ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГАЗА В ЖИДКОЕ ТОПЛИВО Российский патент 2014 года по МПК B01J19/08 C07C27/10 C10G15/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к изготовлению топлива. В частности, настоящее изобретение относится к преобразованию газообразного углеводорода в жидкий углеводород.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Установлено, что в настоящее время в год сжигают впустую природный газ на сумму между 3 и 12 миллиардами долларов по причине невозможности его эффективной добычи, очистки и/или транспортирования. Несмотря на то что известны способы добычи, очистки и/или транспортирования природных газов, указанные способы являются сложными и не подходящими для использования в труднодоступных или расположенных в акватории на расстоянии от берега местах залежей природного газа.

[0003] Природный газ может быть преобразован в жидкое топливо различными известными способами. Например, такие способы включают способ Фишера-Тропша и способы, разработанные компанией Mobil, а также способы преобразования газа в жидкость (GTL) с использованием плазмы. Способ Фишера-Тропша и способы, разработанные компанией Mobil, содержат многоступенчатые этапы синтеза, на которых легкий углеводород (т.е. газообразный углеводород) первоначально преобразуется в сингаз при высоком давлении и высоких температурах до 1300 К (1026,85°С). Сингаз представляет собой смесь окиси углерода (СО) и водорода (Н₂). Сингаз обычно получают путем бескислородного сжигания газообразного углеводорода. Следующие реакции приведены в качестве иллюстрации примеров указанных известных способов:

СО+Н₂ → жидкие углеводороды (способ Фишера-Тропша);

СО+Н₂ → СН₃ОН и/или другие жидкие углеводороды (способ компании Mobil).

[0004] По причине экстремальных тепловых эксплуатационных условий установки для крекинга сингаза представляют собой громоздкие сооружения и являются дорогими в эксплуатации. Установки GTL, чтобы быть коммерчески оправданными, должны быть очень большими и сложными. Эксплуатационные энергозатраты, необходимые для сжатия и нагрева газа, являются очень высокими и составляют примерно 60-80% всех затрат на изготовление топлива такими способами. Кроме того, на всех этапах известных способов для преобразования используются в целом дорогие катализаторы, которые к тому же требуют частой замены.

[0005] Другой подход к преобразованию легких углеводородов в жидкое топливо состоит в использовании способа на основе нетепловой плазмы. В патенте США №7,033,551 (далее патент 551) описана система реактора, содержащая электрохимическую ячейку и использующая диэлектрический барьерный разряд, в которой формирование жидких продуктов происходит в основном путем олигомеризации радикалов газообразного углеводорода в нетепловой плазме барьерного разряда в газе. Нетепловая плазма обеспечивает исходную концентрацию свободных радикалов благодаря диссоциации легких молекул алкана под действием электронов с высокой энергией при низкой температуре газа (от примерно 100°С до примерно 600°С) и атмосферном давлении газа. Электрохимические ячейки в соединении с барьерным разрядом позволяют осуществить окисление избыточного водорода в плазме, неполное окисление и окислительную конденсацию основного газа. Конечный состав содержит смесь жидких углеводородов, из которых меньшая часть представляет собой спирты.

[0006] Способ, описанный в патенте США №7,033,551, осуществлен на основе способов диссоциации углеводородных молекул, которая происходит под действием "горячих" электронов в реакторе барьерного разряда согласно реакции (1):

$$e^{-}+RH\to R\cdot +H\cdot +e^{-}\left(1\right)$$

В реакции (1) RH - общая формула для углеводорода, и е - электрон. В указанных способах радикалы R· и Н· формируются при высоких энергиях активации (>400 кДж/моль). Подобные способы с аналогичной высокой энергией активации также могут быть облегчены путем использования способов облучения светом, согласно которым необходимую энергию активации обеспечивает источник (hv) ультрафиолетового (УФ) излучения, как описано в патенте 551:

$$hv+RH\to R\cdot +H\cdot \left(2\right)$$

Требование высокой энергии активации для реакций (1) и (2) вытекает из энергетического состояния неактивированной молекулы углеводорода, энергия которой соответствует очень низкому уровню по сравнению с энергетическим состоянием ее диссоциированных компонентов. Каждое событие разрыва связей (т.е. диссоциации) под действием электрона имеет место только при возбужденном состоянии электрона, при этом потребляется значительное количество энергии. Принимая во внимание энергию, освобожденную из преобразования высших углеводородов (реакция (3)) после указанных выше реакций диссоциации

$$2R\cdot \to R_2\left(3\right)$$ ,

энергозатраты, необходимые для осуществления указанного способа, обычно превышают 100 кВт·ч на 1 кг конечного продукта.

[0007] В патенте США №6,375,832 (далее патент 832) описан синтез жидких продуктов под действием барьерного разряда, при это использование катализатора является дополнительным. В способе синтеза, описанном в патенте 832, олигомеры углеводородных радикалов вырабатываются в результате диссоциации исходного газа и преобразования углеводородов из фрагментов свободных радикалов путем непосредственного соединения и окислительной конденсации:

$$C{H}_4\to C_2{H}_6\to C_4{H}_{10}\left(4\right)$$ .

Если СO₂ вводится в исходную смесь газов в качестве окислителя, то также происходит преобразование двуокиси углерода, которое способствует формированию жидких углеводородов. В результате разложения СО₂ также могут быть выработаны спирты. Такие способы могут быть описаны реакциями 5-7:

$$C{O}_2+e^{-}\to CO+O\cdot +e^{-}\left(5\right)$$ ,

$$RH+O\cdot \to R\cdot +OH\left(6\right)$$ ,

$$R\cdot +OH\cdot \to ROH\left(7\right)$$ .

[0008] Ограничивающими факторами для вышеуказанных способов, в которых используется плазма, являются: нецепной характер процессов преобразования в реакторе барьерного разряда и высокая энергия активации (>400 кДж/моль) основного процесса формирования радикалов. Следовательно, конкретные энергозатраты при изготовлении жидких продуктов обычно превышают 100 кВт·ч на 1 кг продукта. Другое значительное ограничение способов на основе использования плазмы барьерного разряда состоит в небольших величине электрического тока (10^-5-10^-3 А/см²) и плотности энерговыделения плазмы барьерного разряда (1-10 Вт/см³), которые снижают производительность реакторных систем. Кроме того, вышеуказанные способы на основе использования плазмы позволяют управлять только температурой исходного газа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен способ, согласно которому:

вводят газообразный углеводород в реактор, содержащий:

первые электроды, каждый из которых индивидуально соединен с импульсным высоковольтным источником энергии;

вторые электроды, которые являются заземленными; и

желоб;

причем первые электроды отделены от вторых электродов разрядной областью,

вводят в желоб жидкий сорбент,

генерируют нетепловой повторяющийся импульсный скользящий разряд в разрядной области, и

получают жидкий углеводородный состав.

Согласно одному варианту реализации уровень жидкого сорбента в реакторе поддерживается в непосредственной близости к разрядной области. Согласно некоторым вариантам реализации каждый из первых электродов соединен с импульсным высоковольтным источником энергии посредством конденсатора. Согласно некоторым вариантам реализации длительность одиночного импульса в реакторе на основе нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет меньше 100 нс. Согласно некоторым вариантам реализации напряженность электрического поля в реакторе на основе нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет меньше 8 кВ/см. Согласно некоторым вариантам реализации удельная энергия плазмы составляет от примерно 0,2 Дж/см³ до примерно 2,5 Дж/см³.

[0010] Согласно некоторым вариантам реализации газообразный углеводород представляет собой алкан C₁, C₂, С₃ или C₄. Согласно некоторым таким вариантам реализации газообразный углеводород представляет собой метан, этан, n-пропан, изопропан, n-бутан, изобутан, трет-бутан или смесь любых по меньшей мере двух указанных соединений.

[0011] Согласно некоторым вариантам реализации газообразный углеводород дополнительно содержит СO₂, воздух или кислород. Согласно некоторым вариантам реализации газообразный углеводород дополнительно содержит СO₂.

[0012] Согласно некоторым вариантам реализации реактор также содержит твердый катализатор. Согласно некоторым таким вариантам реализации твердый катализатор содержит оксид алюминия, алюмосиликат, алюмофосфат, Li, Na, К, Be, Мg, Са, Sr, Ва, Сu, Аg, Аu, Zn, Cd, Нg, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

[0013] Согласно некоторым вариантам реализации жидкий сорбент представляет собой бензин, легкое дизельное топливо, керосин, жидкий алкан или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

[0014] Согласно некоторым вариантам реализации время между отдельными разрядами составляет от примерно 10 мкс до 100 мкс, от примерно 10 мкс до 80 мкс, от примерно 20 мкс до 50 мкс или примерно 35 мкс. Согласно некоторым вариантам реализации длительность одиночного разряда составляет величину порядка примерно 10 нс.

[0015] Согласно некоторым вариантам реализации жидкий углеводородный состав содержит насыщенные углеводороды, а удельная энергия нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет примерно от 0,5 Дж/см³ до примерно 2 Дж/см³ на импульс. Согласно некоторым вариантам реализации жидкий углеводородный состав содержит олефины, а удельная энергия нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет примерно 2 Дж/см³ на импульс. Согласно некоторым таким вариантам реализации реактор содержит твердый катализатор, содержащий цеолит, оксид элементов групп IIВ, IVB, VB или группы VIB, элемент группы VIIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

[0016] Согласно некоторым вариантам реализации жидкий углеводородный состав содержит нефтяные масла, а удельная энергия разряда в газе составляет от примерно 2 Дж/см³ до примерно 2,5 Дж/см³ на один импульс разряда. Согласно некоторым таким вариантам реализации реактор содержит твердый катализатор, содержащий катион, оксид металла или комплексное соединение элементов групп IIА, IIIА, IVB, VB или VIIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

[0017] Согласно некоторым вариантам реализации газообразный углеводород дополнительно содержит О₂, и концентрация O₂ является ниже предела воспламенения.

[0018] Согласно некоторым вариантам реализации реактор содержит твердый катализатор, содержащий окиси элементов групп IIА, IVA, IIB, IVB и элементы группы VIIIB.

[0019] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложенное устройство содержит реактор, действующий на основе нетеплового повторяющегося импульсного скользящего разряда, содержащий:

высоковольтный источник энергии, выполненный с возможностью генерирования импульсного высоковольтного потенциала;

входное отверстие для газа;

входное отверстие для жидкого сорбента;

выходное отверстие для продукта;

первые электроды, каждый из которых индивидуально соединен с высоковольтным источником энергии;

вторые электроды, которые являются заземленными; и

желоб;

причем первые электроды отделены от вторых электродов разрядной областью.

Согласно некоторым вариантам реализации каждый из первых электродов соединен с импульсным высоковольтным источником энергии посредством конденсатора.

[0020] Согласно некоторым вариантам реализации желоб содержит твердый катализатор. Согласно некоторым таким вариантам реализации твердый катализатор содержит оксид алюминия; алюмосиликат, алюмофосфат; цеолит; окись металла; катион; оксид элемента групп IIВ, IVB, VB или группы VIB; элемент группы VIIIB; комплексное соединение элементов групп IIА, IIIA, IVB, VB или VIIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

[0021] Согласно некоторым вариантам реализации высоковольтный генератор импульсов выполнен с возможностью подачи одиночного импульса длительностью меньше 100 нс. Согласно некоторым вариантам реализации реактор выполнен с возможностью обеспечения электрического поля напряженностью меньше 8 кВ/см. Согласно некоторым вариантам реализации реактор выполнен с возможностью формирования разряда, имеющего удельную энергию от примерно 0,1 Дж/см³ до примерно 5 Дж/см³.

[0022] Согласно некоторым вариантам реализации первые электроды и вторые электроды установлены на корпусе реактора. Согласно некоторым вариантам реализации первые электроды и вторые электроды расположены кольцеобразно и установлены на корпусе реактора.

[0023] Согласно некоторым вариантам реализации в корпусе реактора, имеющего кольцевую или многоугольную конструкцию, сформирован кольцевой желоб. Согласно некоторым вариантам реализации желоб содержит политетрафторэтилен. Согласно некоторым вариантам реализации корпус реактора дополнительно содержит по меньшей мере один радиальный канал, соединяющий желоб с центральной областью корпуса реактора.

[0024] Согласно некоторым вариантам реализации реактор также содержит резервуар для жидкого сорбента. Согласно некоторым вариантам реализации реактор также содержит приемник.

[0025] Согласно некоторым вариантам реализации первые и вторые электроды содержат железо, хром, никель, золото, серебро, медь, платину, иттрий, иридий, палладий, рений, рутений, молибден, вольфрам, титан, ванадий, их сплавы, их оксиды, графит или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0026] На фиг.1 показана структурная схема плазменной реакторной системы и способа преобразования газа в жидкость согласно различным вариантам реализации.

[0027] На фиг.2 схематически показан разрез электродов и плазмы разряда в плазменной камере реактора согласно одному варианту реализации.

[0028] На фиг.3 схематически показан разрез электродов и плазмы разряда, перпендикулярный показанному на фиг.2, согласно одному варианту реализации.

[0029] На фиг.4 показана открытая реакционная камера с кольцевым расположением электродов согласно одному варианту реализации.

[0030] На фиг.5 показана схема резервуара и потоки жидкости согласно различным вариантам реализации.

[0031] На фиг.6 показан перспективный вид реактора, действующего на основе разряда в газе, согласно различным вариантам реализации.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0032] В следующем ниже подробном описании сделана ссылка на сопроводительные чертежи, которые являются частью настоящего описания. На чертежах подобные символы обычно обозначают подобные компоненты, если из контекста не следует иное. Иллюстративные варианты реализации, раскрытые в подробном описании, чертежах и пунктах приложенной формулы, не предназначены для ограничения. Могут быть использованы другие варианты реализации и могут быть сделаны другие изменения без отступления от идеи или объема настоящего изобретения. Предложенные способы также иллюстрируются примерами, описанными ниже, которые в любом случае не должны рассматриваться в качестве ограничения.

[0033] Ниже описаны устройство и способ изготовления жидкого топлива из природных газов с использованием нетеплового импульсного скользящего электрического разряда. Жидкое топливо формируется из природных газов путем использования колебательного и вращательного возбуждения молекул газа, как, например, сформулировано в реакциях 8-10:

$$e^{-}+RH\to R{H}^{\ast }+e^{-}\left(8\right)$$

$$R{H}^{\ast }+H\cdot \to {\left(R\cdot \right)}^{\ast }+H_2\left(9\right)$$

$${\left(R\cdot \right)}^{\ast }+R{H}^{\ast }\to R_2+H\cdot \left(10\right)$$

Стимулирование газов до колебательно- и вращательно-возбужденных уровней требует намного меньшей энергии активации, чем требуется для диссоциации газов, как сформулировано в реакциях 1-3 и 5-7. Использованные ниже символы обозначают следующее: е - электрон; RH - углеводородный фрагмент; "•" указывает свободнорадикальные частицы; и "*" указывает колебательно- или вращательно-возбужденное состояние. Следует отметить, что при инициировании реакций RH относится к углеводородному фрагменту природного газа С₁-С₄ или первоначально сформированным малым соединениям R₂, однако в начале формирования цепочки RH также может относится к последовательно большим углеводородным фрагментам, которые остаются в плазме и таким образом продолжают оставаться вращательно и колебательно возбужденным и формировать еще большие углеводородные фрагменты. Реакция 11 обрыва цепи и водородная реакция 12 восстановления являются дополнительными реакциями в общей схеме формирования углеводородного топлива:

$${\left(R\cdot \right)}^{\ast }+R{H}^{\ast }\to R_2+H^{\ast }\left(11\right)$$

$$2H^{\ast }\to H_2\left(12\right)$$

Согласно некоторым из вариантов реализации предложенный способ также может содержать реакцию диссоциации, такую как проиллюстрированная реакцией 1, в которой энергия системы изменяется до уровня, при котором могут произойти реакции диссоциации. Однако указанные реакции диссоциации обеспечивают незначительный вклад в общую последовательность реакций.

[0034] Способ, проиллюстрированный реакциями 8-11, запускает механизм цепной реакции, которая приводит к формированию R₂. Указанный механизм цепной реакции отличается от механизмов молекулярной диссоциации-преобразования, проиллюстрированных реакциями 1 и 3, происходящими в плазме барьерного разряда. Кроме того, реакции 8-11 происходят при уменьшенной энергии активации по сравнению с диссоциацией газа в барьерном разряде. Энергия активации, необходимая для описанного ниже механизма цепной реакции, меньше по сравнению со способом диссоциации газа в барьерном разряде в несколько раз или даже на несколько порядков, в зависимости от конкретных реагирующих веществ. Предложенные механизмы цепной реакции также предусматривают постоянное количество свободных радикалов, присутствующее в плазме в течение всего периода действия разряда на газ.

[0035] Параметры, необходимые для устройств, вырабатывающих нетепловой импульсный скользящий разряд, описанный ниже, значительно отличаются от параметров, необходимых для описанных выше систем барьерного разряда. Например, напряженность электрического поля, необходимая для нетеплового импульсного скользящего разряда, примерно на 26% выше по сравнению с барьерным разрядом, при этом энергия, поданная в один разрядный канал, примерно на 3300% выше. Таким образом, нетепловой импульсный разряд согласно настоящему изобретению обеспечивает увеличенную производительность по сравнению с системами барьерного разряда. В Таблице 1 перечислено несколько примеров указанных параметров.

Таблица 1 Сравнение примеров параметров плазмы для условий барьерного разряда и нетеплового импульсного разряда Параметр Барьерный разряд Нетепловой импульсный разряд Напряженность электрического поля 30 кВ/см 8 кВ/см Длительность импульса 10^-8 с 10^-7 с Ток 0,1 А 1,25 А Энерговклад в один разрядный канал 3,0×10^-5 Дж 10^-3 Дж

[0036] Таким образом, согласно одному аспекту настоящего изобретения предложены устройство и способ для преобразования газообразных при нормальных условиях углеводородов в жидкие при нормальных условиях углеводороды путем использования нетеплового повторяющегося импульсного скользящего разряда. Устройство содержит реакционную камеру, содержащую несколько первых электродов, которые соединены с высоковольтным импульсным источником питания, и несколько вторых электродов, которые заземлены. Первые электроды и вторые электроды разделены разрядной областью или разрядным промежутком. Первые и вторые электроды расположены попарно, так что каждому первому электроду соответствует второй электрод, расположенный на противоположной стороне разрядной области. Согласно некоторым из вариантов реализации первые и вторые электроды являются штыревыми электродами.

[0037] Разрядная область расположена в непосредственной близости к желобу, который содержит по меньшей мере один жидкий сорбент. При приложении к первому электроду высоковольтного электрического потенциала в разрядной области происходит электрический разряд. Указанный разряд распространяется от первого электрода к образующему с ним пару второму электроду. Распространение разряда происходит вдоль поверхности жидкого сорбента или в непосредственной близости к поверхности жидкого сорбента. Поскольку разряд, как сказано выше, распространяется от первого электрода к второму электроду скольжением или глиссированием вдоль поверхности жидкого сорбента, такой разряд ниже назван как "скользящий разряд". Для поддержания разрядов высоковольтный потенциал является пульсирующим, и каждый импульс вызывает разряд. Разряды, которые инициируются и поддерживаются устройством согласно настоящему изобретению, являются нетепловыми. Таким образом, устройство согласно настоящему изобретению вырабатывает нетепловой повторяющийся импульсный скользящий разряд.

[0038] Плазма, которая вырабатывается при действии устройства, является нетепловой плазмой. Используемый ниже термин "нетепловая плазма" или "холодная плазма" обозначает плазму, которая не находится в состоянии термодинамического равновесия. В то время как электроны в нетепловой плазме имеют высокие электронные температуры, температура других атомов и молекул в плазме является относительно низкой и, следовательно, система не находится в термодинамическом равновесии.

[0039] По сравнению с нетепловой плазмой, тепловая плазма, или "горячая плазма", вырабатывается в результате сильного нагрева газа при разряде в газе до температуры в несколько тысяч градусов Кельвина, и в результате распределение энергий молекул, ионов и электронов газа в тепловой плазме, а также вся система находятся в термодинамическом равновесии, которое сопровождается пиролизом. В результате большого количества столкновений между частицами, в частности между электронами и тяжелыми положительными ионами или нейтральными частицами, происходит быстрое перераспределение энергии, и таким образом достигается термодинамическое равновесие. Следовательно, температура в разрядной области является очень высокой и равномерно распределена среди всех частиц.

[0040] В дополнение к электродам и желобу, реакционная камера также содержит входное отверстие для ввода газообразных углеводородов в камеру, в которой происходит разряд; входное отверстие и выходное отверстие для жидкого сорбента, через которые жидкий сорбент может быть распространен вдоль желоба; выходное отверстие для продукта; и вентиляционное отверстие, через которое газы могут быть выведены из камеры. Реакционная камера не ограничивается конкретными геометрией и конструкцией и может быть помимо прочего кольцевой (т.е. круглой), многоугольной (т.е. треугольной, квадратной или прямоугольной, пятиугольной, гексагональной и т.п.), линейной или иметь другие формы и конструкцию.

[0041] Согласно различным вариантам реализации устройство согласно настоящему изобретению также может содержать источник газа, который сообщается с реакционной камерой, и измеритель для определения расхода газа, поданного в камеру. Устройство согласно настоящему изобретению также может содержать жидкостный насос для обеспечения циркуляции жидкого сорбента. Устройство согласно настоящему изобретению также может содержать коллектор или резервуар для продукта. Устройство согласно настоящему изобретению также может содержать устройства для захвата, очистки и вывода газов из реакционной камеры посредством вентиляционного отверстия.

[0042] Используемый в настоящем описании термин "газообразные углеводороды" или сырьевые газообразные углеводороды обозначает легкие углеводородные материалы, которые находятся в газообразном состоянии при нормальных температуре и давлении. Легкие углеводородные материалы обычно представляют собой углеводороды низкого порядка, имеющие от одного до четырех атомов углерода. Например, такие легкие углеводородные материалы могут содержать помимо прочего метан, этан, пропан, n-бутан, изобутан, трет-бутан или смесь любых по меньшей мере двух указанных соединений. Согласно некоторым вариантам реализации легкие углеводороды могут быть такими, которые сопутствуют добыче природного газа нефти, или могут вырабатываться в результате утилизации отходов или других залежей или формирований природного газа.

[0043] Не вдаваясь в теорию, принято считать, что если указанные материалы подаются в реакционную камеру и подвергаются нетепловому скользящему разряду, молекулы газообразного углеводорода получают вращательное и колебательное возбуждение на энергетическом уровне, который является недостаточным для немедленного разрыва молекулярных связей и преобразования молекул в ионы или перевода молекул в свободнорадикальное состояние. Вместо этого колебательно и вращательно возбужденные молекулы взаимодействуют друг с другом и формируют высшие углеводороды посредством механизмов, таких как описанные реакциями 8-11 и 12. Сформированные таким образом высшие углеводороды имеют от 5 до 20 атомов углерода.

[0044] Опять же, не вдаваясь в теорию, принято считать, что описанный нетепловой повторяющийся импульсный скользящий разряд обеспечивает ступенчатый цепной механизм формирования углеводородных продуктов высшего порядка из углеводородов низкого порядка, как проиллюстрировано приведенными выше реакциями 8-11 и приведенными ниже реакциями 8'-11'

$$HRH+e^{-}\to HR{H}^{*}+e^{-}\left(8\text{'}\right)$$

$$HR{H}^{*}+HR{H}^{*}\to HR-RH+H_2\left(9\text{'}\right)$$

$$HR-RH+e^{-}\to {\left[HR-RH\right]}^{*}+e^{-}\left(10\text{'}\right)$$

$$HR{H}^{*}+{[HR-RH]}^{*}\to HR-R-RH+H_2\left(11\text{'}\right)$$

Таким образом, углеводороды HRH и HR-RH возбуждены колебательно и вращательно электронами скользящей плазмы согласно реакциям (8') и (10'). После этого указанные возбужденные углеводороды могут взаимодействовать с другими возбужденными углеводородами и таким образом формировать углеводороды высшего порядка согласно реакциям (3) и (5). Энергия скользящей плазмы регулируется таким образом, что непосредственная и полная ионизация или формирование свободных радикалов из газообразных углеводородов при их контакте с плазмой не происходит или по меньшей мере сведены к минимуму. Когда углеводороды высшего порядка, обозначенные как HR-RH и HR-R-RH, достигают достаточного размера, они выпадают или конденсируются из плазмы в форме жидкого углеводородного продукта, собираются жидким сорбентом в реакционной камере и выводятся из нее. В описанных выше реакциях R обозначает любой углеводородный фрагмент любого размера и используется в настоящей заявке только для общего описания цепного механизма формирования углеводородов высшего порядка из углеводородов низкого порядка.

[0045] Жидкий сорбент, циркулирующий в реакционной камере, выполняет несколько функций, включая помимо прочего помощь в распространении нетепловой скользящей плазмы, сбор жидких углеводородных продуктов и охлаждение системы. Подходящие жидкие сорбенты содержат помимо прочего бензин, легкое дизельное топливо, керосин, легкую нефть, жидкие алканы или смесь любых по меньшей мере двух указанных жидкостей. Во время работы системы преобразование газообразного углеводорода в жидкий сорбент поддерживается в непосредственной близости к нетепловой повторяющейся импульсной плазме, и таким образом облегчается поглощение жидких углеводородов, выработанных в плазме. Такое расположение обеспечивает быстрое удаление (например, в пределах примерно 10^-5 секунд формирования) жидких углеводородных продуктов после импульсного разряда. Такое быстрое удаление также способствует снижению температуры в реакционной камере и предотвращает потери продукта и сорбента из-за перегрева.

[0046] Формирование углеводородов с использованием нетепловой скользящей плазмы принципиально отличается от других способов на основе нетепловой плазмы. Например, при использовании нетепловой плазмы другого типа, такой как плазма барьерного разряда, коронного разряда, микроволнового разряда и электродугового разряда, происходит прямое формирование ионов и частиц со свободными радикалами из газообразного углеводорода. Затем указанные ионизированные или свободнорадикальные частицы преобразуют в углеводородные продукты высшего порядка.

[0047] Таким образом, согласно некоторым вариантам реализации плазма, выработанная в промежутке между первым электродом или электродами и вторым электродом или электродами, не образуется в диэлектрическом барьерном разряде. Кроме того, согласно некоторым вариантам реализации в области между первыми и вторыми электродами отсутствует диэлектрический оксидный материал, такой как кварц, или материалы, такие как двуокись циркония, оксид алюминия, стекло, и т.п. Следовательно, плазма, выработанная согласно настоящему способу, формируется не на основе диэлектрического барьерного разряда. Кроме того, нетепловая скользящая плазма обеспечивает механизм, посредством которого производительность реактора может быть улучшена благодаря возможности использования газовых смесей, имеющих повышенную плотность энерговыделения по сравнению с традиционным сингазом или исходными нефтепродуктами на основе СO₂.

[0048] Жидкие углеводородные продукты могут включать широкий диапазон топливных продуктов или товарных химических соединений. Например, могут быть выработаны углеводороды высшего порядка С₅-С₂₀ или выше. Таким образом, углеводородные продукты могут включать помимо прочего алканы С₅-С₂₀, алкены, алкины и их изомерные формы, а также смеси любых по меньшей мере двух указанных соединений. Смеси углеводородов дополнительно могут содержать такие продукты, как присутствующие в бензине, дизельном топливе, керосине, углеводородных восках и маслах. Кроме того, для ввода кислорода и/или азота в углеводородные жидкие продукты в реактор вместе с газообразным углеводородным сырьем могут быть введены кислородосодержащие или азотосодержащие материалы. Такие кислородо- или азотосодержащие углеводороды могут включать помимо прочего спирты, альдегиды, сложные эфиры, амины, карбоновые кислоты и кетоны.

[0049] Согласно некоторым вариантам реализации в плазму вместе с газообразным углеводородом могут быть введены газообразные окислители. Такие газообразные окислители обеспечивают атомы и радикал кислорода, которые могут быть встроены в продукты преобразования газообразного углеводорода. Подходящие газообразные окислители для использования в способе согласно настоящему изобретению могут включать помимо прочего воздух, O₂, Н₂O, N₂O, CO₂ или смесь любых по меньшей мере двух указанных окислителей. Продукты углеводородного преобразования содержат кислородосодержащие углеводороды, такие как помимо прочего спирты, альдегиды, кетоны, сложные эфиры или смеси любых по меньшей мере двух указанных кислородосодержащих углеводородов. Для улучшения селективности и эффективности изготовления кислородосодержащих углеводородов могут дополнительно использоваться размещенные внутри реакционной камеры твердые катализаторы.

[0050] Согласно некоторым вариантам реализации удельная энергия нетеплового повторяющегося импульсного скользящего разряда обеспечивает точное управление колебательной температурой Т_v (температурой Т_v колебательного возбуждения). Такое управление частично обеспечивает выбор распределения продукта. Как указано выше, нетепловая плазма является относительно холодной, и ее температура по существу не регулируется. Например, температура нетепловой плазмы обычно меньше 1000 К (726,85°С). Однако колебательной температурой Т_v газа можно управлять путем управления удельной энергией нетеплового скользящего разряда, и температуру Т_v можно регулировать в пределах 1300-10000 К (1026,85-9726,85°С). Путем управления температурой Т_v регулируют энергию активации и таким образом управляют ходом реакции. Однако обычно электронная температура Т_е нетепловой плазмы является высокой. Например, согласно некоторым вариантам реализации температура Т_е превышает 10000 К (9726,85°С). Таким образом, желательная температура Т_v может быть выбрана путем соответствующего управления удельной энергией плазмы в пределах примерно 0,1-3 Дж/см³. Согласно различным вариантам реализации соответствующая удельная энергия нетепловой плазмы повторяющегося импульсного искрового разряда составляет примерно 0,2-2,5 Дж/см³, примерно 0,2-0,5 Дж/см³, примерно 0,75-1,25 Дж/см³, примерно 1,5-2,0 Дж/см³, примерно 2,0-2,5 Дж/см³. Согласно некоторым вариантам реализации минимальная энергия нетепловой повторяющейся импульсной плазмы составляет примерно 0,2 Дж/см³. Согласно некоторым вариантам реализации максимальная энергия нетепловой повторяющейся импульсной плазмы составляет примерно 2,5 Дж/см³.

[0051] Во время работы системы для преобразования газообразного углеводорода энергия импульсов нетепловой повторяющейся импульсной плазмы может изменяться для получения разнообразных жидких углеводородных продуктов. Например, постепенное увеличение в два или три раза энергии повторяющихся импульсов обеспечивает переход от изготовления насыщенного углеводорода к изготовлению нефтяного масла и олефинов. Не вдаваясь в теорию, выяснилось, что напряженность электрического поля между электродами является одним факторов управления эффективной передачей энергии от нетепловой повторяющейся импульсной плазмы к сырьевым газообразным углеводородам. Таким образом, согласно некоторым вариантам реализации напряженность электрического поля между электродами составляет меньше 10 кВ/см. Согласно другим вариантам реализации напряженность электрического поля между электродами составляет меньше 8 кВ/см. Согласно другим вариантам реализации напряженность электрического поля между электродами составляет от примерно 5 кВ/см до примерно 10 кВ/см. Согласно другим вариантам реализации напряженность электрического поля между электродами составляет от примерно 5 кВ/см до примерно 8 кВ/см.

[0052] Удельная энергия сгенерированной нетепловой плазмы также может воздействовать на типы жидких углеводородов, которые вырабатываются под действием нетеплового повторяющегося импульсного скользящего разряда. Например, удельная энергия системы может варьироваться для выработки насыщенных углеводородов, олефинов, нефтяных масел или кислородсодержащих углеводородов. Для изготовления насыщенных углеводородов удельная энергия нетепловой плазмы составляет от примерно 0,75 Дж/см³ до примерно 1,25 Дж/см³. Для изготовления олефинов удельная энергия нетепловой плазмы составляет от примерно 1,5 Дж/см³ до примерно 2,0 Дж/см³. Согласно некоторым вариантам реализации для изготовления олефинов удельная энергия нетепловой плазмы составляет примерно 2 Дж/см³. Для изготовления нефтяных масел удельная энергия нетепловой плазмы превышает примерно 2 Дж/см³. Например, для изготовления нефтяного масла удельная энергия нетепловой плазмы составляет от примерно 2,0 Дж/см³ до примерно 2,5 Дж/см³. Для изготовления кислородсодержащих углеводородов удельная энергия нетепловой плазмы составляет от примерно 0,1 Дж/см³ до примерно 0,5 Дж/см³.

[0053] Способ согласно настоящему изобретению предусматривает сравнительно низкие общие энергозатраты. Согласно некоторым вариантам реализации общие энергозатраты составляют меньше примерно 1 кВт·ч/кг. Согласно некоторым вариантам реализации общие энергозатраты составляют примерно 1 кВт·ч/кг. Согласно некоторым вариантам реализации общие энергозатраты составляют от примерно 0,5 кВт·ч/кг до примерно 1,5 кВт·ч/кг. Следовательно, энергия активации реакций (2)-(5) является достаточно низкой по сравнению со способами, основанными на использовании барьерного разряда.

[0054] Во время работы системы для преобразования газообразного углеводорода длительность импульса тока также играет роль в формировании продукта. Таким образом, согласно некоторым из вариантов реализации длительность импульса тока составляет меньше 100 наносекунд (нс). Согласно другим вариантам реализации импульс тока составляет от примерно 50 нс до примерно 100 нс. Таким образом, синхронизация импульса тока и длительность импульса тока определяют частоту повторения импульсов. Согласно некоторым вариантам реализации частота повторения импульсов может достигать максимального значения примерно 10 кГц. Несмотря на то что нижний предел частоты повторения импульсов отсутствует, согласно некоторым из вариантов реализации частота повторения составляет от примерно 0,5 кГц до примерно 10 кГц.

[0055] Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает высокую производительность преобразования (т.е. объем выпуска) легких углеводородов в реакторе. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование на основе легких сырьевых углеводородов составляет больше примерно 80%. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование легких сырьевых углеводородов составляет больше примерно 85%. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование легких сырьевых углеводородов составляет больше примерно 88%. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование легких сырьевых углеводородов составляет больше примерно 90%. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование легких сырьевых углеводородов составляет больше примерно 92%. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование легких сырьевых углеводородов составляет больше примерно 95%. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование легких сырьевых углеводородов составляет больше примерно 98%. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование легких сырьевых углеводородов или объем выпуска составляет от примерно 80% до примерно 99,5%, от примерно 80% до примерно 98%, от примерно 80% до примерно 95%, от примерно 85% до примерно 99,5%, от примерно 85% до примерно 98% или от примерно 85% до примерно 95%. Согласно некоторым вариантам реализации преобразование легких сырьевых углеводородов или объем выпуска составляет от примерно 80% до примерно 90%.

[0056] На фиг.1 показана общая схема системы 100 для преобразования газообразного углеводорода. Система 100 содержит реакционную камеру 110, в которой вырабатывается и поддерживается нетепловой скользящий разряд 111. Система 100 также содержит высоковольтный источник 130 энергии, насос 140 для жидкого сорбента, источник 120 газообразного углеводорода и приемник 150.

Как показано на чертеже, реакционная камера 110 сообщается с источником 120 газообразного углеводорода, приемником 150 и вентиляционным отверстием 160.

[0057] Как показано на фиг.2 и 3, реакционная камера 200 содержит первые электроды 210, которые соединены посредством конденсаторов 211 с высоковольтным источником 280. Реакционная камера 200 также содержит вторые электроды 220, которые являются заземленными. Первые электроды 210 и вторые электроды 220 расположены таким образом, что каждый первый электрод 210 образует пару с вторым электродом 220 и отделен от него разрядным промежутком или областью 290. Как показано на фиг.3, первые электроды 210 и вторые электроды 220 могут быть расположены рядами по существу в горизонтальной плоскости линейным способом. На фиг.3 показан вид сверху линейно расположенной последовательности электродов, в то время как на фиг.2 показан вид сбоку одной пары электродов. Согласно другому варианту реализации первые электроды и вторые электроды могут быть расположены по существу в горизонтальной плоскости в форме круга, так что первые электроды образуют круг, и вторые электроды концентрически расположены внутри указанного круга, образованного первыми электродами, и каждый из первых электродов образует пару с соответствующим вторым электродом, как показано на фиг.4.

[0058] Разрядный промежуток или область 290 представляет собой область, в которой инициируется и поддерживается нетепловой скользящий разряд. Как показано на фиг.2, разрядная область 290 расположена непосредственно над желобом 250, сформированным в корпусе 230 реакционной камеры 200, причем желоб 250 имеет первую стенку 251, вторую стенку 252 и дно 253. Первые и вторые электроды 210, 220 также расположены рядом с желобом 250, причем первые электроды 210 расположены рядом с верхним краем первой стенки 251, а вторые электроды 220 расположены рядом с верхним краем второй стенки 252.

[0059] Корпус 230 реакционной камеры 200 представляет собой подложку, на которой установлены первые и вторые электроды 210, 220 и в которой сформирован желоб 250. Подходящими материалами для корпуса 230 могут быть изоляторы, известные в уровне техники, такие как помимо прочего пластики, такие как полиэтилен, полиэтилентерефталат, полипропилен, нейлон, политетрафторэтилен (тефлон), стирол и их смеси или сополимеры, а также стекло или керамика. Согласно некоторым вариантам реализации корпус 230 выполнен из тефлона.

[0060] Как показано на фиг.4, согласно одному не ограничивающему примеру кольцевая реакционная камера содержит первые электроды 410, вторые электроды 420 и желоб 450. Первые электроды 410 и вторые электроды 420 разделены разрядным промежутком 490. Каждый из первых электродов 410 соединен посредством конденсатора 411 с кольцевым проводником 412, который оснащен высоковольтным соединительным переходом 413. Реакционная камера также имеет входное отверстие 415 для жидкого сорбента, входное отверстие для газа (не показано), уплотняющую область 462 для крепления крышки, изолирующей реакционную камеру и разряды, и отверстия 495 для приема винтов или других крепежных устройств, фиксирующих крышку на реакционной камере. Желоб 450 может быть соединен с центральной приемной областью 446 по меньшей мере одним радиальным каналом 445. Использованный в настоящем описании термин "радиальные каналы" относится к любому каналу, который соединяет желоб с коллекторным приемником и который расположен в центре или в периферийной области реакционной камеры и не ограничивается кольцевым расположением, но может иметь любую форму и соответствовать, например, кольцевому, многоугольному или линейному расположению электродов и желобов. Желоб 450 и по меньшей мере один радиальный канал 445 выполнены с возможностью канализации углеводородов, выработанных разрядами и собранных в желобе 450, и при увеличении объема выработанного сорбента и углеводорода в желобе 450 соответственно указанные сорбент и выработанный углеводород передаются в коллекторную область, такую как центральная приемная область 446. Центральная приемная область 446 дополнительно может сообщаться с контейнером для сбора выработанных углеводородов и сорбента из желоба. Желоб 450 и по меньшей мере один радиальный канал 445 также выполнены с возможностью поддерживания уровня сорбента и выработанного углеводорода в непосредственной близости к скользящему разряду. Таким образом, по меньшей мере один радиальный канал 445 не позволяет сорбенту и выработанному углеводороду полностью вытекать из желоба 450, но скорее только отводит излишнюю жидкость при увеличении ее объема в желобе 450.

[0061] Электроды выполнены из проводящих материалов, обеспечивающих эффективную проводимость напряжения в электродах. Электроды могут быть выполнены из материалов, таких как помимо прочего железо, хром, никель, золото, серебро, медь, платина, палладий, рений, рутений, молибден, вольфрам, титан, ванадий, их сплавы, их окиси, графит или тому подобных материалов. Согласно некоторым вариантам реализации электроды покрыты графитом. Таким образом, согласно некоторым вариантам реализации металлический электрод покрыт графитом.

[0062] На фиг.5 показана система для жидкого сорбента, содержащая резервуар, в котором поддерживается уровень жидкого сорбента и который питает насос для жидкого сорбента, обеспечивающий циркуляцию сорбента через реакционную камеру. Формирование жидких углеводородных продуктов и соответственное увеличение объема жидкого сорбента вызывает восстановление продукта в приемнике. Поскольку жидкий сорбент выбирается таким образом, чтобы его химический состав совпадал с химическим составом продукта или был подобен ему, необходимость в разделении продукта и жидкого сорбента отсутствует. Как описано ниже, тип выработанного продукта может регулироваться выбором высоковольтной энергии, поданной к электродам, и выбором исходных газообразных используемых углеводородов.

[0063] Как показано на фиг.5, резервуар 540 первоначально заполняют сорбентом 245 посредством штуцера 545. Резервуар 540 служит для удерживания некоторого количества сорбента 245 и для начального сбора жидкого углеводородного продукта 215. При выработке жидких углеводородных продуктов и их поглощении жидким сорбентом 245 в реакционной камере объем жидкого сорбента 245 увеличивается. При увеличении объема жидкого сорбента 245 продукты протекают в приемник 550 и собираются в качестве жидкого продукта 215. Для поддерживания потока жидкий сорбент 245 перекачивают (как обозначено позиционным номером 225) из резервуара 540 циркуляционным насосом для жидкого сорбента (не показан) в реакционную камеру. Система резервуара, показанная на фиг.5, описана исключительно иллюстративно в качестве одного примера такого расположения.

[0064] На фиг.6 показана реакционная камера 600, которая содержит первое входное отверстие 615 для жидкого сорбента, второе входное отверстие 620 для газообразного углеводорода, соединительный ввод 630 для кабеля от высоковольтного импульсного генератора, заземляющий соединитель 640 и выходное отверстие 650 для продукта.

[0065] Как описано выше, электроды расположены по существу в горизонтальной плоскости. Такое расположение облегчает размещение и протекание жидкого сорбента в непосредственной близости к нетепловой плазме. По существу горизонтальное расположение также позволяет обеспечить равномерное распределение жидкого сорбента относительно нетепловой плазмы. Использованный в настоящем описании в отношении расстояния между плазмой и жидким сорбентом термин "в непосредственной близости" обозначает промежуток, в котором жидкий сорбент не входит в плазму, несмотря на то, что плазма может касаться поверхности жидкого сорбента, и в котором жидкие продукты, сформированные в плазме, могут быть легко поглощены жидким сорбентом. Согласно некоторым вариантам реализации непосредственная близость обозначает промежуток, который составляет меньше примерно 0,5 мм.

[0066] Выбор начального состава газообразного углеводорода может влиять на типы жидких углеводородов, которые вырабатываются в реакторе. Например, выбор исходных некислородсодержащих углеводородных газов может привести к заданному распределению продуктов, в то время как выбор другого исходного некислородсодержащего углеводородного газа или смеси указанных углеводородов может привести к значительно различающемуся распределению продуктов. Жидкие углеводородные продукты, полученные из некислородсодержащих исходных углеводородных газов могут включать помимо прочего разветвленные или неразветвленные насыщенные углеводороды С₅-С₂₀, разветвленные или неразветвленные ненасыщенные углеводороды С₅-С₂₀ или смесь любых по меньшей мере двух указанных соединений.

[0067] Как показано на фиг.1-3, дополнительно желоб 250 может содержать катализатор 260, который является активным относительно риформинга углеводородных фрагментов из углеводорода, водорода и радикалов кислорода, которые могут быть сформированы в нетепловой плазме. Однако следует отметить, что присутствие катализатора в желобе является дополнительным. Также, согласно некоторым вариантам реализации реакционная камера не содержит катализатора. Согласно другим вариантам реализации желоб не содержит катализатора.

[0068] Как указано выше, катализатор 260 в желобе 250 реакционной камеры 200 является дополнительным. Однако согласно вариантам реализации, в которых реакционная камера содержит катализатор, он может быть расположен в желобе для облегчения формирования жидкого углеводорода. Подходящие составы катализатора для изготовления насыщенного углеводорода включают помимо прочего цеолиты, оксид алюминия, алюмосиликаты, алюмофосфаты, элементы групп IА (Li, Na и К), IIА (Be, Мg, Са, Sr и Ва), IВ (Сu, Аg и Аu), IIВ (Zn, Cd и Нg) или VIIIB (Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd или Pt) или смесь любых по меньшей мере двух указанных катализаторов. Подходящие составы катализаторов для изготовления олефина включают помимо прочего цеолиты, оксиды элементов групп IIВ (Zn, Cd и Нg), IVB (С, Si, Ge, Sn и Pb), VB (N, P, As, Sb и Bi) или VIB (Cr, Mo, W), элементов группы VIIIB (Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd и Pt) или смесь любых по меньшей мере двух указанных катализаторов. Подходящие катализаторы для изготовления нефтяного масла включают помимо прочего катионы, окиси металлов и комплексные соединения элементов групп IIА, IIIА, IVB, VB или VIIIB, или смесь любых по меньшей мере двух указанных катализаторов. Подходящие катализаторы для изготовления кислородсодержащих углеводородов включают помимо прочего элементы групп IIА, IVA, IIВ, IVB или VIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных катализаторов.

[0069] Устройства, описанные ниже, могут быть модульными, масштабируемыми и мобильными и таким образом допускают их транспортировку и использование в других труднодоступных регионах, таких как расположенные в акватории на значительном расстоянии от берега буровые установки, и экологически критичные области, а также обеспечивают гибкую работу. Устройства могут быть использованы для преобразования природного газа в стабильное топливо, такое как дизельное топливо, бензин, легкая синтетическая нефть, керосин и другие виды углеводородного топлива, которые могут быть транспортированы посредством автодорожным, морским или рельсовым транспортом в обычных транспортных средствах, предназначенных для перевозки топлива.

[0070] Использованный в настоящем описании термин "примерно" должен быть понятен для специалистов и означает, что величина, к которой он относится, может быть изменена до некоторой степени в зависимости от контекста, в котором он используется. В случае, если специалистам не ясен смысл указанного термина в контексте, в котором он используется, термин "примерно" следует понимать как плюс или минус 10% от конкретной величины, к которой относится указанный термин.

[0071] Использованный ниже термин "несколько" относится по меньшей мере к двум количественным единицам, используемым в соединении с указанным термином. Например, выражение "несколько электродов" обозначает по меньшей мере два электрода или столько электродов, сколько необходимо для конструкции устройства, содержащего указанные электроды, и ограничивается только физическими размерами устройства и его компонентов.

[0072] Варианты реализации, иллюстративно описанные в настоящей заявке, соответственно могут быть осуществлены при отсутствии любого элемента или элементов, ограничения или ограничений, конкретно не описанных в настоящей заявке. Таким образом, например, термины "содержащий", "включая", "состоящий" и т.п. следует понимать в расширительном смысле и без ограничения. Кроме того, термины и выражения, использованные в настоящей заявке, используются в качестве описательных терминов, но никак не ограничений, и использование указанных терминов и выражений не подразумевает исключения любых эквивалентов показанных и описанных признаков или их частей, но следует считать, что в рамках заявленного способа возможны различные изменения. Кроме того, фразу "состоящий по существу из…" следует понимать как включающую конкретные указанные элементы, а также дополнительные элементы, которые по существу не влияют на основные и новые характеристики заявленного способа. Фразу "состоящий из…" следует понимать как исключающую любой не указанный элемент.

[0073] Все публикации, патентные заявки, изданные патенты и другие документы, упомянутые в настоящей спецификации, полностью включены в настоящую заявку по ссылке, как если бы каждая отдельная публикация, патентная заявка, изданный патент или другой документ были конкретно и индивидуально указаны как полностью включенные в настоящую заявку по ссылке.

Определения, которые содержатся в тексте, включенном по ссылке, исключаются до степени, в которой они противоречат определениям настоящей заявки.

[0074] Устройства и способы, в целом описанные таким образом выше, будут лучше поняты из следующих примеров, которые не предназначены для ограничения любым образом устройств или способов, описанных выше.

ПРИМЕРЫ

[0075] Согласно способу использования устройств, описанному ниже, подают газовую смесь, содержащую легкие углеводороды, во входное отверстие для газообразного углеводорода и пропускают указанную газовую смесь через газоразрядную камеру, в которой осуществляют нетепловой повторяющийся импульсный скользящий разряд. При входе легких углеводородов (С₁-С₄) в контакт с нетепловым повторяющимся импульсным скользящим разрядом формирующиеся при этом радикалы перегруппировываются и формируют насыщенные жидкие углеводороды C₅-C₂₀ и газ водород. Затем оба эти вещества выводят из реактора для сбора. Преобразование углеводородов в газоразрядной камере может достигать 90% и может регулироваться изменением выходной мощности циклического импульсного высоковольтного генератора (HV). В выходном отверстии реактора собирают жидкие продукты. Отработанные газы (Н₂ и остаточные C₅-C₂₀) выводят посредством газовой трубы в вентиляционное отверстие. Согласно другому варианту реализации изобретения остаточные газообразные углеводороды могут быть повторно введены в систему. Кроме того, выпускной водород Н₂ может быть собран и использован в других реакциях или для других случаев применения или может быть выпущен в окружающую среду.

[0076] Высоковольтный генератор повторяющихся импульсов. Высоковольтный генератор повторяющихся импульсов представляет собой полупроводниковый генератор, который предназначен для зажигания, поддерживания и подачи газового разряда в реактор. Высоковольтный генератор повторяющихся импульсов является основным источником энергии, необходимой для осуществления способа преобразования газообразного углеводорода. Высоковольтный генератор содержит тиристоры в качестве активных элементов для формирования высоковольтного импульса и работает в циклическом импульсном режиме. Рабочие параметры высоковольтного генератора представлены в Таблице 2.

Таблица 2 Иллюстративные рабочие параметры высоковольтного импульсного генератора Рабочее напряжение 10-15 кВ Максимальный ток до 20 А Максимальная пиковая мощность 200 кВт Полярность импульса Положительная Длительность импульса на уровне половинного напряжения 35±2 мкс Форма импульса Треугольная Частота повторения 1 кГц Температура окружающей среды от +10°С до +30°С (в лабораторных условиях) Напряжение питания Однофазная сеть, 110 В/60 Гц Охлаждение Воздушное Размеры h×d×/м³ 0,15×0,3×0,4 м³ Вес (с трансформаторным маслом в высоковольтном блоке) Примерно 27 кг

[0077] Плазменный химический реактор. Реактор содержит газоразрядную камеру и обеспечивает условия для эффективного формирования радикалов и частиц жидкости. Реактор обеспечивает подачу энергии для разряда в газе, выполнение преобразования исходного газа в жидкости и быстрое их удаление из разрядной области. Внешний вид реактора показан на фиг.2.

Таблица 3 Иллюстративная информация о реакторе Входное напряжение От генератора Потребляемая мощность до 25 Вт Температура окружающей среды от +10°С до +30°С (в лабораторных условиях) Расход газа больше 6,3×10^-6 м³/с Расход жидкости (1-2)×10^-8 м³/с Производительность 10^-5 кг/с Размеры диаметр 0,2 м,
высота 0,05 м Вес примерно 3 кг

[0078] Пример 1: Сначала в резервуар для жидкого сорбента был добавлен жидкий сорбент, и уровень был отрегулирован немного ниже входного отверстия входной трубы приемника. Способ осуществлен при температуре и давлении газа, равных соответственно температуре окружающей среды и атмосферному давлению. Затем в реакционную камеру была введена сырьевая газообразная смесь бутана и пропана в молярном отношении 1:3 с расходом примерно 23 л/мин. В качестве жидкого сорбента использовался нормальный октан. Удельная энергия, подаваемая в газ в одном импульсе, составляла 1 Дж/см³, частота повторения высоковольтных импульсов была задана 1000 Гц, и разрядный промежуток между электродами составлял 1,5 см. Реакцией управляли в течение одного часа. За этот период времени было собрано 96,5 мл жидкого конденсата. Жидкий конденсат в основном представлял собой смесь алканов (выход: 87 мольных процентов).

[0079] В выполненных экспериментах соблюдались меры предосторожности, включая меры безопасности при выполнении всех электрических соединений и обеспечение надлежащей вентиляции. Кроме того, импульсный источник энергии был должным образом заземлен; отработанные газы вентилировались, обрабатывались или захватывались; опоры и поверхности имели электрическую изоляцию или по меньшей мере надежное заземление; перед началом генерации импульсов газовый поток прокачивали через реактор некоторое время, достаточное для удаления остаточного воздуха.

ЭКВИВАЛЕНТЫ

[0080] Настоящее раскрытие не ограничивается конкретными вариантами реализации, описанными в настоящей заявке. Различные изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от идеи и объема настоящего изобретения, как должно быть очевидным для специалистов. Функционально эквивалентные способы и соединения в пределах объема настоящего изобретения в дополнение к перечисленным ниже должны быть очевидными для специалистов из предшествующих описаний. Такие изменения и модификации попадают в пределы пунктов приложенной формулы. Настоящее изобретение ограничено только пунктами приложенной формулы, наряду с полным объемом эквивалентов, на которые указывают такие пункты приложенной формулы. Следует подразумевать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными способами, реагентами, составами соединений или биологическими системами, которые конечно же могут быть изменены. Также следует подразумевать, что терминология, использованная в настоящей заявке, предназначена только для описания конкретных вариантов реализации, но никак не для ограничения.

[0081] Кроме того, для специалистов в данной области понятно, что если при описании признаков или аспектов настоящего изобретения в терминах групп Маркуша, то настоящее изобретение таким образом также описывается в терминах любого отдельного элемента или подгруппы элементов группы Маркуша.

[0082] Для специалистов в данной области понятно, что для любых и всех целей, в частности при условии наличия письменного описания, все диапазоны, раскрытые в настоящем изобретении, также охватывают любые и все возможные поддиапазоны и комбинации указанных поддиапазонов. Любой из указанных диапазонов может быть легко признан как достаточно описывающий и разрешающий этот самый диапазон, будучи разбитым по меньшей мере на равные половины, трети, четверти, пятые части, десятые части, и т.п. В качестве неограничивающего примера каждый диапазон, описанный в настоящей заявке, может быть легко разбит на меньшую треть, среднюю треть и большую треть, и т.п. Также специалистам понятно, что все выражения, такие как "до", "по меньшей мере", "больше, чем", "меньше, чем", и т.п., обозначают указанное количество и относятся к диапазонам, которые могут быть впоследствии разбиты на поддиапазоны, как описано выше. Наконец, специалистам в данной области понятно, что диапазон включает каждый отдельный элемент.

[0083] Несмотря на то что в настоящей заявке показаны и описаны некоторые варианты реализации, следует подразумевать, что специалисты в данной области могут произвести изменения и модификации без отступления от предложенного способа в его более широких аспектах, заданных пунктами приложенной формулы.

Изобретение относится к способу и устройству для преобразования газообразного углеводорода в жидкий углеводород. Реактор, действующий на основе нетеплового повторяющегося импульсного скользящего разряда, содержит: высоковольтный источник энергии, выполненный с возможностью подачи импульсного высоковольтного потенциала; входное отверстие для газа; входное отверстие для жидкого сорбента; выходное отверстие для продукта; первые электроды, соединенные с высоковольтным источником энергии; вторые электроды, которые являются заземленными; и желоб; причем первые электроды отделены от вторых электродов разрядной областью. Изобретение позволяет снизить энергозатраты при производстве жидких продуктов и повысить производительность реакторных систем. 3 н. и 50 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 ил.

1. Способ преобразования газообразного углеводорода в жидкий углеводородный состав, согласно которому:
вводят газообразный углеводород в реактор, содержащий:
первые электроды, каждый из которых индивидуально соединен с импульсным высоковольтным источником энергии;
вторые электроды, которые являются заземленными; и
желоб;
причем первые электроды отделены от вторых электродов разрядной областью,
вводят в желоб жидкий сорбент,
генерируют нетепловой повторяющийся импульсный скользящий разряд в разрядной области,
причем длительность одиночного импульса в реакторе на основе нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет меньше 100 нс, и
получают жидкий углеводородный состав.

2. Способ по п.1, согласно которому уровень жидкого сорбента в реакторе поддерживают в непосредственной близости к разрядной области.

3. Способ по п.1, согласно которому напряженность электрического поля в реакторе на основе нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет меньше 8 кВ/см.

4. Способ по п.1, согласно которому удельная энергия плазмы составляет от примерно 0,2 Дж/см³ до примерно 2,5 Дж/см³.

5. Способ по п.1, согласно которому газообразный углеводород представляет собой алкан C₁, С₂, С₃ или С₄.

6. Способ по п.5, согласно которому газообразный углеводород представляет собой метан, этан, n-пропан, изопропан, n-бутан, изобутан, трет-бутан или смесь любых по меньшей мере двух указанных соединений.

7. Способ по п.1, согласно которому газообразный углеводород дополнительно содержит СО₂, воздух или кислород.

8. Способ по п.1, согласно которому газообразный углеводород дополнительно содержит CO₂.

9. Способ по п.1, согласно которому реактор дополнительно содержит твердый катализатор.

10. Способ по п.9, согласно которому твердый катализатор содержит оксид алюминия, алюмосиликат, алюмофосфат, Li, Na, К, Be, Mg, Са, Sr, Ва, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

11. Способ по п.1, согласно которому жидкий сорбент представляет собой бензин, легкое дизельное топливо, керосин, жидкий алкан или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

12. Способ по п.2, согласно которому длительность одиночного разряда составляет величину порядка примерно 10 нс.

13. Способ по п.1, согласно которому время между отдельными разрядами составляет от примерно 10 мкс до 100 мкс, от примерно 10 мкс до 80 мкс, от примерно 20 мкс до 50 мкс или примерно 35 мкс.

14. Способ по п.1, согласно которому жидкий углеводородный состав содержит насыщенные углеводороды, а удельная энергия нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет примерно от 0,5 Дж/см³ до примерно 2 Дж/см³ на импульс.

15. Способ по п.1, согласно которому жидкий углеводородный состав содержит олефины, а удельная энергия нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет примерно 2 Дж/см³ на импульс.

16. Способ по п.15, согласно которому реактор содержит твердый катализатор, содержащий цеолит, оксид элементов групп IIB, IVB, VB, или группы VIB, элемент группы VIIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

17. Способ по п.1, согласно которому жидкий углеводородный состав содержит нефтяные масла, а удельная энергия разряда в газе составляет от примерно 2 Дж/см³ до примерно 2,5 Дж/см³ на один импульс разряда.

18. Способ по п.17, согласно которому реактор содержит твердый катализатор, содержащий катион, оксид металла или комплексное соединение элементов групп IIA, IIIA, IVB, VB или VIIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

19. Способ по п.1, согласно которому газообразный углеводород дополнительно содержит O₂, и концентрация O₂ является ниже предела воспламенения.

20. Способ по п.1, согласно которому реактор содержит твердый катализатор, содержащий окиси элементов групп IIA, IVA, IIB, IVB и элементы группы VIIIB.

21. Устройство для преобразования газообразного углеводорода в жидкий углеводородный состав, содержащее реактор, действующий на основе нетеплового повторяющегося импульсного скользящего разряда и содержащий:
высоковольтный источник энергии, выполненный с возможностью генерирования импульсного высоковольтного потенциала;
входное отверстие для газа;
входное отверстие для жидкого сорбента;
выходное отверстие для продукта;
первые электроды, каждый из которых индивидуально соединен с высоковольтным источником энергии;
вторые электроды, которые являются заземленными; и
желоб;
причем первые электроды отделены от вторых электродов разрядной областью.

22. Устройство по п.21, в котором желоб содержит твердый катализатор.

23. Устройство по п.22, в котором твердый катализатор содержит оксид алюминия; алюмосиликат, алюмофосфат; цеолит; окись металла; катион; оксид элемента групп IIB, IVB, VB или группы VIB; элемент группы VIIIB; комплексное соединение элементов групп IIA, IIIA, IVB, VB или VIIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

24. Устройство по п.21, в котором высоковольтный генератор импульсов выполнен с возможностью подачи одиночного импульса длительностью меньше 100 нс.

25. Устройство по п.21, в котором реактор выполнен с возможностью обеспечения электрического поля напряженностью меньше 8 кВ/см.

26. Устройство по п.21, в котором реактор выполнен с возможностью формирования разряда, имеющего удельную энергию от примерно 0,1 Дж/см³ до примерно 5 Дж/см³.

27. Устройство по п.21, в котором первые электроды и вторые электроды установлены на корпусе реактора.

28. Устройство по п.27, в котором первые электроды и вторые электроды расположены кольцеобразно и установлены на корпусе реактора.

29. Устройство по п.28, в котором указанный желоб сформирован в корпусе реактора в виде кольцевого желоба.

30. Устройство по п.29, в котором корпус реактора дополнительно содержит по меньшей мере один радиальный канал, соединяющий желоб с центральной областью корпуса реактора.

31. Устройство по п.21, дополнительно содержащее резервуар для жидкого сорбента.

32. Устройство по п.21, дополнительно содержащее приемник.

33. Устройство по п.21, в котором желоб содержит политетрафторэтилен.

34. Устройство по п.21, в котором первые и вторые электроды содержат железо, хром, никель, золото, серебро, медь, платину, иттрий, иридий, палладий, рений, рутений, молибден, вольфрам, титан, ванадий, их сплавы, их оксиды, графит или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

35. Способ преобразования газообразного углеводорода в жидкий углеводородный состав, согласно которому:
вводят газообразный углеводород в реактор, содержащий:
первые электроды, каждый из которых индивидуально соединен с импульсным высоковольтным источником энергии;
вторые электроды, которые являются заземленными; и
желоб;
причем первые электроды отделены от вторых электродов разрядной областью,
вводят в желоб жидкий сорбент,
генерируют нетепловой повторяющийся импульсный скользящий разряд в разрядной области, и
получают жидкий углеводородный состав;
причем жидкий сорбент представляет собой бензин, легкое дизельное топливо, керосин, жидкий алкан или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

36. Способ по п.35, согласно которому уровень жидкого сорбента в реакторе поддерживают в непосредственной близости к разрядной области.

37. Способ по п.35, согласно которому длительность одиночного импульса в реакторе на основе нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет меньше 100 нс.

38. Способ по п.35, согласно которому напряженность электрического поля в реакторе на основе нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет меньше 8 кВ/см.

39. Способ по п.35, согласно которому удельная энергия плазмы составляет от примерно 0,2 Дж/см³ до примерно 2,5 Дж/см³.

40. Способ по п.35, согласно которому газообразный углеводород представляет собой алкан С₁, С₂, С₃ или С₄.

41. Способ по п.40, согласно которому газообразный углеводород представляет собой метан, этан, n-пропан, изопропан, n-бутан, изобутан, трет-бутан или смесь любых по меньшей мере двух указанных соединений.

42. Способ по п.35, согласно которому газообразный углеводород дополнительно содержит CO₂, воздух или кислород.

43. Способ по п.35, согласно которому газообразный углеводород дополнительно содержит CO₂.

44. Способ по п.34, согласно которому реактор дополнительно содержит твердый катализатор.

45. Способ по п.44, согласно которому твердый катализатор содержит оксид алюминия, алюмосиликат, алюмофосфат, Li, Na, К, Be, Mg, Са, Sr, Ва, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

46. Способ по п.36, согласно которому длительность одиночного разряда составляет величину порядка примерно 10 нс.

47. Способ по п.46, согласно которому время между отдельными разрядами составляет от примерно 10 мкс до 100 мкс, от примерно 10 мкс до 80 мкс, от примерно 20 мкс до 50 мкс или примерно 35 мкс.

48. Способ по п.35, согласно которому жидкий углеводородный состав содержит насыщенные углеводороды, а удельная энергия нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет примерно от 0,5 Дж/см³ до примерно 2 Дж/см³ на импульс.

49. Способ по п.35, согласно которому жидкий углеводородный состав содержит олефины, а удельная энергия нетеплового повторяющегося импульсного разряда в газе составляет примерно 2 Дж/см³ на импульс.

50. Способ по п.49, согласно которому реактор содержит твердый катализатор, содержащий цеолит, оксид элементов групп IIB, IVB, VB или группы VIB, элемент группы VIIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

51. Способ по п.35, согласно которому жидкий углеводородный состав содержит нефтяные масла, а удельная энергия разряда в газе составляет от примерно 2 Дж/см³ до примерно 2,5 Дж/см³ на один импульс разряда.

52. Способ по п.51, согласно которому реактор содержит твердый катализатор, содержащий катион, оксид металла или комплексное соединение элементов групп IIA, IIIA, IVB, VB или VIIIB или смесь любых по меньшей мере двух указанных веществ.

53. Способ по п.35, согласно которому газообразный углеводород дополнительно содержит О₂, и концентрация O₂ является ниже предела воспламенения.