公开了用于进行化学反应的新方法和设备。将高度压缩的气流如H2、CO、CO2、H2O、O2或CH4提高到马赫速率以形成包含冲击波的超音速射流。两种或更多种这样的射流物理地碰撞在一起以形成局部反应区域，在该局部反应区域，来自冲击波的能量引起其中打破反应物气体的化学键的吸热反应。在反应物之间发生分子表面的相互作用和分子表面化学。在接下来的放热反应中，形成期望的新化学产物，并且由于自由射流的膨胀导致的绝热冷却，这种产物被锁定在低焓状态(生成能的状态)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】用于制备化学化合物的超音速碰撞冲击波反应机理的方法 和设备
技术介绍
本申请要求于2012年10月31日提交的名称为"用于制备化学化合物的超音速 碰撞冲击波反应机理的方法和设备（ProcessandApparatusforSupersonicCollision ShockwaveReactionMechanismforMakingChemicalCompounds)"的美国临时专利申请 No. 61/720,919的优先权，其全部内容通过引用并入本文。 本公开内容一般地涉及化学化合物生产领域，更具体地，涉及用于使用极具时间 效益、能量输出效益并因此极具成本效益的"碰撞物理学"以借助超音速碰撞冲击波反应机 理来实现化学化合物的生产的方法和设备。 多个世纪以来，常规化学反应方式是基于在添加或不添加液体的搅拌、共混或混 合方法中使两种或更多种化学物质混合，通常辅以热量、压力和时间的输入，有时还辅以向 反应中引入催化剂。目的是使化合物A和不同的化合物B的原本各自的键合松开，从而允 许因AB的新配对而产生一种或更多种新化合物。如果A和B中的一者或两者本身是化合 物，则为A和B的组分的若干变化的新配对。 以甲醇生产为例 已经由多种原料生产低碳醇，这些原料包括木材、生物质、甲烷（CH4)和合成气。多 个世纪以前，当时被称为"pyroxylicspirit"的甲醇是由木材的热解生产的。甲醇是最简 单的醇。最初，用于生产甲醇的合成气来源于煤。1923，BASF的德国化学家AlwinMittasch 和MathiasPier开发了一种将主要来自煤和石油原料的一氧化碳（C0)、二氧化碳（C02)和 氢气（H2)的混合物转化为甲醇（CH30H)的方法。BASF在1926年获得了一种在"不含铁的" 催化剂的存在下由一氧化碳和氢气制备甲醇的方法的美国专利1，569, 775,所述方法的改 进在于反应中完全排除了铁。BASF方法在50至220大气压（735psig至3,200psig)的压 力下和482°F至1，112°F(250°C至600°C)的温度下使用铬和锰氧化物催化剂。 煤的气化是一种用于将煤转化为一氧化碳气和氢气的化学方法。一氧化碳气和 氢气的混合物被称为合成气体（通常也成为"合成气"）。在20世纪20年代，名为Franz Fischer和HansTropsch的两位德国研宄者专利技术了一种可将一氧化碳气和氢气转化为多 种形式的液态烃的催化化学反应方法（费-托法）。该方法中使用的典型催化剂基于铁和 钴。该方法的主要目的是生产用作合成润滑油或合成燃料的合成石油替代品。 以下化学方程式描述了用于"合成气"重整（方程式1)和用于烷烃重整（方程式 2)的原本的费-托法：(方程式 1)CH4+0. 502- 2H2+C0+ 热(方程式 2) (2n+l)H2+nCO-CnH(2n+2)+nH20 方程式1中描述的步骤是甲烷原料的煤的气化过程。方程式2中描述的步骤是 费-托液化过程。液化是物质由固态或气态向液态的转变。费-托法的实用性主要在于其 在由固体原料如煤或固体含碳废物生产液态烃或氢气中的作用。众所周知固体材料的非氧 化热解产生合成气，后者可不经过费-托过程直接使用或作为燃料。如果期望液态石油类 燃料、润滑剂或蜡，可实施费-托法。 近年来，合成气生产中的进步包括等离子体热解，其已经被应用于从生物质生产 合成气。热解是在没有氧气参与的情况下有机材料在升高的温度下的热化学分解。应用于 合成气生产的等离子体热解是使用等离子炬使烃分子键断裂为气态形式。 从那时起，已经为现在被称为天然气的蒸汽重整的方法授予了很多专利。在这些 专利中，授予AirProductsandChemicals的美国专利6, 706, 770为用于同时生产甲醇和 包含一些中间产物和回收的合成气的氢气合成气的方法。通过使用能够在较低压力下工作 的催化剂，现代甲醇生产已经更高效，ImperialChemicalIndustries，Ltd. (ICI)在20世 纪60年代后期利用现在属于利益受让人（JohnsonMatthey)的技术开发了现代低压甲醇 (LPM)，其为甲醇工艺的主要全球许可方。目前，最广泛使用的催化剂是铜、氧化锌和氧化铝的混合物，其由ICI在1966年首 次使用。在5-10MPa(50-100atm)和482°F(250°C)下，其可在重复过程中高选择性（> 99. 8% )地催化由一氧化碳（C0)和氢气（H2)产生甲醇：C0+2H2+ 催化剂一CH30H 今天，由于天然气包含氢气，最通常地由天然气中的甲烷组分产生合成气。商业上 使用三种方法。在4MPa(40atm)的中等压力和约1，562°F(850°C)的高温下，甲烷与蒸汽 在镍催化剂上根据以下化学方程式反应产生合成气：CH4+H20 蒸汽 + 催化剂-C0+3H2 这个反应通常被称为蒸汽-甲烷重整，是吸热的，热传递的局限性限制了所使用 的催化反应器的尺寸和压力。甲烷也可被分子氧部分氧化以产生合成气，如以下方程式所 示： 2CH4+02-2C0+4H2 这个反应是放热的，放出的热可原位用于驱动蒸汽-甲烷重整反应。从分析的角 度，该方程式可如下表示：CH4+1. 502-C0+2H20,并且可以看作是非常放热的反应，提供热 输入到上述的蒸汽辅助方程中。当两个过程合并时，称为自热重整。蒸汽重整所需的高压 和高温在设备上要求比简单局部氧化过程所需更多的资本投资，但是，除非来自局部氧化 的废热被利用，否则蒸汽重整的能量效率高于局部氧化。 观察到由甲烷和蒸汽生产合成气时每产生一摩尔一氧化碳产生三摩尔氢气，而甲 醇合成时每消耗一摩尔一氧化碳仅消耗两摩尔氢气。处理过量氢气的一种方法是向甲醇合 成反应器中注入二氧化碳，所述二氧化碳也在反应器中根据以下方程式反应生成甲醇： C02+3H2-CH30H+H20 2010年，授予了Cooper，Tang等美国专利7, 842, 264。该专利涉及用于用一系列 反应器相继从气流中除去颗粒、金属、二氧化硫、N0x和二氧化碳的方法和设备，所述一系列 反应器使用"超音速喷嘴"（即，以设计的马赫速率范围注入）和亚音速喷嘴使注入的液体 流分散为非常小的高速液滴，所述液滴与污染物反应、捕捉、包裹然后除去污染物。超音速 喷嘴被描述为deLaval缩放喷嘴，是本领域技术人员周知的。然后，含污染物的液滴"生 长"到一定尺寸使得借助用于使液相分离于气相的空气动力学聚结剂他们可容易地与快速 移动的气流分开并被除去。该专利还公开了回收的C02可通过已知的变换反应器以产生C0， 然后通过已知的甲醇合成工艺使用常规热化学原理产生甲醇。同样地，所述专利公开了使 用常规热化学原理由这种被回收的〇)2生产乙烯、乙醇、二氯乙烯和聚氯乙烯（PVC)。分子表面化学分子表面化学描述了发生在表面或一个分子与另一个分子之间的界面的现象。其 涉及分子表面能量转移、电荷转移、吸附、原始键的断裂、新键的重新生成、中间物和过渡分 解，以及组分的可能的新键合或配对的重新缔合、解吸附、质量和能量转移、催化等。由于涉 及反应物的新表面的形成需要打破原始构成分子之间的引力，这是一个吸热过程，所涉及本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于使用超音速冲击波产生化学产物的方法，包括：对第一可压缩流体反应物加压；使所述第一可压缩流体反应物通过第一超音速喷嘴，以产生含有延伸到所述第一超音速喷嘴的出口端之外的冲击波的第一超音速射流；对第二可压缩流体反应物加压；使所述第二可压缩流体反应物通过第二超音速喷嘴，以产生含有延伸到所述第二超音速喷嘴的出口端之外的冲击波的第二超音速射流；其中所述第一超音速喷嘴和所述第二超音速喷嘴设置在注射管中以使得所述第一超音速喷嘴的轴线和所述第二超音速喷的轴线彼此相交，以在所述注射管中的所述第一超音速射流和所述第二超音速射流碰撞并与所述冲击波相互作用的区域中形成局部反应区域；由此通过碰撞和与所述冲击波的相互作用使所述局部反应区域的至少一部分中的温度和压力升高，从而在所述第一可压缩流体反应物与所述第二可压缩流体反应物之间发生快速的化学反应以产生化学产物。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·E·唐，
申请(专利权)人：物理冲击波工业应用有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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