專利名稱：熱合成的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種熱合成方法。本發(fā)明具體涉及將熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫氣流中的反應(yīng)物熱轉(zhuǎn)變成所需的最終產(chǎn)物，如氣體或超細(xì)固體顆粒的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在美國，天然氣(其中甲烷是主要的烴)的價格低，并且是未得到充分利用的能源。已知天然氣的大量儲藏存在于美國大陸的偏遠(yuǎn)地區(qū)，但這種能源無法經(jīng)濟(jì)而安全地從這些地區(qū)運輸過來。近幾十年來，研究了將天然氣轉(zhuǎn)變成價值更高的烴類，但這種研究在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)上所取得的成功非常有限。近年來，進(jìn)行了一些研究來評價將天然氣(現(xiàn)在是用于直接燃燒)轉(zhuǎn)變成作為日用化學(xué)品原料的乙炔的技術(shù)。與油田和廉價勞動力相關(guān)的對已有的大量天然氣儲藏的利用，使得由天然氣轉(zhuǎn)變成乙炔的工藝用于制造在這部分世界上尤其吸引人的日用化學(xué)品。
乙炔可用作塑料制造或藉已證實的催化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成液體烴燃料用的原料。乙炔作為起始原料的通用性是眾所周知并且是公認(rèn)的。目前塑料用的原料是石油化學(xué)基的原料。制造這些石油化學(xué)基原料的來自國內(nèi)和國外石油儲藏的供應(yīng)正在下降，這就對尋找石油化學(xué)基原料的替代品構(gòu)成了壓力。因此，目前再次恢復(fù)了對乙炔基原料的興趣。
將甲烷熱轉(zhuǎn)變成液體烴包括間接法或直接法。常規(guī)的甲醇制造汽油(MTG)法和Fischer-Tropsch(FT)法是這種間接轉(zhuǎn)變法的兩個主要例子，它們是將甲烷重整(reforming)成合成氣，然后將其轉(zhuǎn)變成最終產(chǎn)物。這些昂貴的吸熱法是在高溫和高壓下操作的。
尋求一種將甲烷直接催化轉(zhuǎn)變成輕烯烴(例如C2H4)，然后轉(zhuǎn)變成液體烴的方法已成為目前天然氣轉(zhuǎn)變技術(shù)的焦點。氧化偶合、氫氧氯化(oxyhydrochlorination)和部分氧化是直接轉(zhuǎn)變法的例子。這些技術(shù)要求在較高壓力、中等溫度和使用催化劑的條件下操作。開發(fā)用于天然氣直接轉(zhuǎn)變法的特定催化劑是開發(fā)這些技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)。這種方法的轉(zhuǎn)化率低，與間接法相比其費用高，并且這些技術(shù)還未得到證實。
輕烯烴可以通過在非常高的溫度(＞1800℃)從甲烷提取出氫，而后偶合烴自由基制得。甲烷高溫轉(zhuǎn)變成乙炔可以用反應(yīng)式表示，這是一個例子。這個過程已知有一段很長的時間。
甲烷成為乙炔的轉(zhuǎn)變過程，目前是使用冷液體烴猝滅劑來防止逆反應(yīng)。也許這些過程中最知名的是Huels法，這種方法在德國商業(yè)應(yīng)用中已使用了許多年。通過在高溫電弧(15000-20000K)和甲烷原料之間的“直接”接觸，Huels的電弧反應(yīng)器就能轉(zhuǎn)移電能。用水和液化丙烷驟冷產(chǎn)物氣體，用以防止逆反應(yīng)。對Huels法而言，乙炔的單道產(chǎn)率小于40％。通過將乙炔和乙烯以外所有的烴進(jìn)行再循環(huán)，C2H2的總產(chǎn)率可增至58％。
盡管在商業(yè)上已經(jīng)使用，但Huels法在經(jīng)濟(jì)上僅是勉強(qiáng)合算的，因為單道效率較低，并且需要從驟冷氣體中分離出產(chǎn)物氣體。德國政府的津貼幫助了在生產(chǎn)上仍使用這種方法。
使用9MW反應(yīng)器的類似方法由杜邦公司建立，這種方法在1963至1968年操作，它將從液體烴源制得的乙炔送到氯丁橡膠廠。據(jù)報道也證實了這種方法使用甲烷原料以中試試驗的規(guī)模進(jìn)行。而工廠規(guī)模的操作局限于液化石油氣或液體烴餾出液。該杜邦中試方法的規(guī)模并沒有報道。在杜邦法中，用磁性方法使電弧旋轉(zhuǎn)，而在原始的Huels法中，電弧是用切向注入的氣體“漩渦穩(wěn)定的”。在杜邦法中，用氫稀釋的所有原料都通過電弧柱。在Huels法中，是在電弧的下游位置注入一部分反應(yīng)物。
Westinghouse使用氫等離子反應(yīng)器來裂解天然氣制造乙炔。在等離子反應(yīng)器中，將氫送入電弧區(qū)，加熱到等離子狀態(tài)。溫度高于5000K的熾熱H2等離子體出口流與天然氣在弧區(qū)的下方快速混合，電能間接地轉(zhuǎn)移到原料中。與在Huels法中一樣，用液化丙烷和水驟冷熱的產(chǎn)物氣體，以防止逆反應(yīng)。然而，與Huels法一樣，需要從驟冷氣體中分離出產(chǎn)物氣體。據(jù)報道，再循環(huán)乙炔和乙烯以外所有的烴可使總產(chǎn)率提高到67％。用于天然氣轉(zhuǎn)變的H2等離子體法業(yè)已以小型規(guī)模進(jìn)行了廣泛的試驗，但還需要以中試規(guī)模進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)和驗證。
挪威科學(xué)和工業(yè)研究基金會(Scientific and Industrial ResearchFoundation of Norway)開發(fā)了一種由兩根同心、耐熱石墨管組成的反應(yīng)器。當(dāng)溫度為1900-2100K時，甲烷的裂解反應(yīng)發(fā)生在兩根管之間的狹窄環(huán)形空間中。在操作過程中，在環(huán)隙中形成的碳會導(dǎo)致明顯的操作問題。同樣也使用液化猝滅劑來驟冷反應(yīng)產(chǎn)物，以防止逆反應(yīng)。與上述先前兩種乙炔制造法一樣，需要從驟冷氣體中分離出產(chǎn)物氣體。從此耐熱反應(yīng)器獲得的多道乙炔總產(chǎn)率約為80％，該方法已經(jīng)在中試廠中進(jìn)行了試驗。
因此，需要對上述那些方法中觀察到的中等的甲烷轉(zhuǎn)化效率、乙炔產(chǎn)率、選擇性和能量消耗率作出改進(jìn)。
鈦所具有的高的耐腐蝕性和強(qiáng)度的性能與其較低的密度相結(jié)合使鈦合金理想地適用于許多高科技用途，尤其是在航空系統(tǒng)中。鈦在化工廠和發(fā)電廠中的應(yīng)用也是有吸引力的。
不幸的是，鈦的廣泛應(yīng)用由于其費用高而受到嚴(yán)重的限制。這個高費用是用于制造鈦金屬的常規(guī)Kroll和Hunter法的批量特性及其應(yīng)用所需的高能量消耗率的直接結(jié)果。
許多年來，在鈦工業(yè)中使用的大規(guī)模制造方法相對來說是不變的。它們包括下述主要步驟(1)氯化不純的氧化物礦，(2)提純TiCl4，(3)用鈉或鎂還原制得海綿鈦，(4)除去海綿鈦，(5)浸出、蒸餾和真空再熔化，以除去Cl、Na和Mg雜質(zhì)。這些過程固有成本的綜合效果、與鍛造和切削加工鈦有關(guān)的困難以及近年來在海綿鈦利用上的不足，都使得鈦的使用較少。
目前正在進(jìn)行的一種最有希望的為防止鈦合金部件高費用而開發(fā)的方法是制造接近最后部件形狀的粉末冶金法。例如，對于每千克目前在飛機(jī)中使用的鈦，估計會產(chǎn)生8千克廢料。粉末冶金法可以大大降低這個廢物率。盡管這種技術(shù)主要包括制造粉末然后將其密致化成密實制品的簡單步驟，但目前仍在對其進(jìn)行相當(dāng)大量的研究，使這種方法最佳化，使最終的產(chǎn)品具有與鍛制或鑄造材料至少等同的性能，并且在費用上比后者更低。
一種制造鈦合金部件的可能粉末冶金法途徑是將元素金屬粉末直接混合，然后壓制。目前，使用來自Kroll法的海綿鈦細(xì)粒，但一個主要缺點是其高的剩余雜質(zhì)含量(主要是氯化物)，所述雜質(zhì)會在最終材料中形成孔隙。其它可供選擇的粉末冶金法包括直接使用鈦合金粉末進(jìn)行熱等靜壓壓制。
目前在使這種鈦合金粉末最佳化的過程中涉及幾種方案。結(jié)果是非常有希望的，但所有的方案都包括使用Kroll鈦作為起始原料。使用這種現(xiàn)有的粉末要用到許多如上所述昂貴的提純和合金化的步驟。
在最近30年的文獻(xiàn)中，在等離子體條件下制造鈦的方法陸續(xù)地受到關(guān)注。報告通常涉及用氫還原四氯化鈦或二氧化鈦，某些個別的文獻(xiàn)則涉及用鈉或鎂進(jìn)行還原。
在電弧爐中研究了使用氫還原四氯化鈦。在2100K時只進(jìn)行了部分還原。更廣泛地研究了在等離子體火焰中的相同反應(yīng)體系，并在低氯化鈦(德國專利1,142,159，1963年1月10日)和鈦金屬(日本專利6854，1963年5月23日；7408，1955年10月15日；美國專利No.3,123,464，1964年3月3日)的制備方法上取得了專利。
盡管早期的熱力學(xué)計算指出用氫將四氯化鈦還原成金屬鈦應(yīng)在2500K時開始，但此體系不是一個簡單的體系。計算表明，在此溫度范圍形成低氯化鈦在熱力學(xué)上更為有利。
美國專利No.3,123,464披露了在至低，較好是超過鈦沸點(3535K)的溫度下加熱反應(yīng)物(TiCl4和H2)，能成功地將四氯化鈦還原成液體鈦。在如此高的溫度下，披露了盡管四氯化鈦蒸氣能有效地被原子氫所還原，但H2發(fā)生溶解或與Ti反應(yīng)的傾向并不明顯，所形成的HCl僅有約10％離解，并且低氯化鈦的形成并不有利。鈦蒸氣產(chǎn)物然后或者在約3000K的水冷鋼冷凝器中冷凝成液體，從中溢出流到模具中，或者用氫急驟冷卻成粉末，將其收集在料箱中。由于從氣體中冷凝出來的液體鈦僅帶有氣態(tài)副產(chǎn)物或雜質(zhì)，預(yù)計其純度(除氫雜質(zhì)外)是高的。
日本專利7408描述了如下的反應(yīng)條件使TiCl4氣體和H2(50％過量)的混合物以4×10-3m3/min的流量通過內(nèi)徑為5mm的鎢電極噴嘴，放電(3720V和533mA)至距離15mm的另一個電極上。在真空中加熱所得的粉末狀晶體，制得99.4％純的鈦。
在上述專利中沒有一個專利清楚地提到能量消耗。曾經(jīng)使用自凝坩鍋熔爐試圖開發(fā)工業(yè)規(guī)模的氫還原法，但此努力后來中斷了。最近，有人聲稱在氫等離子體中產(chǎn)生了少量的鈦，但是當(dāng)確認(rèn)產(chǎn)物確實是碳化鈦時，這種說法隨后就縮回去了。
總之，試圖在氫等離子體中處理TiCl4的歷史過程似乎表明，只有部分還原即還原成鈦和其低氯化物的混合物是可能的，除非達(dá)到非常高的溫度(＞4000K)。先前的研究人員作出結(jié)論說，需要先行將蒸氣相鈦冷凝，以克服其體系上的熱力學(xué)不穩(wěn)定性。
因此，需要能克服或避免上述問題和限制的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種將熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫氣流中的一種或多種反應(yīng)物熱轉(zhuǎn)變成所需最終產(chǎn)物的方法和裝置。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種將熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫氣流中的一種或多種反應(yīng)物熱轉(zhuǎn)變成所需最終產(chǎn)物的改進(jìn)的過程轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物產(chǎn)率。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種提高從天然氣熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐胰驳漠a(chǎn)率的方法和裝置。
為了達(dá)到上述這些目的，按本文體現(xiàn)和廣泛描述的本發(fā)明，提供一種將熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫氣流中的一種或多種反應(yīng)物熱轉(zhuǎn)變成氣體或超細(xì)固體顆粒形式的所需最終產(chǎn)物的方法和裝置。一般來說，該方法包括下述步驟。首先，在一軸向反應(yīng)器的一端加入反應(yīng)物流。接著，在反應(yīng)物流軸向流過直徑相對于軸向反應(yīng)器來說減小的注射通道以產(chǎn)生湍流時，對反應(yīng)物流加熱，從而將反應(yīng)物流與熱氣體徹底地混合。隨后，讓徹底混合的反應(yīng)物流軸向通過軸向反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)，該反應(yīng)區(qū)在其長度范圍內(nèi)保持基本上均勻的溫度。軸向反應(yīng)器具有一定的長度和溫度，它在一定條件下操作，所述條件足以將反應(yīng)物流加熱到使所需的產(chǎn)物流在靠近軸向反應(yīng)器出口端的位置上產(chǎn)生的所選定的反應(yīng)溫度。
具體是，本發(fā)明的方法包括下述步驟。首先，在包括至少一對位于靠近軸向反應(yīng)器室入口端的電極的等離子炬電極之間通入等離子弧氣流。該等離子弧氣流以選定的流量通入，同時使電極接受選定的等離子輸入動率(plasma inputpower level)，在直徑受限制的注射通道中產(chǎn)生等離子體，該注射通道延伸到反應(yīng)器室中并朝向反應(yīng)器室出口端。其次，將至少一種反應(yīng)物注入注射通道中，使引入的反應(yīng)物流徹底地混入等離子體中，獲得徹底的混合，然后引入反應(yīng)器室中。反應(yīng)器室在整個流動場中保持基本上均勻的溫度，使反應(yīng)達(dá)到平衡。離開噴嘴的氣流在反應(yīng)器室的出口端冷卻，其辦法是降低其速度，同時以足以防止其動力溫度提高的速率除去熱量。然后從冷卻氣流中保留的氣體中分離出所需的最終產(chǎn)物。
與已有的常規(guī)方法相比，本發(fā)明提供方法轉(zhuǎn)化效率和乙炔產(chǎn)率上的提高。這種改進(jìn)主要是通過將反應(yīng)物更有效的注入并和等離子氣體混合，并使反應(yīng)器中的溫度梯度和冷的邊界層降至最小實現(xiàn)的。改進(jìn)的混合和熱控制也會增加下述這個特征，即降低乙炔以外烴的產(chǎn)率。在小的反應(yīng)器中通過壁上的熱傳遞而達(dá)到的驟冷速度足以抑制乙炔分解和形成炱。乙烯以外其它烴的形成不受明顯提高驟冷速度的影響。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點將由下面描述和所附權(quán)利要求書更完整地說明，或者可以通過按照下面所述實施本發(fā)明而掌握。


為了說明達(dá)到本發(fā)明上述和其它優(yōu)點和目的的方式，將參考在附圖中說明的一些特定實施方案對上面簡述的本發(fā)明作更具體的說明。應(yīng)明白的是，這些附圖僅說明本發(fā)明典型的實施方案，因此不能認(rèn)為它們是用來限制其范圍的。通過使用附圖，將以附加的特征和細(xì)節(jié)來說明本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明一個實施方案反應(yīng)器體系的截面示意圖；圖2是本發(fā)明另一個實施方案反應(yīng)器體系的截面示意圖；圖3是本發(fā)明再一個實施方案反應(yīng)器體系的截面示意圖；圖4是描繪可以在本發(fā)明反應(yīng)器體系中轉(zhuǎn)化的甲烷理論最大量的圖；圖5是描繪轉(zhuǎn)化效率與甲烷進(jìn)料流量關(guān)系的圖；圖6是描繪估算的反應(yīng)器溫度和反應(yīng)器中停留時間與甲烷注入流量關(guān)系的圖；圖7是描繪甲烷轉(zhuǎn)化效率與反應(yīng)器壓力關(guān)系的圖；圖8是描繪乙炔產(chǎn)率與甲烷注入流量關(guān)系的圖；圖9是描繪乙炔產(chǎn)率與甲烷注入流量關(guān)系的圖；圖10是描繪烴產(chǎn)率與甲烷注入流量關(guān)系的圖；圖11是描繪烴(無甲烷)產(chǎn)率與甲烷注入流量關(guān)系的圖；圖12是描繪轉(zhuǎn)化效率與甲烷進(jìn)料流量關(guān)系的圖；圖13是描繪乙炔產(chǎn)率與甲烷進(jìn)料流量關(guān)系的圖；圖14是描繪產(chǎn)率效率與甲烷進(jìn)料流量關(guān)系的圖；圖15是描繪烴(無甲烷)產(chǎn)率與甲烷進(jìn)料流量關(guān)系的圖；圖16是描繪乙炔產(chǎn)率與壓力關(guān)系的圖；圖17是描繪烴產(chǎn)率與反應(yīng)器壓力關(guān)系的圖；圖18是描繪所產(chǎn)生的乙炔和能量消耗率與甲烷進(jìn)料流量關(guān)系的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明一般涉及將反應(yīng)物熱轉(zhuǎn)變成所需的最終產(chǎn)物如氣體或超細(xì)固體顆粒的方法和裝置。本發(fā)明的裝置通常包括一個多孔道注射器，它用于將反應(yīng)物在反應(yīng)器的前面注入一個室中，從而使反應(yīng)物與等離子流混合。反應(yīng)器使用例如碳襯里進(jìn)行絕緣，所述絕緣的反應(yīng)器能為反應(yīng)的進(jìn)行提供停留時間，同時使徑向溫度梯度降至最小。在反應(yīng)器的出口端還可以接上一個縮-擴(kuò)噴嘴，它能產(chǎn)生超聲波膨脹，從而極大地提高驟冷速度。
存在有用于高溫反應(yīng)的各種反應(yīng)器和方法，在這些反應(yīng)器和方法中又需要快速冷卻以凍結(jié)反應(yīng)產(chǎn)物以防止逆反應(yīng)或分解成不想要的產(chǎn)物。例如，Detering的美國專利No.5,749,937(下面稱為“Detering”)在縮-擴(kuò)噴嘴中使用氣體的絕熱和等熵的膨脹來快速驟冷。這種膨脹會使冷卻速度超過1010K/s，這樣就能保存只在高溫下平衡的反應(yīng)產(chǎn)物。
然而，仍然繼續(xù)需要提高轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)率的值。發(fā)現(xiàn)溫度梯度和不良的混合會導(dǎo)致溫度在反應(yīng)器中不均勻的分布。產(chǎn)物流的組成隨反應(yīng)的動力學(xué)或速度而變，也隨溫度的不均勻性而變。這些效果會導(dǎo)致產(chǎn)物流的組成有明顯的變化。若驟冷過程太慢或延遲，則制得的產(chǎn)物如乙炔會熱分解成固體碳炱或者可能主要在熱表面上再進(jìn)一步反應(yīng)，形成苯和較重的烴。
本發(fā)明正是針對這些問題的。溫度不均勻的問題可以通過使用有絕緣襯里的“熱壁”的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如有碳襯里的反應(yīng)器來克服，所述反應(yīng)器能使徑向溫度梯度和反應(yīng)器部分的熱損失降至最小?；旌喜涣嫉膯栴}可以通過采用受限通道注射器的設(shè)計得以解決，所述設(shè)計能將反應(yīng)物很好地混入等離子流中。驟冷速度的效果可以通過將超聲波驟冷噴嘴放入裝置中，使其正好位于反應(yīng)器部分的后面位置而得以解決。在超聲波噴嘴中，來自反應(yīng)器部分的熱氣體快速膨脹至較低壓力。這樣，熱能就轉(zhuǎn)變成動能，所以混合物快速冷卻。這個過程有時稱為氣動驟冷?？梢赃_(dá)到107°-108℃/s的驟冷速度，它比在原來的Huels法中報道的驟冷速度大一至二個數(shù)量級。在沒有此縮-擴(kuò)噴嘴的情況下，由壁上熱傳遞達(dá)到的驟冷速度大約只有0.1×106℃/s。
盡管這種反應(yīng)器的概念最初是在研究從天然氣形成乙炔的過程中開發(fā)出來的，但本領(lǐng)域的技術(shù)熟練者會意識到，本發(fā)明的方法和裝置可用于其它需要快速驟冷的過程(包括鈦的生產(chǎn))中。
本文所述的快速驟冷反應(yīng)器和操作方法利用了高溫加熱裝置如熱等離子體裝置所產(chǎn)生的高溫(5,000°-20,000℃)，制造在此高溫下熱力學(xué)穩(wěn)定的材料。這些材料包括金屬、合金、金屬間化合物、復(fù)合材料、氣體和陶瓷。
本發(fā)明的快速驟冷反應(yīng)器和方法將就一個快速加熱裝置加以描述和說明，所述快速加熱裝置包括等離子炬和等離子弧氣流。然而，應(yīng)明白的是快速加熱裝置也可以包括其它的快速加熱裝置如激光器和合適燃料氧化產(chǎn)生的火焰如氧/氫焰。
應(yīng)明白的是，下面在各種實施方案中描述的各種特征可以互換，提供本發(fā)明所包括的另一些實施方案。例如，各種實施方案可以包括或不包括縮-擴(kuò)噴嘴、混合室、下游注射器或陽極注射器。
現(xiàn)在參看附圖，圖1是超速驟冷裝置10的示意圖。裝置10通常包括火炬部分12、注射器部分14、封閉的軸向反應(yīng)器室16、縮-擴(kuò)噴嘴18和冷卻部分20。
在本發(fā)明的一個實施方案中，裝置10是用于將熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫氣流中的一種或多種反應(yīng)物熱轉(zhuǎn)變成氣體或超細(xì)固體顆粒形式的所需最終產(chǎn)物的快速驟冷軸向反應(yīng)器。裝置10包括用于在軸向反應(yīng)器的入口端或其前面處引入反應(yīng)物流的裝置，所述裝置例如是位于注射器部分14或火炬部分12的多孔道注射器或后面將述的陽極注射器。裝置10還包括用于在軸向反應(yīng)器的入口端前面產(chǎn)生熱氣流的加熱裝置，該熱氣流朝著軸向反應(yīng)器的出口端軸向地流動。這種加熱裝置可以選自產(chǎn)生等離子體的火炬、激光器、合適燃料氧化產(chǎn)生的火焰如氧/氫焰和它們的等同物。另外，裝置10還包括使反應(yīng)物流和熱氣流通過直徑減小的注射通道產(chǎn)生湍流的裝置，從而將反應(yīng)物流與熱氣流徹底地混合，該注射通道23例如位于注射器部分14或火炬部分12或其等同物中。裝置10還包括用于將軸向反應(yīng)器中的徑向溫度梯度降至最小的裝置，例如是在反應(yīng)器室16內(nèi)部上的絕緣層或其等同物。軸向反應(yīng)器較好在足以將反應(yīng)物流加熱到使所需的最終產(chǎn)物在靠近軸向反應(yīng)器出口端的位置上產(chǎn)生的所選定的反應(yīng)溫度的條件下進(jìn)行操作。下面將進(jìn)一步詳細(xì)地說明裝置10的各個部件。
火炬部分12包括等離子炬，它用于使進(jìn)入的氣流在通過反應(yīng)器室的入口送入時在所得的等離子體中進(jìn)行熱分解。
等離子體是一種高溫發(fā)光氣體，它至少部分(1-100％)是電離的。等離子體由氣體原子、氣體離子和電子組成。在整個相中，等離子體是電中性的。讓氣體通過在兩個電極(陽極和陰極)之間產(chǎn)生的電弧，可以獲得熱的等離子體。在氣體通過電弧的若干微秒時間內(nèi)，電弧通過電阻熱和輻射熱將氣體快速加熱到非常高的溫度。等離子體一般在高于9000K的溫度發(fā)光。
可以按這種方式用任何氣體產(chǎn)生等離子體。由于氣體可以是中性的(氬氣、氦氣、氖氣)、還原性的(氫氣、甲烷、氨氣、一氧化碳)或氧化性的(氧氣、氮氣、二氧化碳)，這樣就可以對等離子體中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生很好的控制。氧氣或氧/氬的混合氣可用于制造金屬氧化物的陶瓷和復(fù)合材料。其它的氮化物、硼化物和碳化物陶瓷材料需要諸如氮氣、氨氣、氫氣、甲烷或一氧化碳等氣體，以獲得用于合成這些材料所需的恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)環(huán)境。
產(chǎn)生等離子體的火炬的詳細(xì)情況是眾所周知的，對本領(lǐng)域的技術(shù)熟練者來說，要理解本文所披露的內(nèi)容，對此并不需要進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
用箭頭31表示進(jìn)入的等離子氣流。等離子氣體也可以是反應(yīng)物或是惰性的。通常是將一種或多種反應(yīng)物氣流(箭頭30)分開地注入等離子體中，所述等離子體朝著反應(yīng)器室16的出口流動。軸向通過反應(yīng)器室16的氣流包括注入等離子弧或在載氣中的反應(yīng)物。
注射器部分14包括注射孔22和直徑受限的注射通道23，使反應(yīng)物和等離子體混合，然后反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器室16。由于讓反應(yīng)物和等離子體在進(jìn)入反應(yīng)器16之前進(jìn)行混合，熱量損失就較少，體系的效率就可以提高。
氣體和液體是注入反應(yīng)物的較好形式?？梢宰⑷牍腆w，但它通常蒸發(fā)得太慢，以致于在氣體冷卻之前在快速流動的等離子體中難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。若使用固體作為反應(yīng)物，則通常在注入等離子體之前將其加熱變成氣態(tài)或液態(tài)。
在自由流動的等離子體中，物料的典型停留時間的數(shù)量級是毫秒。為了使反應(yīng)物與等離子氣體達(dá)到最大程度的混合，在壓力下(10-100個大氣壓)通過小孔注入反應(yīng)物(液體或氣體)，以達(dá)到足以穿透等離子體并與之混合的速度。較好是無論何時都使用氣態(tài)或蒸發(fā)的反應(yīng)物，因為這樣就不需要在等離子體中進(jìn)行相變，從而改進(jìn)反應(yīng)器的動力學(xué)性能。另外，注入的反應(yīng)物流較好是與等離子氣體流動呈直角(90°角)的方向注入。然而，在某些情況下，與此90°角呈高達(dá)30°的正或負(fù)偏差可能是最佳的。
等離子體的高溫使注入的液體物料快速蒸發(fā)，并使其氣態(tài)分子物質(zhì)分裂成其原子成分。各種金屬(鈦、釩、銻、硅、鋁、鈾、鎢)，金屬合金(鈦/釩、鈦/鋁、鈦/鋁/釩)，金屬間化合物(鋁化鎳(nickel aluminide)、鋁化鈦)和陶瓷(金屬氧化物、氮化物、硼化物和碳化物)，其合成可以是將液態(tài)或氣態(tài)形式的金屬鹵化物(氯化物、溴化物、碘化物和氟化物)注入來自陽極弧連接部位后面在火炬出口中或沿反應(yīng)器室長度的合適氣體的等離子體中。
封閉的軸向反應(yīng)器室16在一個入口端與注射器部分14相連，并在一個出口端與噴嘴18相連。本發(fā)明一個實施方案的反應(yīng)器室16在其內(nèi)表面上有一個絕緣襯里34。絕緣的反應(yīng)器能為反應(yīng)的進(jìn)行提供停留時間，同時使徑向溫度梯度降至最小。一般在反應(yīng)器室16的外面設(shè)置一個冷卻水夾套(未圖示)。
反應(yīng)器室16就是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。反應(yīng)器室16開始于等離子弧后面的入口，終止于噴嘴咽喉26處。反應(yīng)器室16包括形成產(chǎn)物的主要反應(yīng)器區(qū)域和噴嘴18一部分的會聚部分24。
反應(yīng)器室中的溫度要求和其幾何尺寸取決于為了達(dá)到各所需最終產(chǎn)物含量的平衡狀態(tài)所要求的溫度。
由于反應(yīng)室是熾熱而化學(xué)活性高的區(qū)域，所以必須使制成的反應(yīng)器室的材料與溫度和化學(xué)活性相適應(yīng)，使得來自反應(yīng)物的化學(xué)腐蝕降至最小，并且使由于所得強(qiáng)烈等離子體輻射造成的熔化降解和燒蝕降至最小。反應(yīng)器室通常用水冷的不銹鋼、鎳、鈦或其它合適的材料制成。反應(yīng)器室也可以用陶瓷材料制成，以抵御強(qiáng)烈的化學(xué)環(huán)境和熱環(huán)境。
如上所述，用絕緣體如碳給反應(yīng)器室的壁加上襯里，以保持反應(yīng)器室16中恒定的溫度梯度。絕緣體的目的是提供對傳熱的阻擋層，以減少過程的熱量損失到反應(yīng)器室外面的冷水夾套中。各種絕緣材料都可以使用，只要所選擇的材料不與反應(yīng)器室中的反應(yīng)物反應(yīng)并且具有足夠低的膨脹系數(shù)，以防反應(yīng)器室的外壁溶脹和爆裂。這樣，諸如碳之類的較好材料是良好的絕緣體，它們對過程反應(yīng)物是化學(xué)惰性的，具有低的膨脹系數(shù)，并且經(jīng)得起例如約2000°-3000°K的高溫。其它合適的材料例如包括氮化硼、氧化鋯、碳化硅等。然而，任何能減少熱量從反應(yīng)器室16傳導(dǎo)到外壁上的絕緣材料都可以采用，只要符合上述標(biāo)準(zhǔn)。
通過輻射、對流和傳導(dǎo)相結(jié)合，反應(yīng)室的壁從內(nèi)部受到加熱。對反應(yīng)室的壁進(jìn)行冷卻能防止在其表面上發(fā)生不應(yīng)有的熔化和/或腐蝕。用于控制這種冷卻的系統(tǒng)應(yīng)將壁保持在選用的壁材料所能允許的高的溫度，所述壁材料在預(yù)期的壁溫對反應(yīng)器室16中的反應(yīng)物來說必須是惰性的。這對僅通過對流和傳導(dǎo)進(jìn)行加熱的噴嘴壁來說同樣也是適用的。
對反應(yīng)器室16的尺寸要加以選擇，使等離子體和反應(yīng)物氣體的再循環(huán)降至最小，以保持足夠的熱量(焓)進(jìn)入噴嘴咽喉，防止降解(不需要的逆反應(yīng)或副反應(yīng))。
必須首先使用能讓使用者達(dá)到目標(biāo)反應(yīng)閾溫度的拉長管，用實驗的方法確定反應(yīng)器室16的長度。然后可以讓反應(yīng)器室16設(shè)計成為足夠的長度，使反應(yīng)物在高反應(yīng)溫度下具有足夠的停留時間達(dá)到平衡狀態(tài)，并完全形成所需的最終產(chǎn)物。這種反應(yīng)溫度可以從最低約1700℃到4000℃。
通過等離子體和移動氣流的流體性能確定反應(yīng)器室16的內(nèi)徑。反應(yīng)器16的內(nèi)徑必須足夠大，能讓所需的氣流通過，但又不應(yīng)太大，致使不應(yīng)有的返流漩渦或停滯區(qū)在反應(yīng)器的壁上形成。這種有害的流動方式會過早地冷卻氣體，并使不想要的產(chǎn)物如低氯化物或碳發(fā)生沉淀。通常，反應(yīng)器室16的內(nèi)徑應(yīng)在反應(yīng)器室16入口端處的等離子體直徑的大約100-150％的范圍內(nèi)。
縮-擴(kuò)噴嘴18同軸地位于反應(yīng)器室16的后面。縮-擴(kuò)噴嘴的作用是使流動氣流中的動力溫度快速下降。這能有效地“凍結(jié)”或停止所有的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)氣體快速冷卻時，可以有效地收集所需的最終產(chǎn)物而無需達(dá)到平衡條件。由于產(chǎn)生的相轉(zhuǎn)變(氣體-固體)或冷卻到較低的平衡狀態(tài)(氣體-氣體)的穩(wěn)定化，所以然后就可收集在高溫下的等離子體中產(chǎn)生的但在較低溫度下是熱力學(xué)不穩(wěn)定或無法得到的最終產(chǎn)物。
噴嘴18的會聚部分即上游部分限制著氣體的通過，并控制著熱氣流在反應(yīng)器室16中的停留時間，使反應(yīng)器的內(nèi)含物達(dá)到熱力學(xué)平衡。當(dāng)通過噴嘴18的會聚部分時，發(fā)生在氣流橫截面尺寸上的收縮將氣體分子在無規(guī)方向上的運動(包括旋轉(zhuǎn)運動和振動運動)改為與反應(yīng)器室軸平行的直線運動。對反應(yīng)器室16的尺寸和引入的氣體流速加以選擇，可以在有限的噴嘴咽喉內(nèi)達(dá)到音速。
當(dāng)受限的氣流進(jìn)入噴嘴18的擴(kuò)張部分即下游部分時，由于沿噴嘴出口圓錐形壁的體積逐漸增加，使其壓力超速地下降。所產(chǎn)生的壓力變化立刻降低了氣流的溫度達(dá)到新的平衡條件。
通過適當(dāng)?shù)剡x擇噴嘴的尺寸，反應(yīng)器室16可以在大氣壓下或在加壓條件下操作，而處于噴嘴18后面的冷卻部分20通過泵的作用保持在真空壓力下。當(dāng)氣流通過噴嘴18時壓力的突然變化會立刻使氣流處于較低的平衡條件下，并防止在時間拖長的冷卻條件下可能會發(fā)生的不想要的逆反應(yīng)。
噴嘴18的會聚部分24，其目的是將熱氣體快速壓縮進(jìn)入受限的噴嘴咽喉26中，使通過壁的熱損失最小，同時保持層狀流動和最小的湍流。這要求噴嘴直徑的長寬比變化大，以保持平穩(wěn)地過渡到第一陡峭角度(＞45°)，然后再過渡到較小的角度(＜45°)，進(jìn)入噴嘴咽喉。
噴嘴咽喉26的目的是壓縮氣體，在流動的熱氣流中達(dá)到音速。這個過程將熱氣體的無規(guī)能量轉(zhuǎn)變成氣流軸向方向上的平動能量(速度)。這樣就能有效地降低氣體的動力溫度并幾乎立刻進(jìn)一步限制化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)器室16和噴嘴18的擴(kuò)張部分28下游之間的壓力差控制著噴嘴咽喉和噴嘴下游擴(kuò)張部分中達(dá)到的速度。為此目的可以在下游施加負(fù)壓或在上游施加正壓。
噴嘴18的擴(kuò)張部分28的目的是平穩(wěn)地膨脹并加速離開噴嘴的氣體從音速達(dá)到超音速，這能進(jìn)一步降低氣體的動力溫度。
在實踐中術(shù)語“平穩(wěn)加速”要求使用小于35°的較小擴(kuò)張角來膨脹氣體，而不會產(chǎn)生與會聚壁分離和誘發(fā)湍流的有害結(jié)果。膨脹氣體與擴(kuò)張壁的分離會使在壁和離開噴嘴咽喉的氣體射流之間某些部分的氣體發(fā)生返流。這種返流又會導(dǎo)致膨脹氣體的局部再熱和不好的降解反應(yīng)，從而使所需最終產(chǎn)物的產(chǎn)率降低。
在裝置中包括縮-擴(kuò)噴嘴的本發(fā)明實施方案中觀察到的超速驟冷現(xiàn)象經(jīng)下述過程達(dá)到，通過縮-擴(kuò)噴嘴的改進(jìn)的絕熱和等熵的膨脹，使氣體的熱能快速轉(zhuǎn)變成動能。關(guān)于噴嘴物理作用的詳細(xì)說明可參見Detering的專利。
環(huán)境溫度下的另一種反應(yīng)物如氫氣可以切向地注入噴嘴18的擴(kuò)張部分中，以完成反應(yīng)或防止氣體冷卻時的逆反應(yīng)。
冷卻部分20同軸地位于噴嘴18的后面，它用于進(jìn)一步冷卻氣流和對反應(yīng)進(jìn)行猝滅。反應(yīng)器室16、噴嘴18和同軸冷卻部分20的壁都用冷卻水流冷卻。
反應(yīng)的最終產(chǎn)物可以在旋風(fēng)分離器(未圖示)中收集。下游的液體阱如液氮阱可在氣流進(jìn)入真空泵之前用來冷凝收集氣流中的反應(yīng)產(chǎn)物如氯化氫和超細(xì)粉末。
現(xiàn)在試看圖2，本發(fā)明另一個實施方案的裝置50一般具有火炬/注射部分52、注射器部分54、絕緣反應(yīng)器室56和冷卻部分58。應(yīng)明白的是，大部分部件如上面裝置10所述的一樣。
對獲得本發(fā)明此實施方案的積極效果來說，發(fā)現(xiàn)上面所述的各種改進(jìn)使噴嘴18是不必要的。因此，沒有了噴嘴組件，代替的是與后面管道具有相同內(nèi)徑的冷卻直管部分。盡管圖中未示，但需要避免固體物料阻塞時，本發(fā)明也可以使用與縮-擴(kuò)噴嘴18的會聚部分24相類似的會聚部分來代替噴嘴組件18。若沒有此要求，則從反應(yīng)器室56到冷卻部分58的突然過渡還是合適的。
本發(fā)明此實施方案還有的一個特征是有個陽極注射器64作為火炬/注射部分52的一部分。將陽極注射器64放置在較為靠近等離子弧的地方，就可以減少熱損失，因而混合效率就較高。然而，此實施方案還說明了也可以在火炬/注射部分后面有一個或多個注射器孔60，提供與注射通道62相連的分開的反應(yīng)物注射孔。
本發(fā)明此實施方案的反應(yīng)器室56，在其內(nèi)表面上有絕緣襯里66。
現(xiàn)在試看圖3，本發(fā)明的另一個實施方案的裝置100一般包括火炬/注射部分102、絕緣反應(yīng)器室104和冷卻部分106。此實施方案具體取消了上述實施方案中使用的注射器部分。應(yīng)明白的是，大部分組件仍如裝置10所述的一樣。
裝置100包括陽極注射器110，但沒有其后面的注射器。這樣，陽極注射器110就靠近等離子弧，它具有能在進(jìn)入反應(yīng)室之前提供徹底混合的空間，并且它還較為靠近反應(yīng)室，以免過分冷卻。然而，可以看出火炬部分102仍包括直徑減小的注射通道112，以產(chǎn)生湍流從而確保反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)器室104之前與等離子體徹底混合。
正是由于在反應(yīng)器室104內(nèi)壁上有絕緣層108，有注射通道112并且妥當(dāng)?shù)貙㈥枠O注射器110放置在較為靠近等離子弧的地方，裝置100就能以高的效率達(dá)到所需的反應(yīng)，即使沒有縮-擴(kuò)噴嘴。
盡管本文所披露的內(nèi)容主要集中在從甲烷制造乙炔，但本領(lǐng)域的技術(shù)熟練者應(yīng)當(dāng)明白，也可以采用本發(fā)明的方法和裝置來制備其它的材料。這些材料包括(僅作為例子)鈦、釩、鋁和鈦/釩合金。
給出下面的一些實施例說明本發(fā)明，但它們并不限制本發(fā)明的范圍。
實施例在試驗過程中，除了氣相色譜法(GC)外，下述實施例中使用的所有儀器都直接連接到連續(xù)記錄體系參數(shù)的數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)上。一旦達(dá)到指定的過程功率、壓力和氣體流量后，采用氣相色譜法連續(xù)地對氣流進(jìn)行取樣7分鐘的時間，以便確保獲得代表性的樣品，然后正式取樣進(jìn)行氣相色譜分析。這個7分鐘的取樣時間大致上是完全清洗樣品管道所需時間的三倍。用機(jī)械真空泵和流動控制閥控制驟冷噴嘴后面的壓力。試驗壓力可以獨立地調(diào)節(jié)為大氣壓力至約100乇之間，視試驗條件而異。過了1分鐘或更短的時間，試驗達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。用連續(xù)讀數(shù)的剩余氣體分析器(RGA)確定穩(wěn)定操作狀態(tài)的到達(dá)。對所有的冷卻水流量以及入口和出口溫度加以監(jiān)控記錄，以便計算整個體系的能量衡算。
所用的等離子氣體是Ar和H2的混合物；在受限通道的橫向噴射注射器的后面注入甲烷或天然氣。所用的DC等離子炬若使用純氫氣，就無法長時間操作而不產(chǎn)生嚴(yán)重的陽極腐蝕，所以使用至少含某些量Ar的等離子氣體來獲得所有的試驗數(shù)據(jù)。使用惰性的不參與過程化學(xué)反應(yīng)的Ar，其優(yōu)點是它能提供體系內(nèi)的參照物，用來確認(rèn)整個過程的物料衡算。通過形成揮發(fā)性碳化鎢發(fā)生的鎢陰極嚴(yán)重腐蝕，就避免了甲烷在放電過程中的直接處理。試驗的兩個最關(guān)鍵方面是產(chǎn)物流的化學(xué)分析和整個物料衡算。
進(jìn)行了兩組實施例試驗系列，這兩組之間的主要區(qū)別是用或不用縮-擴(kuò)驟冷噴嘴。當(dāng)安裝驟冷噴嘴時，下游閥是打開的，真空泵的容量確定了下游壓力。這種類型試驗的下游壓力通常為100-200乇。在這種結(jié)構(gòu)中，流動在縮-擴(kuò)噴嘴咽喉的位置受到限制，反應(yīng)器的壓力決定于噴嘴咽喉直徑、反應(yīng)器溫度以及等離子體氣體和反應(yīng)物氣體的質(zhì)量流量。在這些條件下，在上游與下游的壓力比為4-6時，反應(yīng)器壓力通常為600-800乇。相應(yīng)的馬赫數(shù)為1.6-1.8。假設(shè)反應(yīng)器溫度為2000℃，氣動驟冷會將溫度快速降至1100-1300℃。視氣體混合物的種類和流量情況，測得的等離子炬的熱效率為80-90％。對等離子炬的功率加以調(diào)節(jié)，達(dá)到進(jìn)入等離子氣體中恒定的60kW。由于等離子炬電壓主要是由氬氣與氫氣之比決定的，所以通過調(diào)節(jié)電流就可以調(diào)節(jié)功率，以獲得進(jìn)入等離子體所需的60kW。注射器環(huán)、反應(yīng)器部分和噴嘴組件的能量衡算表明，在這些部件中損失大約14.6kW的功率給冷卻水。這些能量損失的分布列于下表1中表1

結(jié)果是，大約有45kW的功率可用于天然氣向乙炔的轉(zhuǎn)變。對體系再行仔細(xì)沒計，包括在火炬體內(nèi)放置注射器功能的部件并使反應(yīng)器的長度最佳化(縮短)，這些損失可能減少70％或更多。圖4是一張在標(biāo)稱操作條件下在目前的結(jié)構(gòu)中可以轉(zhuǎn)變成乙炔的甲烷的理論最大量的圖。標(biāo)稱操作條件定義為對于等離子炬氣體是160標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(slm)Ar，100slm H2，進(jìn)入等離子體的功率為60kW。反應(yīng)器的目標(biāo)溫度為2000℃。在此標(biāo)稱條件下，可以轉(zhuǎn)變成乙炔的甲烷的最大理論量約為145slm。
純甲烷注射時，轉(zhuǎn)化效率定義為|CE=1-[CH4]Q·STPQ·CH4=1-yCH4]]>其中[CH4]是由GC獲得的產(chǎn)物流中甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)，QCH4是甲烷的注射流量。
乙炔的產(chǎn)率(對于純的甲烷注射)定義為
yC2H2=2[C2H2]Q·STPQ·CH4]]>其中[C2H2]是由GC測得的產(chǎn)物流中乙炔的摩爾分?jǐn)?shù)，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)條件(1大氣壓和0℃)的實際測得的氣體流量是QSTP。
實施例1在此實施例中，給出的是在縮-擴(kuò)噴嘴存在下進(jìn)行試驗的結(jié)果。轉(zhuǎn)化效率隨甲烷注射流量變化的情況示于圖5中。在獲得此組數(shù)據(jù)的過程中，進(jìn)入等離子體中的功率保持為恒定的60kW，等離子氣體的流量恒定為160slm的Ar和100slm的H2。測得的反應(yīng)器壓力較為恒定，視甲烷的注射流量情況，該壓力在約670-730乇之間變化。甲烷的轉(zhuǎn)變基本上完全，即在甲烷的進(jìn)料流量高達(dá)約100slm時，轉(zhuǎn)化效率為100％。在進(jìn)料流量高于100slm時，轉(zhuǎn)化效率開始下降，在進(jìn)料流量約為120slm時，轉(zhuǎn)化效率降至低于約95％。估算的反應(yīng)器中的整體氣體溫度和在反應(yīng)器中相應(yīng)的停留時間繪于圖6中。這種估算是從測得的體系能量衡算，等離子氣體和甲烷的流量，并假定乙炔產(chǎn)率為100％情況下獲得的。在甲烷流量約為145slm時所達(dá)到的目標(biāo)溫度約為2000℃。對于甲烷的注射流量小于145slm的情況，估算的反應(yīng)器溫度高于2000℃。若反應(yīng)器的溫度不均勻(事實并非如此)，并且若過程按圖4所示圖中的平衡圖進(jìn)行，則預(yù)計在溫度比2000℃低得多(甲烷進(jìn)料流量大于約145slm)時，轉(zhuǎn)化效率將開始下降。
這種情況的另一種圖示在圖4中，其中將理論上可能的對甲烷轉(zhuǎn)化的最大量描繪成與可用能量(功率)的關(guān)系。對于進(jìn)入等離子氣體的60kW減去15kW左右在注射器、反應(yīng)器和噴嘴組件中的損失，凈量約為45kW的標(biāo)稱操作條件，可以轉(zhuǎn)化的甲烷的最大量約為145slm。對于注射流量超過145slm，可用的能量不足以使注入的甲烷分解并以100％的效率轉(zhuǎn)變成乙炔，結(jié)果使產(chǎn)物流的溫度為2000℃。在注射環(huán)和反應(yīng)器中存在不可避免的冷邊界層，也會使某些量的氣體通過反應(yīng)器而不分解。在較低的流量和相應(yīng)較高的溫度時，甲烷幾乎完全轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到100％。在120slm(該值略低于145slm的預(yù)期值)時，觀察到轉(zhuǎn)化效率下降。這可能是由于存在冷邊界層流動，或由于分解時的停留時間不夠造成的。觀察圖6中的停留時間曲線，可見反應(yīng)器中的停留時間較為恒定，并且與甲烷注射流量無關(guān)。質(zhì)量流量和預(yù)期的速度隨甲烷注射流量增加的增大由于也隨著甲烷注射流量提高而發(fā)生的氣體混合物冷卻所抵銷。
用與下游管道的內(nèi)徑相匹配的直徑截面恒定的直管代替縮-擴(kuò)噴嘴，來評價停留時間對轉(zhuǎn)化效率可能的影響。拆去了縮-擴(kuò)噴嘴，可以控制反應(yīng)器的壓力，而與流量無關(guān)。而安裝了縮-擴(kuò)噴嘴時，在噴嘴咽喉處流動受到限制(達(dá)到音速)。在這種條件下，反應(yīng)器壓力與下游壓力無關(guān)，它僅由質(zhì)量流量和溫度確定。拆去了縮-擴(kuò)噴嘴時，反應(yīng)器壓力由下游閥的位置控制。降低反應(yīng)器壓力就提高了反應(yīng)器中的速度并縮短了停留時間。對于此系列的試驗，壓力在300-700乇之間變化，反應(yīng)器中的停留時間縮短到2.3分之一，即從約3.25ms縮短到1.4ms。如圖7所示，在較低壓力下，觀察到轉(zhuǎn)化效率有略微的降低，降低約2個百分點。盡管這表明對停留時間有輕微的依賴性，但這不足以說明圖5中看到的轉(zhuǎn)化效率的下降。這表明冷邊界層的存在實際上對所看到的轉(zhuǎn)化效率下降起主要的作用。在反應(yīng)器中的停留時間應(yīng)足以使甲烷分解，并如下文所述，也應(yīng)足以形成乙炔。
乙炔的產(chǎn)率隨甲烷注射流量變化的情況示于圖8中。觀察到的產(chǎn)率數(shù)據(jù)的變化趨勢與圖5所示的轉(zhuǎn)化效率的變化趨勢類似。甲烷注射流量小于約100slm時，乙炔產(chǎn)率約為95％。甲烷注射流量進(jìn)一步提高會導(dǎo)致產(chǎn)率下降。當(dāng)注射流量為145slm(即可以使轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)率接近100％時進(jìn)行處理的理論最大進(jìn)料流量)時，實際測得的產(chǎn)率降至75％。在圖9中，對測得的產(chǎn)率進(jìn)行歸一化來說明測得的轉(zhuǎn)化效率的下降。
這種歸一化是簡單的。
此歸一化的產(chǎn)率是轉(zhuǎn)變成乙炔的選擇性的度量。如圖9所示，這種歸一化說明了所觀測到的乙炔產(chǎn)率下降的主要部分。提高轉(zhuǎn)化效率會使產(chǎn)率曲線明顯變平。這說明，通過改進(jìn)熱設(shè)計而使冷邊界層減至最薄會導(dǎo)致體系整體性能上的改進(jìn)，并且乙炔的固有產(chǎn)率在很寬的反應(yīng)物流量(反應(yīng)器溫度)范圍內(nèi)都提高。
測得的產(chǎn)率下降不能用來說明轉(zhuǎn)化效率的降低，這是由于形成了其它含碳的物質(zhì)。這些物質(zhì)包括其它的烴和炱。圖10和11中是所觀測到的其它烴的碳基產(chǎn)率隨甲烷注射流量而變化的圖。給出的產(chǎn)率表示成隨甲烷引入體系的碳的百分?jǐn)?shù)。除了圖11坐標(biāo)尺度不同并且不存在甲烷外，這兩個圖是一樣的。在圖10中，在甲烷產(chǎn)率提高的過程中，明顯地看到轉(zhuǎn)化效率隨甲烷注射流量的提高而下降。圖11是以放大的尺度描繪的同樣數(shù)據(jù)。所看到的歸一化產(chǎn)率下降是由于其它含碳物質(zhì)的產(chǎn)率提高。在該圖上表示的物質(zhì)僅僅是那些氣相色譜能觀察到的物質(zhì)。足夠有趣的是，在烯烴+C6和較重(C5＝/C6+)烴類的產(chǎn)率開始提高后，在甲烷注射流量較高時相對量略有下降。隨后采用GCMS分析這些較重的烴類，確定其幾乎全部都是苯。所看到的其它含碳物質(zhì)即乙烯、丙二烯和t-2-丁烯隨甲烷注射流量的提高而穩(wěn)定地增加。將Ar與H2之比減小二分之一后，檢測轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率和其它烴類的產(chǎn)率對Ar與H2之比相對量的依賴性。結(jié)果對產(chǎn)物流的轉(zhuǎn)化效率或組成沒有明顯的影響。因為產(chǎn)物流的特征總是富含H2，所以存在的Ar似乎對動力學(xué)很少或沒有影響，并且不會改變產(chǎn)物流的平衡。
除了使用甲烷作為反應(yīng)物氣體進(jìn)行試驗外，還使用了管道天然氣進(jìn)行了有限的試驗。所觀測到的轉(zhuǎn)化效率、乙炔產(chǎn)率和其它烴的產(chǎn)率與先前使用純甲烷作為原料時的結(jié)果相同。對天然氣和產(chǎn)物流的分析結(jié)果列于表2中。
除了有基本上是惰性的N2和CO2轉(zhuǎn)變成CO外，結(jié)果實際上與純甲烷試驗中的相同。在富含碳的體系中，在大約1000℃的較中等溫度時，CO-CO2的平衡趨向于CO。
表2.以摩爾百分?jǐn)?shù)表示的天然氣反應(yīng)物和產(chǎn)物流的氣相色譜分析，60kW等離子功率，140slm的Ar，100slm的H2和98.5slm的天然氣

實施例2在此實施例中給出的是不使用縮-擴(kuò)噴嘴時的試驗結(jié)果。所得出的此方法的產(chǎn)率轉(zhuǎn)化效率(～100％對70％)和選擇性(95％對51％)似乎略微優(yōu)于原來的Huels法。這可能是由于混合較好、溫度均勻或驟冷更快的緣故。Huels產(chǎn)物流的分析以及實驗室規(guī)模的結(jié)果總結(jié)于表2中。
為了評價快速氣動驟冷的效果，進(jìn)行了與實施例1所述相同的一系列試驗，但不使用縮-擴(kuò)噴嘴。在這些試驗中，體系壓力保持在700-900乇，與實施例1系列試驗中的反應(yīng)器壓力大致上相同。轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)率和歸一化產(chǎn)率的結(jié)果總結(jié)于圖12-14中。其它烴的產(chǎn)率總結(jié)于圖15中。
在沒有縮-擴(kuò)噴嘴和超聲波氣動驟冷情況下獲得的產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化效率結(jié)果，事實上與存在噴嘴時獲得的先前結(jié)果相同。當(dāng)存在噴嘴時，在較高的甲烷注射流量時在產(chǎn)率上似乎有某些較小的改進(jìn)，但偏差在不可確定性的估算范圍內(nèi)，并且誤差范圍明顯重疊。如圖15所示，對其它烴產(chǎn)率的檢測結(jié)果表明，在不用噴嘴和用噴嘴(圖11)所得的結(jié)果之間，乙烯的產(chǎn)率存在統(tǒng)計學(xué)上明顯的差別。顯然，由噴嘴提供的高的驟冷速度具有抑制乙烯形成的效果，將乙烯的產(chǎn)率削減約30％。乙烯形成的精確機(jī)理至今仍然不清楚；然而，CH2自由基的動力學(xué)和數(shù)目可能起著重要的作用。
在不用縮-擴(kuò)噴嘴的情況下，反應(yīng)器壓力可以用閥獨立控制。這種結(jié)構(gòu)能夠研究壓力對產(chǎn)率的影響。如圖7所示，先前已經(jīng)證實了壓力和停留時間對轉(zhuǎn)化效率僅有很小的影響。將測得的乙炔產(chǎn)率隨反應(yīng)器壓力變化的情況描繪于圖16中。進(jìn)入氣體的功率恒定在60kW，流量保持在160slm的Ar、100slm的H2和98.5slm的CH4。乙炔產(chǎn)率似乎隨壓力提高略有下降，但這個效果并不大。如圖17所示，在乙炔產(chǎn)率下降的同時，苯的產(chǎn)率也略有下降，而乙烯的產(chǎn)率提高。通常，在300-700乇范圍內(nèi)的壓力變化不會有很大的影響。
表2.以摩爾百分?jǐn)?shù)表示的產(chǎn)物流分析

*也包含33.3摩爾％的氬氣實施例3在下表3-5中給出一個試驗的全面數(shù)據(jù)。此試驗在沒有縮-擴(kuò)噴嘴的情況下進(jìn)行。表3列出了流量、功率、測得的火炬熱效率、噴嘴幾何形狀以及反應(yīng)器和出口的壓力的總結(jié)情況。
表3

表4列出了此試驗中乙炔和氫氣的產(chǎn)率、體積流量、能量消耗率(SER)和相對產(chǎn)率?？v列和橫列的標(biāo)題通常已足以說明所包括的數(shù)據(jù)。具體來說，標(biāo)為產(chǎn)率％的縱列Qt meas.提供的是得自甲烷原料的乙炔和氫氣的產(chǎn)率以及測得的轉(zhuǎn)化效率。乙炔產(chǎn)率是生成乙炔的甲烷原料中碳的百分?jǐn)?shù)，氫氣產(chǎn)率是生成元素氫的甲烷原料中氫的百分?jǐn)?shù)。Qt代表基于下游渦輪流量計的測量結(jié)果。標(biāo)為產(chǎn)率％的縱列Qt At std.提供的是得自甲烷原料的乙炔和氫氣的產(chǎn)率以及測得的轉(zhuǎn)化效率。Q Ar std代表基于氬氣輸入流量和氣相色譜數(shù)據(jù)的測量結(jié)果。
標(biāo)為體積流量(slm)的縱列提供的是從甲烷原料產(chǎn)生的乙炔和氫氣的體積流量。Qt代表基于下游渦輪流量計的測量結(jié)果。Q Ar std代表基于氬氣輸入流量和氣相色譜數(shù)據(jù)的測量結(jié)果。
接下來的四個縱列提供的是能量消耗率。Qt代表基于下游渦輪流量計的測量結(jié)果。Q Ar std代表基于氬氣輸入流量和氣相色譜數(shù)據(jù)的測量結(jié)果。
標(biāo)為R產(chǎn)率的縱列提供的是相對產(chǎn)率。該產(chǎn)率數(shù)字已對轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行了歸一化。
表4

表5列出了本試驗中各種物質(zhì)的流量和物料衡算數(shù)據(jù)。對本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，縱列和行列的標(biāo)題通常足以說明其中包括的數(shù)據(jù)。具體來說，標(biāo)為[conc％]的縱列提供的是用氣相色譜法測定的以摩爾百分?jǐn)?shù)表示的濃度。
表5由于其篇幅很大而分兩部分列出。
表5.部分A


表5.部分B


在此實施例1和2中所述的實驗室反應(yīng)器體系中測得的轉(zhuǎn)化效率和乙炔產(chǎn)率通常比文獻(xiàn)中報道的略微更好；證實轉(zhuǎn)化效率(CE)接近100％，產(chǎn)率在90-95％的范圍內(nèi)，所產(chǎn)生的炱為2-4％。這似乎比Huels法(CE＝70.5％，C2H2產(chǎn)率＝51.4％，碳炱2.7％)和DuPont法(CE-未報道，C2H2產(chǎn)率＝70％)有些改進(jìn)。在此報道的方法似乎對乙炔也具有略微更好的專一性。在轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)率和專一性上的改進(jìn)主要是由于注射器設(shè)計和混合(較好的“攪拌式”反應(yīng)器)上的改進(jìn)和使溫度梯度和冷邊界層降至最小的緣故。通過壁上熱傳遞所致的冷卻速度似乎足以猝滅產(chǎn)物流，防止乙炔進(jìn)一步分解成炱或防止進(jìn)一步反應(yīng)生成較重的烴產(chǎn)物。通過縮-擴(kuò)噴嘴快速膨脹產(chǎn)物流而明顯提高驟冷速度，僅在產(chǎn)物流的組成上勉強(qiáng)有所改進(jìn)，主要是降低了乙烯的產(chǎn)率。
單位數(shù)量(kg)產(chǎn)生的乙炔所消耗的能量(kW-hr)最終決定了該方法的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)報道Huels法消耗了12.1kW-hr/kg產(chǎn)生的C2H2。盡管沒有測量，但估計DuPont法的能量消耗率為8.8kW-hr/kg產(chǎn)生的C2H2。后一數(shù)值比在2000℃的溫度、轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)率為100％并且沒有電損失或熱損失時制得的產(chǎn)物流的理論最小值約7.9kW-hr/kg-C2H2較好。將在此研究的實驗室規(guī)模的方法中測得的能量消耗率描繪于圖18中。測得的最小能量消耗率約為16kW-hr/kg產(chǎn)生的C2H2。估計通過改進(jìn)熱設(shè)計可將此數(shù)值改進(jìn)到大約13kW-hr/kg-C2H2。這個改進(jìn)包括將注射移入火炬體中，就能避免注射器環(huán)中的熱損失并降低反應(yīng)器部分中的熱損失。過程熱量的回收可將能量消耗率再進(jìn)一步減少20％左右，達(dá)到大約10kW-hr/kg-C2H2的范圍。這些數(shù)值比Huels和DuPont法報道的能量消耗率較好，而同時轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)率也較高。
在不偏離其精髓或主要特征的情況下，本發(fā)明可以以其它具體的方式表現(xiàn)出來。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為所描述的實施方案在所有的方面僅是說明性的，而非限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書而非前面的描述所指明。在權(quán)利要求書等同內(nèi)容的含義和范圍內(nèi)作出的所有改變都包括在其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.將一種或多種反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成至少一種所需產(chǎn)物的方法，它包括將反應(yīng)物流與一熱氣體接觸，產(chǎn)生湍流狀態(tài)，從而將反應(yīng)物流與熱氣體基本上徹底地混合；讓基本上徹底混合的反應(yīng)物流軸向通過一軸向反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)，同時使該反應(yīng)區(qū)在其整個長度范圍保持基本上均勻的溫度，軸向反應(yīng)器的操作條件應(yīng)足以將反應(yīng)物流加熱到所選定的反應(yīng)溫度，使包括至少一種所需產(chǎn)物的物流在至少靠近軸向反應(yīng)器出口端的位置上產(chǎn)生。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中反應(yīng)物流包含甲烷，至少一種所需的產(chǎn)物包含乙炔。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中反應(yīng)物流包含甲烷或一氧化碳，至少一種所需的產(chǎn)物包含氫。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中反應(yīng)物流包含鈦化合物，至少一種所需的產(chǎn)物包含鈦或二氧化鈦。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中反應(yīng)區(qū)的溫度保持在約1500-4000℃。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中反應(yīng)區(qū)的溫度保持在約1700-2000℃。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中熱氣體包含等離子體，所述方法還包括在包括至少一對位于靠近軸向反應(yīng)區(qū)入口端的電極的等離子炬電極之間通入等離子弧氣流，同時使電極接受選定的等離子輸入功率，能在與反應(yīng)區(qū)相連的注射通道內(nèi)產(chǎn)生等離子體。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，它還包括將至少一種反應(yīng)物注入注射通道中，使反應(yīng)物流徹底地混入等離子體中，獲得徹底的混合，然后引入反應(yīng)區(qū)，此時保持反應(yīng)區(qū)在其整個長度范圍內(nèi)基本上均勻的溫度，使至少一種反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)內(nèi)達(dá)到平衡。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在包含至少一種所需產(chǎn)物的物流離開軸向反應(yīng)區(qū)的出口端后將其冷卻，其辦法是降低該物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高的速率除去熱能；將至少一種所需的產(chǎn)物與留在冷卻流中的氣體分離。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在包括所需產(chǎn)物和所殘留氣體的物流離開軸向反應(yīng)區(qū)時對其冷卻并降低其速度的方法是將驟冷氣體加到該物流中，其加入流量應(yīng)能冷凝至少一種所需的產(chǎn)物并在物流離開反應(yīng)區(qū)時抑制其它平衡產(chǎn)物的形成。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括讓包含在反應(yīng)區(qū)中產(chǎn)生的至少一種所需產(chǎn)物的物流通過位于接近軸向反應(yīng)器出口端的一個同軸縮-擴(kuò)噴嘴，對其快速冷卻。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括選擇噴嘴中的受限開口咽喉的尺寸，來控制在軸向反應(yīng)器中基本上徹底混合的反應(yīng)物流的停留時間和反應(yīng)壓力。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，它還包括使包含至少一種所需產(chǎn)物的物流的壓力超快地下降，其辦法是使該物流沿噴嘴的擴(kuò)張部分平穩(wěn)地加速并膨脹，從而進(jìn)一步降低其動力溫度并防止不需要的副反應(yīng)或逆反應(yīng)進(jìn)行。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在反應(yīng)物流反應(yīng)或熱分解之前對該反應(yīng)物流進(jìn)行選擇，使其包含選自四氯化鈦、四氯化釩、三氯化鋁、甲烷和天然氣中的至少一種反應(yīng)物。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中熱氣體包含等離子體，所述等離子體從包含惰性氣體、氫氣或其混合物的氣體產(chǎn)生；反應(yīng)物流包含選定金屬的氣態(tài)或揮發(fā)化合物操作軸向反應(yīng)器，包括形成一平衡混合物，所述混合物包含至少一種選定金屬或其氧化物或合金形式的所需產(chǎn)物，此選定金屬、金屬氧化物或金屬合金在所選定的反應(yīng)溫度下是熱力學(xué)穩(wěn)定的；所述方法還包括在包含至少一種所需產(chǎn)物的物流離開軸向反應(yīng)器的出口端時將其冷卻，其辦法是降低該物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高的速率除去熱能；將至少一種所需的產(chǎn)物與留在冷卻流中的氣體分離。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述選定金屬的氣態(tài)或揮發(fā)化合物是氣態(tài)和可揮發(fā)的鹵化物。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述選定的金屬是鈦、釩或鋁。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述選定金屬的化合物是四氯化鈦、四氯化釩或三氯化鋁。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述反應(yīng)物流還包含能在反應(yīng)溫度下反應(yīng)形成包含選定金屬的氧化物或合金的平衡混合物的至少另一種物質(zhì)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該方法形成鈦和第二種金屬的合金，所述反應(yīng)物流包含氯化鈦和該第二種金屬的氣態(tài)或可揮發(fā)化合物。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中第二種金屬是釩。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該方法形成選定金屬的金屬氧化物，所述反應(yīng)物流還包含氧氣。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該方法形成氧化鈦，所述反應(yīng)物流包含四氯化鈦和氧氣。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，其中熱氣體包含等離子體，所述等離子體從包含惰性氣體、氫氣或其混合物的氣體產(chǎn)生；所述反應(yīng)物流包含氣態(tài)或揮發(fā)的烴操作軸向反應(yīng)器，包括形成包含至少一種所需產(chǎn)物的平衡混合物，該平衡混合物在反應(yīng)溫度下是熱力學(xué)穩(wěn)定的；所述方法還包括在包含至少一種所需產(chǎn)物的物流離開反應(yīng)器的出口端時將其冷卻，其辦法是降低該物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高的速率除去熱能；將至少一種所需的最終產(chǎn)物與留在冷卻物流中的氣體分離。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中反應(yīng)物流包含天然氣或甲烷。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中至少一種所需產(chǎn)物包含乙炔。
27.一種用于將一種或多種反應(yīng)物熱轉(zhuǎn)變成至少一種所需產(chǎn)物的裝置，該裝置包括軸向反應(yīng)器，它包含入口端、出口端和在它們之間的反應(yīng)區(qū)，將軸向反應(yīng)器構(gòu)造成使反應(yīng)區(qū)在其整個長度范圍保持基本上均勻的溫度，其中軸向反應(yīng)器的操作條件足以將反應(yīng)物流加熱到所選定的反應(yīng)溫度，使包括至少一種所需產(chǎn)物的物流在至少靠近軸向反應(yīng)器出口端的位置上產(chǎn)生；火炬部分，將其構(gòu)造成能在軸向反應(yīng)器前面產(chǎn)生熱氣體；注射器部分，它的位置和構(gòu)造能將一種或多種反應(yīng)物送入熱氣體，產(chǎn)生流向軸向反應(yīng)器入口端的物流。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，它還包括縮-擴(kuò)噴嘴，該噴嘴與軸向反應(yīng)器的出口端相連，并構(gòu)造成能快速冷卻包含至少一種所需產(chǎn)物的物流，其辦法是在熱氣流軸向流過噴嘴時產(chǎn)生絕熱和等熵膨脹將熱能轉(zhuǎn)變成動能。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中縮-擴(kuò)噴嘴具有會聚部分和擴(kuò)張部分，該會聚部分通向受限開口咽喉，而該擴(kuò)張部分由受限開口咽喉延伸，該擴(kuò)張部分具有沿軸向反應(yīng)器的軸為中心的圓錐形構(gòu)造。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其中噴嘴擴(kuò)張部分的圓錐形構(gòu)造的夾角小于約35E。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其中縮-擴(kuò)噴嘴具有長寬比大的會聚部分，其構(gòu)造能快速將包含至少一種所需產(chǎn)物的物流加速進(jìn)入噴嘴咽喉，同時保持其層狀流動。
32.如權(quán)利要求28所述的裝置，它還包括縮-擴(kuò)噴嘴后面的冷卻部分。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中冷卻部分構(gòu)造成能降低包含至少一種所需產(chǎn)物的物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高并在其中保留至少一種所需產(chǎn)物的速率除去熱能。
34.如權(quán)利要求27所述的裝置，它還包括與軸向反應(yīng)器的出口端相連的冷卻部分。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中冷卻部分構(gòu)造成能降低包含至少一種所需產(chǎn)物的物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高并在其中保留所需產(chǎn)物的速率除去熱能。
36.如權(quán)利要求34所述的裝置，它還包括插在軸向反應(yīng)器出口端和冷卻部分之間的會聚部分。
37.如權(quán)利要求27所述的裝置，它還包括位于注射器部分或火炬部分中的多孔道注射器。
38.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中火炬部分包括陽極注射器。
39.如權(quán)利要求38所述的裝置，其中陽極注射器包含多孔道注射器。
40.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中熱氣體包含等離子體，火炬部分包括等離子炬，該等離子炬具有將等離子弧氣流引入等離子炬的等離子弧入口，從而在延伸至其出口端的軸向反應(yīng)器中產(chǎn)生等離子體。
41.如權(quán)利要求40所述的裝置，其中火炬部分包括等離子炬，該等離子炬包括至少一對位于反應(yīng)區(qū)入口端前面的電極。
42.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中等離子弧入口位于用于將等離子弧氣流以選定的等離子氣流量引入電極之間的電極的前面，同時對電極施加選定的等離子輸入功率。
43.如權(quán)利要求27所述的裝置，它還包括至少一個位于入口端前面的反應(yīng)物入口，用于在反應(yīng)物流進(jìn)入反應(yīng)區(qū)之前將其徹底地混入熱氣體中。
44.如權(quán)利要求43所述的反應(yīng)器，其中反應(yīng)物入口包括位于注射部分中的多孔道注射器和位于火炬部分中的陽極注射器中的至少一個。
45.如權(quán)利要求43所述的反應(yīng)器，其中反應(yīng)物入口包括靠近火炬部分中的等離子炬的多孔道注射器。
46.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中火炬部分包括一個或多個激光器或用于從合適燃料產(chǎn)生氧化火焰的結(jié)構(gòu)。
47.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中注射器部分包括直徑比反應(yīng)區(qū)直徑小的注射通道，注射通道完全位于火炬部分中、部分位于火炬部分中并部分位于火炬部分和軸向反應(yīng)器的入口端之間、或者位于火炬部分和軸向反應(yīng)器的入口端之間。
48.如權(quán)利要求27所述的裝置，它還包括包圍在軸向反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)周圍的絕緣層。
49.如權(quán)利要求48所述的裝置，其中絕緣層包含選自碳、氮化硼、氧化鋯、碳化硅和其組合的材料。
50.如權(quán)利要求48所述的裝置，它還包括包圍在絕緣層周圍的冷卻層。
51.如權(quán)利要求50所述的裝置，其中冷卻層包含一個水層。
52.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中縮-擴(kuò)噴嘴構(gòu)造成能使反應(yīng)區(qū)在大氣壓力或更高的壓力下操作，同時冷卻部分保持真空狀態(tài)。
全文摘要
一種用于將一種或多種反應(yīng)物熱轉(zhuǎn)變成所需最終產(chǎn)物的裝置，它包括絕緣的反應(yīng)器室，所述反應(yīng)器室具有在其入口端的高溫加熱器如等離子炬，裝置還可以包括在其出口端的受限縮－擴(kuò)噴嘴。在熱轉(zhuǎn)變法中，在反應(yīng)器室的前面注入反應(yīng)物，使其在進(jìn)入反應(yīng)器室之前與等離子流徹底地混合。反應(yīng)器室具有保持基本均勻溫度的反應(yīng)區(qū)。使所得的熱氣流通過噴嘴而快速冷卻，這就“凍結(jié)”了處于加熱平衡反應(yīng)階段的一種或多種最終產(chǎn)物，熱氣流或者在沒有縮－擴(kuò)噴嘴的情況下通過出口管道排出。然后從氣流中分離出所需的最終產(chǎn)物。
文檔編號B01J19/26GK1491740SQ0214693
公開日2004年4月28日 申請日期2002年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月25日
發(fā)明者J·R·芬克, B·A·德特林, J R 芬克, 德特林 申請人:柏克德Bwxt愛達(dá)荷有限責(zé)任公司