处理气体的系统和方法技术方案

本发明专利技术包括一种用于将含有碳氢化合物类的流入气体转化为流出气体产品的气体处理系统，其中该系统包括气体输送子系统、等离子体反应室和微波子系统，其中气体输送子系统与等离子体反应室流体连通，使气体输送子系统将含烃流入气体导入等离子体反应室，微波子系统将微波能量导入等离子体反应室，使含碳氢化合物流入气体通电，从而在等离子体反应室中形成等离子体，等离子体影响转化一种碳氢化合物，在含碳氢化合物的流入气体中流入流出气体的产品，包括乙炔和氢气。本发明专利技术还包括气体处理系统的使用方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】处理气体的系统和方法相关申请本申请要求2018年8月23日递交的美国临时申请第62/721,863号、2018年9月25日递交的美国临时专利申请62/736,206号和2019年1月17日递交的美国临时专利申请62/793,763号的优先权。上述每篇申请通过引证在此全部并入本文。
技术介绍
乙炔可用作化学前体或工业燃烧的原料，如焊接和金属切割。乙炔的商业生产从二十世纪初就开始了。最初的乙炔生产方法是以煤为原料，通过电石中间层的工艺。其他方法是在二十世纪后期发展起来的，主要使用热裂解或电弧炉等热基工艺。煤制乙炔过程分为三步：一是将煤加热生成高碳焦炭；二是将焦炭在氧化钙存在下进一步加热生成电石；三是电石与水反应生成乙炔和氢氧化钙。前两步需要非常高的温度，而最后一步是放热。这种形成乙炔的方法仍在商业上使用，特别是在很容易购买到煤的中国。然而，这一过程将煤和石灰原料中的杂质带入最终产品中，因此产生的乙炔受到磷化氢、砷化氢和硫酸氢等杂质的污染。所有这些物质都能使催化剂中毒，导致随后的化学反应，因此，在乙炔产品投入商业使用之前，需要将其从乙炔产品中擦掉。用于进一步化学加工的化学级乙炔必须是纯度大于99.6％的C2H2，含有<25ppm的磷化氢/砷化氢/硫化氢。工业级乙炔燃烧用于焊接和金属切割应用，可以容忍更多杂质(>98.0％的纯C2H2，<500ppm的磷化氢/砷化氢/硫化氢)。因此，在美国，煤制乙炔的生产仅限于形成工业级乙炔；尽管如此，即使煤制乙炔仅用于焊接和金属切割，潜在危险污染物的存在也令人担忧。r>作为替代方法，乙炔可以通过部分氧化作用从碳氢化合物中制备，例如通过巴斯夫开发的工艺，如美国专利5,824,834中所述。在这个过程中，碳氢化合物原料和氧气被预热，然后在燃烧室中发生反应，使产生的气体达到>1500℃的温度。燃烧反应用水进行淬火，以实现快速冷却，产生乙炔、氢气、一氧化碳、蒸汽和氧气的气体混合物(称为“裂解气”)副产品。这种生产乙炔的方法产生约7.5％的乙炔，以及大量的氢气(57％)、一氧化碳(26％)和甲烷(5.2％)。其中一种副产品是烟灰，在进一步加工过程中，烟灰需要从裂解气体中去除。其他副产品包括高级碳氢化合物，包括烷烃、烯烃、炔烃和芳烃。从裂解气体中除去杂质并回收其中所含的乙炔是一项重大的工程挑战。除了生产问题外，乙炔还很难处理和运输。它爆炸性很强。当通过管道运输时，压力保持在较低的水平，只能短距离运输。工业用乙炔在高压下泵入罐中，溶解在溶剂中，例如二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮或丙酮。当乙炔瓶打开时，溶解气体蒸发并通过连接软管流向焊枪或切割火焰。然而，一个钢瓶中的全部乙炔是不能使用的，因为一定量的乙炔仍然溶解在溶剂中，并在这种状态下返回给制造商。随着20世纪中叶石化工业的兴起，乙炔继续在工业上使用(即用于焊接、金属切割等)，但作为化学反应的前体被取代，取而代之的是直接从石油而不是煤中提取的其他原料(如乙烯)。随着石油变得越来越贵，天然气也越来越便宜，人们越来越关注乙炔作为进一步化工加工的平台，而不是石油原料。此外，丰富的天然气正在促使人们寻找更多的方法来使用这种材料，而且避免将其燃烧，以减少其温室气体效应，并避免通过简单的燃烧将其转化为另一种温室气体CO2。对非碳氢化合物燃料来源的日益增长的需求支持将天然气用作生产氢气的原料，而氢气又可以用作动力来源。从天然气中的甲烷中提取氢气的传统技术已经存在。例如，蒸汽重整可以产生氢气和一氧化碳；蒸汽重整过程产生的氢气可以纯形式用于其他应用，如氢燃料电池或燃气轮机，在这些应用中，氢气与氧气结合形成水，而不会产生温室气体排放。其他过程，如部分氧化，可以产生含氢的合成气，一种可燃混合物，可以用作燃料。然而，传统的甲烷制氢技术也有缺点。蒸汽重整是在高温下进行的，而且是能源密集型的，需要昂贵的材料来承受恶劣的反应条件。水蒸气重整利用催化剂将甲烷转化为氢气，但催化剂易受常见污染物的毒害。部分氧化制氢比水蒸气重整制氢效率低，容易形成烟尘，制氢量有限。除天然气外，海洋包合物、煤矿瓦斯、沼气等其他混合气源也含有甲烷气体。沼气是自然产生的混合气体源，由有机废料在各种人类创造的环境(如填埋场、粪池、废物设施等)和自然环境(如泥炭沼泽、融化的永久冻土等)中的厌氧分解产生。在这种环境中出现的厌氧细菌消化积聚在那里的有机物质，产生主要由二氧化碳和甲烷组成的气体混合物。甲烷含量高的沼气，如在垃圾填埋场衍生的气体混合物中发现的那样，可能是危险的，因为甲烷具有潜在的易燃性。此外，甲烷是一种有效的温室气体。目前，从有机分解中收集的沼气(例如，填埋场、废物设施、蓄水池等，或含有腐烂有机材料的自然区域)可被净化以去除去二氧化碳和其他痕量气体，从而产生高浓度甲烷以产生能量。然而，仅仅燃烧富含甲烷的沼气就会产生另一种温室气体二氧化碳。最好确定沼气或其他混合气体来源的用途，这些来源可以在不燃烧的情况下开发其能源潜力，减少甲烷的温室气体效应，同时避免将甲烷转化为另一种温室气体CO2。因此，本领域需要一种利用天然气或沼气等混合气源和/或更多纯化烃原料(例如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷及其组合)形成高价值产品的工艺。对于打算生产乙炔的那些工艺，使用混合气体源(例如天然气或沼气)和/或更纯净的碳氢化合物原料(例如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷)作为原料将是有利的，避免了其他混合气体转化工艺或碳氢化合物燃烧工艺的限制，同时利用了这些原料的丰富性。同时，本领域需要一种工艺，该工艺可以使用诸如天然气或沼气等混合气体源和/或更纯净的碳氢化合物原料，以方便且具有成本效益的方式生产乙炔。生产杂质最少的乙炔尤其有利，这样就可以安全地使用，而无需大量额外加工。此外，本领域还需要可规模可控且有效地提供替代燃料，例如氢。最好以经济和对环境负责的方式开展这些进程。此外，乙炔还可用作各种工业应用的燃料，例如金属切割。这种用途代表了一个重要的市场，在规模上可与乙炔的各种石化用途相媲美。目前，乙炔的主要工业用途是用作氧乙炔焊枪的燃料，用于切割钢材；除切割外，乙炔还用于钢材的某些焊接、渗碳和热处理。氧乙炔焊炬比其他氧燃料焊炬(如氧氢焊炬(3000℃)和氧丙烷焊炬(2500℃))在更高的火焰温度(3500℃)下燃烧，氧乙炔形成更小、更精确的火焰锥。这些特点允许更高的质量和更精确的切割比其他类似的氧气燃料切割方法。此外，由于乙炔燃烧所需的氧气化学计量比小于丙烷等其他燃料，因此氧乙炔焊炬比其他氧燃料焊炬消耗的氧气更少，从而降低了氧气操作成本。最后，其他碳氢燃料类型(如氧丙烷火炬)的火焰温度较低，对氧气的要求较高，因此不完全燃烧的风险较高，在工作环境中会产生危险的一氧化碳。基于上述原因，氧乙炔切割是钢铁切割行业的标准。然而，如前所述，乙炔的生产和运输存在限制。因此，为工业切割采购乙炔既昂贵并且在逻辑上具有挑战性。首先，作为火炬燃料的乙炔必须用小金属瓶运输和储存，因为有爆炸的危险。为了降低爆炸风险，钢瓶中的乙炔溶解在丙酮中，降低了分压，从而降低了爆炸的可能性。由于丙酮与乙炔一起存在于钢瓶中，因此只能在低流速下抽取乙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，用于将含有碳氢化合物的流入气体转化为流出气体产品，包括：/n气体输送子系统、等离子体反应室和微波子系统；/n其中所述气体输送子系统与等离子体反应室流体连通，并引导反应含有碳氢化合物的流入气体进入等离子体反应室；/n其中所述微波子系统将微波能量引导进入等离子体反应室，以使含有碳氢化合物的流入气体通电，从而在等离子体反应室中形成等离子体，以及其中，所述等离子体使所述含有碳氢化合物的流入气体中的碳氢化合物转化为所述流出气体产品，其中所述流出气体产品包括乙炔和氢。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180823 US 62/721,863;20180925 US 62/736,206;20191.一种系统，用于将含有碳氢化合物的流入气体转化为流出气体产品，包括：
气体输送子系统、等离子体反应室和微波子系统；
其中所述气体输送子系统与等离子体反应室流体连通，并引导反应含有碳氢化合物的流入气体进入等离子体反应室；
其中所述微波子系统将微波能量引导进入等离子体反应室，以使含有碳氢化合物的流入气体通电，从而在等离子体反应室中形成等离子体，以及其中，所述等离子体使所述含有碳氢化合物的流入气体中的碳氢化合物转化为所述流出气体产品，其中所述流出气体产品包括乙炔和氢。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述含有碳氢化合物的流入气体可以来自混合气源。


3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述混合气源是天然气。


4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述混合气源是沼气。


5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述含有碳氢化合物的流入气体包括一种气体，其选自由以下气体组成的组：甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。


6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述含有碳氢化合物的流入气体基本上由甲烷组成。


7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体输送子系统包括输送管道和气体喷射器，其中所述输送管道与气体喷射器流体连通，其中所述输送管道将一种或多种气体输送至气体喷射器，并且其中所述气体喷射器将一种或多种气体输送至等离子体反应室。


8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述输送管道包括原料气输送管道，该原料气输送管道将含有碳氢化合物的流入气体输送到气体喷射器中。


9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述含有碳氢化合物的流入气体包括甲烷。


10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述含有碳氢化合物的流入气体基本上由甲烷组成。


11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述输送管道包括额外的气体输送管道，其将额外的气体输送到气体喷射器中。


12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述额外的气体是氢气。


13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述额外的气体输送管道是将辅助气体输送到气体喷射器的辅助气体输送管道。


14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述额外的气体输送管道是将再循环气体输送到气体喷射器的再循环气体输送管道。


15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述再循环气体包含富氢反应气体。


16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述富氢反应气体基本上由氢气组成。


17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述再循环气体基本上由富氢反应气体组成。


18.根据权利要求7所述的系统，其中，输送管道通过单独的路径将一种或多种气体输送到气体喷射器中。


19.根据权利要求7所述的系统，其中，所述气体喷射器包括喷射器主体，喷射器主体包括两个或多个同轴布置且独立的气体进料，第一气体进料通过第一组一个或多个喷嘴将含有碳氢化合物的流入气体输送到等离子体反应室，并且第二气体进料通过第二组一个或多个喷嘴将额外的气体输送到等离子体反应室。


20.根据权利要求19所述的系统，其中，一个或多个喷嘴中的至少一个被定位为与等离子体反应室的纵轴成一定角度或与等离子体反应室的横轴成一定角度。


21.根据权利要求19所述的系统，其中，一个或多个喷嘴中的至少一个被定位为与喷射器主体的纵轴或横轴成一定角度。


22.根据权利要求19所述的系统，其中，来自第一组喷嘴和第二组喷嘴的组合气流在等离子体反应室内形成涡流。


23.根据权利要求14所述的系统，其中，等离子体反应室布置在具有近端和远端的细长反应器管内，并且细长反应器管在尺寸上适于与微波子系统相互作用。


24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述细长的反应器管是石英管。


25.根据权利要求23所述的系统，其中，等离子体反应器室大致布置在所述细长反应器管的中部。


26.根据权利要求23所述的系统，其中，气体喷射器将含有碳氢化合物的流入气体和附加气体输送到细长反应器管的近端部分，其中含有碳氢化合物的流入气体和附加气体从该近端流向等离子体反应室。


27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述气体喷射器位于所述近端部分内的中心，并且所述第一组一个或多个喷嘴和所述第二组一个或多个喷嘴朝向外围。


28.根据权利要求26所述的系统，其中，所述气体喷射器位于所述近端部分内的外围，并且第一组一个或多个喷嘴和第二组一个或多个喷嘴朝向中心。


29.根据权利要求23所述的系统，其中，所述微波子系统包括用于将微波能量引导到等离子体反应室的施加器，并且等离子体反应室布置在穿过施加器并与其垂直相交的细长反应器管的区域中。


30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述施加器可以是单臂施加器。


31.根据权利要求29所述的系统，其中，所述微波子系统还包括电源、磁控管和波导管，其中所述电源使所述磁控管通电以产生微波能量，所述微波能量由所述波导管传送到所述施加器，并且其中所述施加器将微波能量引导到所述细长反应器管内的反应室，从而在等离子体反应室中形成等离子体。


32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述磁控管可以产生L波段的微波能量。


33.根据权利要求31所述的系统，其中，等离子体反应室内的等离子体产生流出气体产物，并且流出气体产物在等离子体反应室内向远端流向细长反应器管的远端。


34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述流出产物可从细长反应器管的远端流出，进入流出物分离和处理子系统。


35.根据权利要求34所述的系统，其中，流出物分离和处理子系统包括固体过滤器和冷阱。


36.根据权利要求34所述的系统，其中，流出物分离和处理子系统包括吸附柱。


37.根据权利要求34所述的系统，其中，流出物分离和处理子系统包括适于从流出物流中去除非氢组分的变压吸附系统。


38.根据权利要求34所述的系统，其中，流出物分离和处理子系统包括变温吸附系统，其适于...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·S·索内，J·N·阿斯克拉夫特，J·S·哈默特，M·E·索德尔霍尔姆，M·莱德斯，A·O·桑塔娜，M·E·欧莱利，
申请(专利权)人：转化材料有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US