком;Embodiment S: A device for converting hydrocarbons, comprising: a discharge chamber having two or more electrodes separated by a space;

разрядную схему, сконфигурированную для создания разряда между электродами;a discharge circuit configured to create a discharge between the electrodes;

входное отверстие для подачи углеводородного материала в разрядную камеру, так что углеводородный материал достигает промежутка между электродами;an inlet for supplying hydrocarbon material into the discharge chamber so that the hydrocarbon material reaches the gap between the electrodes;

выпускное отверстие для транспортировки углеводородной фракции из разрядной камеры, причем углеводородная фракция образуется после разряда через электроды, в то время как углеводородный материал находится в промежутке; и умножитель напряжения, сконфигурированный для обеспечения управляемого током входного сигнала в разрядную схему при приложении электрических импульсов к углеводородному материалу через электроды.an outlet for transporting a hydrocarbon fraction from the discharge chamber, the hydrocarbon fraction being formed after discharge through the electrodes while the hydrocarbon material is in the gap; and a voltage multiplier configured to provide a current-controlled input signal to the discharge circuit when electrical pulses are applied to the hydrocarbon material through the electrodes.

Вариант воплощения Т. Устройство по варианту воплощения S, в котором умножитель напряжения представляет собой генератор Кокрофта-Уолтона.Embodiment T. The apparatus of Embodiment S, wherein the voltage multiplier is a Cockcroft-Walton generator.

Вариант воплощения U. Устройство по варианту воплощения S или Т, в котором генератор Кокрофта-Уолтона представляет собой однокаскадный генератор Кокрофта-Уолтона.Embodiment U. The apparatus of Embodiment S or T, wherein the Cockcroft-Walton generator is a single-stage Cockcroft-Walton generator.

Вариант воплощения V. Устройство по любому из вариантов воплощения S-U, в котором генератор Кокрофта-Уолтона является многокаскадным генератором Кокрофта-Уолтона.Embodiment V. The apparatus of any one of embodiments S-U, wherein the Cockcroft-Walton generator is a multi-stage Cockcroft-Walton generator.

Вариант воплощения W. Устройство по любому из вариантов воплощения S-V, в котором генератор Кокрофта-Уолтона является полуволновым генератором Кокрофта-Уолтона.Embodiment W. The apparatus of any one of embodiments S-V, wherein the Cockcroft-Walton oscillator is a half-wave Cockcroft-Walton oscillator.

Вариант воплощения X. Устройство по любому из вариантов воплощения S-W, в котором генератор Кокрофта-Уолтона является двухполупериодным генератором Кокрофта-Уолтона.Embodiment X. The apparatus of any one of embodiments S-W, wherein the Cockcroft-Walton oscillator is a full-wave Cockcroft-Walton oscillator.

Вариант воплощения Y. Устройство по любому из вариантов воплощения S-X, в котором генератор Кокрофта-Уолтона выполнен с возможностью генерировать высоковольтные импульсы разрядки конденсатора для преобразования углеводородов.Embodiment Y. The apparatus of any one of embodiments S-X, wherein the Cockcroft-Walton generator is configured to generate high-voltage capacitor discharge pulses for converting hydrocarbons.

Вариант воплощения Z. Устройство по любому из вариантов воплощения S-Y, дополнительно включающее в себя повышающий трансформатор.Embodiment Z. The apparatus of any one of embodiments S-Y, further including a step-up transformer.

Вариант воплощения АА. Устройство по любому из вариантов воплощения S-Z, в котором питание устройства осуществляется с использованием источника переменного тока высокого напряжения.Embodiment AA. The apparatus of any one of embodiments S-Z, wherein the apparatus is powered using a high voltage alternating current source.

Вариант воплощения ВВ. Устройство по любому из вариантов воплощения S-AA, в котором умножитель напряжения является первым умножителем напряжения, и при этом устройство дополнительно включает в себя второй умножитель напряжения, выполненный с возможностью работы параллельно с первым умножителем напряжения.Embodiment of BB. The apparatus of any one of the S-AA embodiments, wherein the voltage multiplier is a first voltage multiplier, and wherein the apparatus further includes a second voltage multiplier configured to operate in parallel with the first voltage multiplier.

Вариант воплощения СС. Устройство по любому из вариантов воплощения S-BB, дополнительно включающее повышающий трансформатор, функционально связанный как с первым умножителем напряжения, так и со вторым умножителем напряжения, при этом первый и второй умножители напряжения функционально связаны с одним повышающим трансформатором.SS embodiment. The apparatus of any one of the S-BB embodiments, further including a step-up transformer operatively coupled to both the first voltage multiplier and the second voltage multiplier, wherein the first and second voltage multipliers are operably coupled to the same step-up transformer.

Вариант воплощения DD. Устройство по любому из вариантов воплощения S-CC, в котором питание устройства осуществляется с использованием прямой линейной подводимой мощности.Embodiment DD. The apparatus of any one of the S-CC embodiments, wherein the apparatus is powered using direct linear input power.

Вариант воплощения ЕЕ. Устройство для конверсии углеводородов, содержащееEmbodiment EE. A device for converting hydrocarbons containing

а) разрядную камеру;a) discharge chamber;

б) входное отверстие для подачи углеводородного материала в разрядную камеру;b) an inlet for supplying hydrocarbon material into the discharge chamber;

с) выходное отверстие для транспортировки углеводородной фракции из разрядной камеры; иc) an outlet for transporting the hydrocarbon fraction from the discharge chamber; And

д) ряд умножителей напряжения, работающих параллельно, при этом ряд умножителей напряжения настроен на подачу электрических импульсов на углеводородный материал в разрядной камере для преобразования углеводородов, при этом электрические импульсы прилагаются посредством разрядной схемы, снабженной управляемым входным током.e) a series of voltage multipliers operating in parallel, the series of voltage multipliers being configured to apply electrical pulses to the hydrocarbon material in the hydrocarbon conversion discharge chamber, the electrical pulses being applied by means of a discharge circuit provided with a controlled input current.

Вариант воплощения FF. Устройство по варианту воплощения ЕЕ, в котором множество умножителей напряжения являются генераторами Кокрофта-Уолтона.Embodiment FF. The apparatus of embodiment EE, wherein the plurality of voltage multipliers are Cockcroft-Walton generators.

- 19 043985- 19 043985

Вариант воплощения GG. Устройство по варианту воплощения ЕЕ или FF, в котором множество умножителей напряжения работают параллельно от одного повышающего трансформатора.Embodiment GG. An apparatus according to embodiment EE or FF, in which multiple voltage multipliers operate in parallel from a single step-up transformer.

Вариант воплощения НН. Способ конверсии углеводородов, включающийNN embodiment. A method for converting hydrocarbons, comprising

а) подачу через впускное отверстие углеводородного материала в разрядную камеру;a) feeding hydrocarbon material through the inlet port into the discharge chamber;

б) использование одного или более генераторов Кокрофта-Уолтона для подачи высоковольтных электрических импульсов разряда конденсаторов на углеводородный материал в разрядной камере для преобразования углеводородов, при этом импульсы подаются через двухэлектродную схему искрового разряда, снабженную управляемым током входным сигналом; иb) using one or more Cockroft-Walton generators to apply high-voltage electrical capacitor discharge pulses to hydrocarbon material in a hydrocarbon conversion discharge chamber, the pulses being applied through a two-electrode spark circuit provided with a current-controlled input signal; And

в) выход через выпускное отверстие углеводородной фракции из разрядной камеры.c) exit of the hydrocarbon fraction from the discharge chamber through the outlet hole.

Вариант воплощения II. Способ по варианту воплощения НН, в котором использование одного или более генераторов Кокрофта-Уолтона включает использование множества умножителей напряжения, работающих параллельно.Embodiment II. The method according to an LV embodiment, wherein the use of one or more Cockcroft-Walton generators includes the use of a plurality of voltage multipliers operating in parallel.

Вариант воплощения JJ. Способ по варианту воплощения НН или II, в котором генераторы Кокрофта-Уолтона являются частью устройства, которое питается от повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети.Embodiment JJ. The method of embodiment LV or II, wherein the Cockcroft-Walton generators are part of a device that is powered by a step-up transformer using direct line input.

Вариант воплощения KK. Система, включающая однокаскадный полуволновой генератор Кокрофта-Уолтона, используемый для генерации высоковольтных импульсов разряда конденсатора для преобразования углеводородов, с питанием от повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети.Embodiment KK. A system comprising a single-stage half-wave Cockcroft-Walton generator used to generate high-voltage capacitor discharge pulses for hydrocarbon conversion, fed from a step-up transformer using direct line input.

Вариант воплощения LL. Система, включающая набор однокаскадных полуволновых генераторов Кокрофта-Уолтона, работающих параллельно от одиночного повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети для использования в конверсии углеводородов.Embodiment LL. A system comprising a set of single-stage half-wave Cockcroft-Walton generators operated in parallel from a single step-up transformer using direct mains input for use in hydrocarbon conversion.

Вариант воплощения ММ. Система, включающая однокаскадный двухполупериодный генератор Кокрофта-Уолтона, используемый для генерации высоковольтных импульсов разряда конденсатора для конверсии углеводородов, питаемого от повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети.MM embodiment. A system comprising a single-stage full-wave Cockcroft-Walton generator used to generate high-voltage capacitor discharge pulses for hydrocarbon conversion, fed from a step-up transformer using direct line input.

Вариант воплощения NN. Система, включающая набор однокаскадных двухполупериодных генераторов Кокрофта-Уолтона, работающих параллельно от одиночного повышающего трансформатора с прямым вводом питания от сети для использования в преобразовании углеводородов.Embodiment NN. A system comprising a set of single-stage full-wave Cockcroft-Walton generators operating in parallel from a single step-up transformer with direct mains input for use in hydrocarbon conversion.

Вариант воплощения OO. Система, включающая многокаскадный полуволновой генератор Кокрофта-Уолтона, используемый для генерации высоковольтных импульсов разряда конденсатора для преобразования углеводородов, питаемого от повышающего трансформатора с использованием прямого ввода питания от сети.OO embodiment. A system comprising a multi-stage half-wave Cockcroft-Walton generator used to generate high-voltage capacitor discharge pulses for hydrocarbon conversion, fed from a step-up transformer using direct line input.

Вариант воплощения PP. Система, включающая набор многокаскадных полуволновых генераторов Кокрофта-Уолтона, работающих параллельно от одиночного повышающего трансформатора с прямым вводом питания от сети для использования в преобразовании углеводородов.Embodiment PP. A system comprising a set of multi-stage Cockcroft-Walton half-wave generators operating in parallel from a single step-up transformer with direct mains input for use in hydrocarbon conversion.

Вариант воплощения QQ. Система, включающая многокаскадный полуволновой генератор Кокрофта-Уолтона, используемый для генерации высоковольтных импульсов разряда конденсатора для преобразования углеводородов, питаемого от повышающего трансформатора с использованием источника переменного тока высокого напряжения.Embodiment QQ. A system comprising a multi-stage half-wave Cockcroft-Walton generator used to generate high-voltage capacitor discharge pulses for hydrocarbon conversion, fed from a step-up transformer using a high voltage alternating current source.

Вариант воплощения RR. Система, включающая набор многокаскадных полуволновых генераторов Кокрофта-Уолтона, работающих параллельно от одиночного повышающего трансформатора, использующего высоковольтный источник питания переменного тока для использования в преобразовании углеводородов.Embodiment RR. A system comprising a set of multi-stage Cockcroft-Walton half-wave generators operating in parallel from a single step-up transformer using a high-voltage AC power supply for use in hydrocarbon conversion.

В рамках настоящего изобретения, если не указано иное, один означает один или более.In the context of the present invention, unless otherwise indicated, one means one or more.

В контексте данного документа, термин приблизительно будет понятен специалистам в данной области техники и будет варьировать в некоторой степени в зависимости от контекста, в котором оно используется. Если существуют варианты использования пределов, которые не ясны специалистам в данной области техники, учитывая контекст, в котором он используется, приблизительно будет означать до плюс или минус 10% от конкретного значения.As used herein, the term will roughly be understood by those skilled in the art and will vary to some extent depending on the context in which it is used. If there are uses of the limits that are not clear to those skilled in the art, given the context in which it is used, approximately will mean up to plus or minus 10% of the specific value.

Все публикации, патентные заявки, выданные патенты и другие документы, упомянутые в данном описании, включены в настоящее описание посредством ссылки, как если бы каждая отдельная публикация, патентная заявка, выданный патент или другой документ были специально и индивидуально указаны как включенные посредством ссылки во всей полноте. Определения, которые содержатся в тексте, включенном посредством ссылки, исключаются в той степени, в которой они противоречат определениям в данном документе.All publications, patent applications, issued patents and other documents referred to herein are incorporated herein by reference as if each individual publication, patent application, issued patent or other document were specifically and individually indicated as being incorporated by reference throughout. completeness. Definitions contained in the text incorporated by reference are excluded to the extent that they conflict with the definitions herein.

Варианты воплощения, иллюстративно описанные в настоящем документе, могут соответствующим образом применяться на практике при отсутствии какого-либо элемента или элементов, ограничения или ограничений, конкретно не раскрытых в данном документе. Таким образом, например, термины содержащий, включающий, вмещающий и т.д. следует толковать широко и без ограничений. Кроме того, используемые в данном документе термины и выражения, использовались как описательные, а не ограничивающие, и при использовании таких терминов и выражений нет намерения исключать какие-The embodiments illustratively described herein may be suitably practiced in the absence of any element or elements, limitation or limitations not specifically disclosed herein. Thus, for example, the terms containing, including, containing, etc. should be construed broadly and without limitation. Furthermore, the terms and expressions used herein are intended to be descriptive and not limiting, and it is not intended by the use of such terms and expressions to exclude any

Claims (17)

либо эквиваленты показанных и описанных функций или их частей, но признано, что в рамках заявленной технологии возможны различные модификации. Кроме того, фразу состоящий по существу из следует понимать, как включающую те элементы, которые конкретно перечисляются, и те, дополнительные элементы, которые существенно не влияют на основные и новые характеристики заявленной технологии.or equivalents of the functions or parts thereof shown and described, but it is recognized that various modifications are possible within the scope of the claimed technology. In addition, the phrase consisting essentially of should be understood to include those elements that are specifically enumerated and those additional elements that do not materially affect the basic and novel characteristics of the claimed technology. Фраза состоящий из исключает любой неуказанный элемент.The phrase consisting of excludes any unspecified element. Настоящее изобретение не должно быть ограничено конкретными вариантами воплощения, описанными в этой заявке, которые предназначены для иллюстрации различных аспектов. Многие модификации и вариации могут быть выполнены без отклонения от его сути и объема, что будет очевидно специалистам в данной области техники. Функционально эквивалентные структуры, устройства и процессы, входящие в объем изобретения, в дополнение к перечисленным в данном документе, будут очевидны специалистам в данной области техники из предшествующего описания. Предполагается, что такие модификации и вариации попадают в объем прилагаемой формулы изобретения. Настоящее изобретение должно быть ограничено только условиями прилагаемой формулы изобретения вместе с полным объемом эквивалентных схем, на которые такая формула изобретения имеет право. Следует понимать, что это описание не ограничивается конкретными процессами, реагентами, составами соединений или биологическими системами, которые, конечно, могут варьировать. Также следует понимать, что используемая здесь терминология предназначена только для описания конкретных вариантов воплощения и не предназначена для их ограничения.The present invention is not to be limited to the specific embodiments described in this application, which are intended to illustrate various aspects. Many modifications and variations can be made without departing from its spirit and scope, as will be apparent to those skilled in the art. Functionally equivalent structures, devices and processes included within the scope of the invention, in addition to those listed herein, will be apparent to those skilled in the art from the foregoing description. It is intended that such modifications and variations fall within the scope of the appended claims. The present invention shall be limited only by the terms of the appended claims together with the full scope of equivalent circuits to which such claims are entitled. It should be understood that this description is not limited to specific processes, reagents, compound compositions or biological systems, which, of course, may vary. It should also be understood that the terminology used herein is intended to describe specific embodiments only and is not intended to be limiting thereof. Кроме того, если признаки или аспекты изобретения описаны в терминах групп Маркуша, специалисты в данной области техники поймут, что изобретение, следовательно, также описано в терминах любого отдельного члена или подгруппы членов группы Маркуша.Moreover, if features or aspects of the invention are described in terms of Markush groups, those skilled in the art will understand that the invention is therefore also described in terms of any individual member or subgroup of members of the Markush group. Как будет понятно специалисту в данной области техники, для любых и всех целей, в частности, с точки зрения предоставления письменного описания, все диапазоны, раскрытые в данном документе, также охватывают любые и все возможные поддиапазоны и их комбинации. Любой перечисленный диапазон можно легко распознать как достаточно описывающий и позволяющий разбить один и тот же диапазон по меньшей мере на равные половины, трети, четверти, пятые, десятые и т.д. В качестве неограничивающего примера каждый обсуждаемый здесь диапазон может быть легко разбит на нижнюю треть, среднюю треть и верхнюю треть и т.д. Как будет также понятно специалисту в данной области техники, все термины, такие как до, по меньшей мере, больше чем, меньше чем и подобные, включают указанное число и относятся к диапазонам, которые впоследствии могут быть разбиты на поддиапазоны, как описано выше. Наконец, как будет понятно специалисту в данной области техники, диапазон включает каждый отдельный элемент.As one skilled in the art will appreciate, for any and all purposes, particularly in terms of providing a written description, all ranges disclosed herein also include any and all possible sub-ranges and combinations thereof. Any range listed can easily be recognized as sufficiently descriptive to allow the same range to be broken down into at least equal halves, thirds, quarters, fifths, tenths, etc. As a non-limiting example, each range discussed here can easily be broken down into a lower third, a middle third, and an upper third, etc. As will also be understood by one skilled in the art, all terms such as up to, at least greater than, less than, and the like include the number indicated and refer to ranges that may subsequently be broken down into subranges as described above. Finally, as one skilled in the art will appreciate, the range includes each individual element. Хотя были проиллюстрированы и описаны определенные варианты воплощения, следует понимать, что в них могут быть внесены изменения и модификации, выполняемые обычными специалистами в данной области техники, без отклонения от технологии в ее более широких аспектах, как определено в следующей формуле изобретения.While certain embodiments have been illustrated and described, it should be understood that changes and modifications thereto may be made by those of ordinary skill in the art without departing from the technology in its broader aspects as defined in the following claims. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Устройство для конверсии углеводородов, содержащее реактор для обработки нефти для получения двухфазной смеси газа и жидкости, в которой смесь включает углеводород, подлежащий конвертированию;1. A device for converting hydrocarbons, comprising a reactor for treating oil to produce a two-phase mixture of gas and liquid, in which the mixture includes a hydrocarbon to be converted; многоэлектродную схему искрового разряда для преобразования углеводородов, причем схема искрового разряда имеет электроды с искровым промежутком, образующие множество искровых разрядных промежутков, контактирующих с двухфазной смесью в реакторе для обработки нефти; а также по меньшей мере одну схему высоковольтного выпрямителя, функционально связанную со схемой искрового разряда, при этом схема выпрямителя выполнена с возможностью подачи управляемого током входного сигнала в схему искрового разряда для генерации разрядных искр на электродах, образующих искровые разрядные промежутки, причем схема выпрямителя выполнена с возможностью генерирования более высокого напряжения постоянного тока из входного переменного тока с более низким напряжением с использованием подсхемы Кокрофта-Уолтона для каждого из множества искровых разрядных промежутков, причем подсхемы Кокрофта-Уолтона запитаны параллельно посредством повышающего трансформатора таким образом, чтобы равномерно распределять выход мощности среди множества искровых разрядных промежутков и предотвращать возникновение искры исключительно в одном искровом разрядном промежутке, причем повышающий трансформатор выполнен с возможностью подачи мощности, достаточной для конверсии углеводородов.a multi-electrode spark circuit for converting hydrocarbons, the spark circuit having spark gap electrodes defining a plurality of spark gaps contacting the two-phase mixture in the oil processing reactor; and at least one high-voltage rectifier circuit operatively coupled to the spark discharge circuit, wherein the rectifier circuit is configured to provide a current-controlled input signal to the spark discharge circuit to generate discharge sparks at the electrodes forming the spark discharge gaps, wherein the rectifier circuit is configured to the ability to generate a higher DC voltage from a lower voltage AC input using a Cockcroft-Walton subcircuit for each of a plurality of spark gaps, the Cockcroft-Walton subcircuits being powered in parallel by a step-up transformer so as to distribute the power output evenly among the plurality of spark gaps discharge gaps and prevent the occurrence of a spark solely in one spark discharge gap, and the step-up transformer is configured to supply power sufficient for the conversion of hydrocarbons. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема выпрямителя выполнена с возможностью генерирования более высокого напряжения постоянного тока из входного переменного тока с более низким напряжением без резистивного элемента.2. The apparatus of claim 1, wherein the rectifier circuit is configured to generate a higher DC voltage from a lower voltage AC input without a resistive element. - 21 043985- 21 043985 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что повышающий трансформатор выполнен с возможностью подачи энергии импульса, достаточно малой для минимизации образования сажи.3. The device according to claim 1, characterized in that the step-up transformer is configured to supply pulse energy low enough to minimize soot formation. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что повышающий трансформатор подключен к однофазному линейному входу.4. The device according to claim 1, characterized in that the step-up transformer is connected to a single-phase linear input. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что линейный вход является по меньшей мере одним из входа 120 В переменного тока 60 Гц и входа 240 В переменного тока 60 Гц.5. The device of claim 4, wherein the line input is at least one of a 120 VAC 60 Hz input and a 240 VAC 60 Hz input. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один повышающий трансформатор питает множество искровых промежутков параллельно.6. The device according to claim 1, characterized in that one step-up transformer supplies multiple spark gaps in parallel. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет множество повышающих трансформаторов с одним трансформатором для каждого искрового разрядного промежутка и с полным электрическим разделением каждой схемы искрового промежутка.7. The device according to claim 1, characterized in that it has a plurality of step-up transformers with one transformer for each spark gap and with complete electrical separation of each spark gap circuit. 8. Устройство по п.1, в котором повышающий трансформатор подключен к многофазному линейному входу так, чтобы разделять разнофазные входные напряжения переменного тока и подключать одну или более полных настроек трансформатора CWG для каждого входа.8. The apparatus of claim 1, wherein the step-up transformer is connected to the multi-phase line input so as to separate the multi-phase AC input voltages and connect one or more complete CWG transformer settings to each input. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема выпрямителя включает однополупериодный однокаскадный CWG.9. The device according to claim 1, characterized in that the rectifier circuit includes a half-wave, single-stage CWG. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема выпрямителя включает в себя многокаскадный CWG.10. The device according to claim 1, characterized in that the rectifier circuit includes a multi-stage CWG. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема выпрямителя включает в себя двухполупериодный CWG.11. The device according to claim 1, characterized in that the rectifier circuit includes a full-wave CWG. 12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость по меньшей мере одного из конденсаторов в схеме выпрямителя влияет на энергию в импульсе для искровых разрядов.12. The device according to claim 1, characterized in that the capacitance of at least one of the capacitors in the rectifier circuit affects the pulse energy for spark discharges. 13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема выпрямителя работает параллельно с первым источником питания и вторым источником питания, работающим вместе с первым источником питания, при этом первый источник питания преобразует стандартный линейный вход переменного тока в выход низковольтного постоянного тока, при этом второй источник питания преобразует вход постоянного тока низкого напряжения в выход переменного тока высокого напряжения любой частоты.13. The apparatus of claim 1, wherein the rectifier circuit operates in parallel with a first power supply and a second power supply operating in conjunction with the first power supply, wherein the first power supply converts a standard AC line input to a low voltage DC output, wherein This second power supply converts the low voltage DC input into a high voltage AC output of any frequency. 14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема выпрямителя выполнена так, чтобы иметь выходную емкость в диапазоне от 1 пФ до 1 нФ, потенциально используя любую присущую схеме паразитную емкость.14. The device of claim 1, wherein the rectifier circuit is configured to have an output capacitance in the range of 1 pF to 1 nF, potentially utilizing any inherent parasitic capacitance in the circuit. 15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью генерирования напряжения в диапазоне от 3 до 50 кВ.15. The device according to claim 1, characterized in that it is designed to generate voltage in the range from 3 to 50 kV. 16. Устройство для конверсии углеводородов, содержащее реактор обработки для приема смеси, подлежащей обработке;16. A device for converting hydrocarbons, comprising a processing reactor for receiving the mixture to be processed; по меньшей мере одну многоэлектродную схему искрового разряда, содержащую электроды искрового промежутка, образующие множество искровых разрядных промежутков, подверженных воздействию смеси в реакторе обработки, причем по меньшей мере одна многоэлектродная схема искрового разряда содержит подсхему Кокрофта-Уолтона для каждого из множества искровых разрядных промежутков; а также по меньшей мере один высоковольтный генератор, функционально соединенный по меньшей мере с одной схемой искрового разряда, причем генератор выполнен с возможностью подачи управляемого током входного сигнала по меньшей мере в одну схему искрового разряда для генерации искровых разрядов на множестве искровых разрядных промежутков, причем высоковольтный генератор выполнен с возможностью использования комбинации диодов и конденсаторов для преобразования входного переменного тока в выходной постоянный ток и питания подсхем Кокрофта-Уолтона параллельно таким образом, чтобы равномерно распределять выход мощности среди множества искровых разрядных промежутков и предотвращать возникновение искры исключительно в одном искровом разрядном промежутке, причем высоковольтный генератор выполнен с возможностью подачи мощности, достаточной для конверсии углеводородов в реакторе обработки.at least one multi-electrode spark circuit comprising spark gap electrodes defining a plurality of spark gaps exposed to the mixture in the treatment reactor, the at least one multi-electrode spark circuit comprising a Cockcroft-Walton sub-circuit for each of the plurality of spark gaps; and at least one high-voltage generator operatively coupled to the at least one spark circuit, wherein the generator is configured to provide a current-controlled input signal to the at least one spark circuit to generate sparks at a plurality of spark gaps, the high voltage the generator is configured to use a combination of diodes and capacitors to convert an AC input to a DC output and supply the Cockcroft-Walton subcircuits in parallel so as to evenly distribute the power output among a plurality of spark gaps and prevent a spark from occurring solely in one spark gap, wherein the high-voltage generator is configured to supply sufficient power to convert hydrocarbons in the treatment reactor. 17. Устройство для конверсии углеводородов, содержащее раз рядную камеру с электродами, которые образуют множество искровых разрядных промежутков;17. A device for converting hydrocarbons, containing a discharge chamber with electrodes that form a plurality of spark discharge gaps; раз рядную схему, выполненную с возможностью создания разрядов между электродами, образующими множество разрядных промежутков;a discharge circuit configured to create discharges between electrodes forming a plurality of discharge gaps; вхо дное отверстие для подачи углеводородного материала в разрядную камеру, так что углеводородный материал достигает множества искровых разрядных промежутков между электродами;an inlet for supplying hydrocarbon material into the discharge chamber such that the hydrocarbon material reaches a plurality of spark discharge gaps between the electrodes; выпускное отверстие для выхода углеводородной фракции из разрядной камеры, причем углеводородная фракция образуется после прохождения разрядов через электроды, в то время как углеводородный материал находится во множестве искровых разрядных промежутков; а также умножитель напряжения, выполненный с возможностью обеспечения управляемого током входного сигнала в разрядную схему при подаче электрических импульсов на углеводородный материал черезan outlet for exiting a hydrocarbon fraction from the discharge chamber, the hydrocarbon fraction being formed after the discharges pass through the electrodes, while the hydrocarbon material is located in a plurality of spark discharge gaps; and a voltage multiplier configured to provide a current-controlled input signal to the discharge circuit when electrical pulses are applied to the hydrocarbon material through --
EA202092424 2018-04-20 2019-04-19 DEVICE FOR HYDROCARBON CONVERSION EA043985B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/660,694 2018-04-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA043985B1 true EA043985B1 (en) 2023-07-12

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9988579B2 (en) Process for cracking of liquid hydrocarbon materials by pulsed electrical discharge and device for its implementation
US12037549B2 (en) Process for partial upgrading of heavy oil
AU2019256718B2 (en) Efficient circuit in pulsed electrical discharge processing
US9228136B2 (en) Processing of dielectric fluids with mobile charge carriers
US11186781B2 (en) Pulsed power supply
EA043985B1 (en) DEVICE FOR HYDROCARBON CONVERSION
US12116533B2 (en) Efficient circuit in pulsed electrical discharge processing
US20210160996A1 (en) Heavy oil cracking device scaleup with multiple electrical discharge modules
US11390815B2 (en) Submerged methane and hydrogen mixture discharge in liquid hydrocarbons
EA044982B1 (en) ELECTRIC DISCHARGE IN A MIXTURE OF METHANE AND HYDROGEN IMMEDIED IN LIQUID HYDROCARBONS
EA043893B1 (en) METHOD FOR PARTIAL UPGRADING OF HEAVY OIL
Kraus Preliminary Results of the Implementation of Multiphase Plasma Hydrocarbon Processing in Field Attained Heavy Oils
EA041733B1 (en) SCALING A DEVICE FOR CRACKING HEAVY OIL USING MULTIPLE ELECTRIC DISCHARGE MODULES
WO2024163505A2 (en) High speed continuous flow reactor for hydrocarbon reforming
Adkins Plasma Processing of Oils Using a Corona Reactor