冷等離子體的產生器裝置及用于產生化學物質的相關方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于在化工方法中使用的能夠產生冷等離子體的裝置，具體來說，涉及用于產生化學物質、尤其是例如硝酸及硫酸等酸的裝置。
[0002]本發(fā)明還涉及包含所述冷等離子體產生器裝置的反應器及設備且涉及基于其的對應化學方法。
【背景技術】
[0003]使用冷等離子體產生化學物質具有相對于傳統(tǒng)方法的不同優(yōu)點。具體來說，在根據(jù)以下反應生產硝酸的情況下:
[0004]2Ν2+502+2Η20^4ΗΝ03
[0005]不需要使用催化劑，也不需要在高溫下工作且尤其不使用原料氨，而是僅使用具有簡單的環(huán)境空氣或富含氧氣的空氣的各種技術，例如分子篩或低溫分離或其它。
[0006]已知的冷等離子體產生器主要由高壓或頻率發(fā)電機供給的兩個電極構成，使得在相同電極之間產生電場。所述場繼而電離并激發(fā)所述電極之間存在的氣體分子或原子，通常是空氣，因此產生等離子氣體。
[0007]然而，本領域中已知的等離子體產生器及它們安裝在其中的反應器具有一些重要限制。此些限制主要是關于用于產生等離子體的系統(tǒng)的效率，等離子體歸因于其固有性質而出現(xiàn)在電極之間的非常受約束的區(qū)中。
[0008]剛剛所說明的方面必然包含冷等離子體技術在化學合成過程中的使用。

【發(fā)明內容】

[0009]由本發(fā)明提出并解決的技術難題于是提供用于產生冷等離子體的裝置及用于產生化學物質的相關方法或過程，從而能夠避免上文參考所提及的已知技術的缺點。
[0010]本發(fā)明還提供并入所述產生器裝置的反應堆及化學設備。
[0011 ]解決上述技術難題如獨立權利要求1中所述。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選特征是從屬權利要求的主題。
[0013]本發(fā)明的裝置及相關聯(lián)的方法能夠高效率地產生若干化學物質，尤其是酸。本發(fā)明還保持使用冷等離子體技術的許多優(yōu)點，具體來說是不需要催化劑和/或高反應溫度的優(yōu)點。
[0014]本發(fā)明的裝置及方法還能夠給實施方案和操作帶來低成本。
[0015]本發(fā)明的裝置及方法在用于產生硝酸及硫酸的應用中特別有利。
[0016]本發(fā)明的其它優(yōu)點、特征及實施方式也可以從下列所描述的具體實施例清楚的得至IJ，這些具體實施例不具有限定的目的。
[0017]氺氺氺
[0018]本發(fā)明提供適合用于尤其用于產生硝酸或硫酸的過程中的冷等離子體產生器裝置，所述裝置包括:
[0019]-外部電極及內部電極，所述電極布置成一個電極圍繞著另一個電極以便在它們之間界定等離子體產生區(qū)，
[0020]-其中所述內部和/或外部電極連接或可連接到電源，使得在使用中，在所述等離子體產生區(qū)處建立電勢中的差異，
[0021]-其中所述內部及外部電極可彼此相對地旋轉，
[0022]-其中所述外部電極具有用于必須越過所述等離子體產生區(qū)的氣體的入口端口及已越過所述等離子體產生區(qū)的等離子氣體的至少一個再循環(huán)出口端口；
[0023]-用于觸發(fā)所述外部及內部電極之間的放電的觸發(fā)構件，所述觸發(fā)構件與所述兩個電極的旋轉電極連接，優(yōu)選固定方式連接;及
[0024]-進氣構件，其適于通過所述等離子體產生區(qū)汲取氣體，所述進氣構件連接、優(yōu)選固定到所述兩個電極的旋轉電極。
[0025]優(yōu)選地，所述內部電極或兩個電極是可旋轉的。
[0026]在一個實施例中，所述外部及內部電極經布置以使得各自的縱軸大體上平行或重合，所述軸的共同方向優(yōu)選地還對應于相對旋轉的軸的共同方向。
[0027]所述外部及內部電極可以同軸地或偏心地布置。
[0028]所述外部及內部電極可具有大體上圓柱形幾何形狀。
[0029]優(yōu)選地，所述內部電極是軸桿形狀。
[0030]在優(yōu)選的配置中，所述裝置包括內部電極的中間支撐件，其適于保證所述兩個電極之間的電絕緣。
[0031]優(yōu)選地，所述外部電極的橫截面面積比所述內部電極的橫截面大大約25到100倍。
[0032]優(yōu)選地，所述外部及內部電極中的一者或兩者具有大體上圓形截面。在后一種情況下，優(yōu)選地，所述外部電極的直徑比所述內部電極的直徑大大約5到10倍。在所述的內部電極為圓形截面的情況下，內部電極的直徑的范圍在大約20到200mm。
[0033]優(yōu)選地，所述外部電極和/或所述內部電極具有等于或大于大約200mm的長度。
[0034]在優(yōu)選地配置中，所述氣體入口端口布置在所述外部電極的一端處，優(yōu)選布置在基底處。
[0035]此外，優(yōu)選地，所述至少一個再循環(huán)出口端口布置在所述外部電極的側壁或裙座處。優(yōu)選地是，所述至少一個再循環(huán)出口端口界定大體上等于或大于所述外部電極的橫截面的區(qū)域的出口區(qū)域。
[0036]在優(yōu)選的配置中，所述外部電極具有用于等離子氣體的多個再循環(huán)出口端口，所述端口優(yōu)選布置在所述外部電極的側壁或裙座中。
[0037]優(yōu)選地，所述外部電極具有在相對于等離子氣體流動的至少一個出口再循環(huán)端口的下游布置的額外等離子氣體出口端口。優(yōu)選地，所述額外端口布置在所述外部電極的側壁或裙座處。
[0038]在優(yōu)選的配置中，所述觸發(fā)構件固定到所述電極的旋轉電極。
[0039]優(yōu)選地，所述觸發(fā)構件是基于尖端效應。
[0040]優(yōu)選地，所述觸發(fā)構件大體上是梳狀
[0041 ]優(yōu)選地，所述進氣構件包括固定到所述內部及外部電極的旋轉電極的轉子或葉輪，其中所述旋轉器或葉輪優(yōu)選至少部分由塑料材料制成。
[0042]優(yōu)選地，所述進氣構件包括固定到所述內部電極的轉子或葉輪，其中所述轉子或葉輪的直徑優(yōu)選具有在所述外部電極的內徑的大約70 %到95 %的范圍內、更優(yōu)選大約60 %到90%的范圍內。
[0043]本發(fā)明還提供冷等離子體產生器裝置，其適合用于尤其用于產生硝酸或硫酸的過程中，所述裝置包括第一電極及第二電極，其經布置以便在它們之間界定等離子體產生區(qū)，所述第一和/或第二電極連接或可連接到電源，使得在使用中，在所述等離子體產生區(qū)處建立電勢中的差異，所述裝置具有用于必須越過所述等離子體產生區(qū)的氣體的入口端口及用于已越過所述等離子體產生區(qū)的等離子氣體的至少一再循環(huán)端口，所述裝置經配置以使得所述第二電極是液態(tài)電極。
[0044]優(yōu)選地，所述裝置包括主體，所述第一電極至少部分接納在所述主體內。
[0045]在優(yōu)選的配置中，所述入口端口和/或所述至少一個再循環(huán)出口端口是在所述主體上獲得。
[0046]優(yōu)選地，所述入口端口或所述至少一再循環(huán)出口端口布置在所述主體的一端處，優(yōu)選布置在基底處。優(yōu)選地，所述至少一個再循環(huán)出口端口及所述入口端口布置在所述主體的側壁或裙座處。
[0047]優(yōu)選地，所述至少一個再循環(huán)出口端口大體上等于或大于所述主體的橫截面區(qū)域的出口區(qū)域。
[0048]所述主體可具有用于等離子氣體的多個再循環(huán)出口端口，所述端口優(yōu)選布置在所述主體的側壁或裙座處。
[0049]在優(yōu)選的配置中，所述主體及所述第一電極經布置以使得各自縱軸大體上平行或重合，其中優(yōu)選地，所述軸的共同方向還對應于所述第一電極的旋轉軸的共同方向。
[0050]所述主體及所述第一電極可以同軸地或偏心地布置。
[0051 ]所述主體和/或所述第一電極可具有大體上圓柱形幾何形狀。
[0052]優(yōu)選地，所述主體的橫截面面積比所述第一電極的橫截面大大約25到100倍。
[0053]優(yōu)選地，所述主體及所述第一電極中的一者或兩者具有大體上圓形截面。在后一種情況下，優(yōu)選地，所述主體的直徑比所述電極的直徑大大約5到10倍。
[0054]所述主體優(yōu)選具有至少一個液體入口端口，所述的至少一個液體入口端口優(yōu)選布置在其側壁或裙座處，所述布置使得所述液體入口端口允許所述主體部分浸沒到液體電極中。
[0055]優(yōu)選地，所述液體入口端口及所述至少一個再循環(huán)出口端口布置在所述主體的相應部分處，大體上彼此正交。
[0056]優(yōu)選地，所述第一電極可旋轉且優(yōu)選地為軸桿形狀。在優(yōu)選的配置中，所述第一電極固定到可旋轉軸桿上，所述可旋轉軸桿優(yōu)選接納在所述主體內。
[0057]優(yōu)選地，所述第一電極大體上平行于所述液態(tài)電極的自由表面。
[0058]所述裝置包括進氣構件，其適于通過所述等離子體產生區(qū)汲取氣體。優(yōu)選地，其包括轉子或葉輪，所述葉輪優(yōu)選連接、更優(yōu)選固定到所述第一旋轉電極，其中所述轉子或葉輪優(yōu)選至少部分由塑料材料制成。
[0059]所述進氣構件可包括布置在所述主體外部的轉子或葉輪，優(yōu)選為離心轉子或葉輪。[ΟΟ?Ο]所述進氣構件所包括的轉子或葉輪的直徑范圍是所述主體的內徑的大約70 %到95 %的范圍內，更優(yōu)選大約60 %到90 %的范圍內。
[0061 ]所述裝置優(yōu)選包括關聯(lián)到所述第一電極的滑動電接觸構件。
[0062]此裝置還包括用于觸發(fā)所述第一和第二電極之間的放電的觸發(fā)構件，其優(yōu)選連接或固定到所述第一電極。
[0063]所述觸發(fā)構件可以基于尖端效應且優(yōu)選大體上是梳狀。
[0064]本發(fā)明還提供產生器組合件，其包括迄今描述的產生器裝置及連接或可連接到一個或兩個電極的高頻或高壓發(fā)電機。
[0065]優(yōu)選地，所述組合件進一步包括電動機，所述電動機適于驅動所述產生器裝置的所述電極中的一者發(fā)生旋轉，優(yōu)選最大速度為大約每分鐘2800轉。
[0066]本發(fā)明還提供適合用于尤其用于產生硝酸或硫酸的過程中的反應器設備，所述設備包括如上所述內部及外部電極的存在而定義的至少一個產生器裝置或產生器組合件，所述設備具有適于接收導電液體的槽區(qū)，所述布置使得所述產生器裝置的所述內部及外部電極中的一者至少部分接納在所述槽區(qū)中，并且在使用中浸沒在所述導電液體中，且其中所述設備具有至少一個出口端口，以用于輸出在所述反應器設備中通過涉及所述至少一個產生器裝置中產生的等離子氣體的反應而獲得的氣體/蒸氣。
[0067]本發(fā)明還提供一種適合用于尤其用于產生硝酸或硫酸的過程中的反應器設備，所述設備包括如上依據(jù)液態(tài)電極的提供而定義的至少一個產生器裝置產生器組合件或產生器組合件，且其中所述裝置具有至少一個出口端口，以用于輸出在所述反應器設備中通過涉及所述至少一個產生器裝置中產生的等離子氣體的反應而獲得的氣體/蒸氣。優(yōu)選地，同樣地具有液態(tài)電極的所述設備具有適于接收所述液態(tài)電極的槽區(qū)。
[0068]優(yōu)選地，所述反應器設備包括外部殼體，所述至少一個產生器裝置至少部分布置在所述殼體內部。優(yōu)選地，所述殼體界定所述槽區(qū)，所述槽區(qū)優(yōu)選大體上是燈泡或盆狀。優(yōu)選地，所述殼體具有布置在相對側或彼此鄰近布置的導電液體入口及氣體入口。
[0069]在具有液態(tài)電極的版本中，所述殼體具有優(yōu)選布置在其頂部處的氣體/蒸氣出口。
[0070]在特別優(yōu)選的配置中，所述內部電極經布置以使得在使用中其至少部分浸沒在所述槽區(qū)中接收的導電液體中。
[0071]優(yōu)選地，所述至少一個產生器裝置經布置以使得其縱向軸線、優(yōu)選所述內部電極的縱向軸線大體上垂直于所述導電液體的自由表面。
[0072]優(yōu)選地，所述設備包括用于控制和/或調整所述槽區(qū)內部的所述導電液體/液態(tài)電極的液面高度的構件。
[0073]所述產生器裝置可以經布置以使得所述內部電極的縱向軸線大體上垂直或所述第一電極的縱向軸線大體上水平。
[0074]所述設備優(yōu)選包括多個產生器裝置和/或產生器組合件，各自如上所定義。
[0075]本發(fā)明還提供一種化學設備，其包括:
[0076]-如上文所定義的反應器設備或產生器裝置，及
[0077]-冷凝器，其操作性地連接到所述反應器設備或所述產生器裝置以接收從其輸出的氣體/蒸氣作為輸入。
[0078]優(yōu)選地，所述設備進一步包括布置在所述冷凝器的下游的液體-氣體分離器。
[0079]優(yōu)選地，提供布置在所述冷凝器的下游的至少一個冷卻裝置，所述冷卻裝置優(yōu)選包括霧反應器。
[0080]在優(yōu)選的配置中，所述設備進一步包括布置在所述冷凝器的下游且優(yōu)選布置在所述至少一個冷卻裝置的下游的至少一個接觸反應器。優(yōu)選地，所述接觸反應器包括冷凝產物的再循環(huán)構件。
[0081]所述設備可進一步包括所述接觸反應器與所述反應器設備之間的連接構件，其適于加合來自反應器設備中的接觸反應器的氣體。
[0082]優(yōu)選地，所述冷卻裝置和/或所述接觸反應器包括所述裝置中接收的冷凝產物的霧化構件。
[0083]所述設備也可包括至少一個硫燃燒器，其適于產生硫煙且布置在所述反應器設備的上游。
[0084]可以提供至少一個冷卻裝置，其布置在所述燃燒器的下游及所述反應器設備的上游。
[0085]優(yōu)選地，本文中視為化學設備的是用于產生硝酸或硫酸的設備。
[0086]本發(fā)明進一步提供用于產生化學物質、尤其是酸、尤其是硝酸或硫酸的化學方法，其優(yōu)選利用如上文所定義的產生器裝置、產生器組合件、反應器設備或設備。
[0087]本發(fā)明還提供用于通過冷等離子體在反應器設備中產生化學物質、尤其是酸的化學方法，其中所述冷等離子體產生于所述反應器設備的產生器裝置中，所述產生器裝置包括外部電極及內部電極，所述電極布置成一個電極圍繞著另一個電極以便在它們之間界定等離子體產生區(qū)，所述內部和/或外部電極由電源供給，使得在所述等離子體產生區(qū)處在它們之間建立電勢中的差異，其中所述內部及外部電極彼此相對地旋轉，其中使氣體越過所述等離子體產生區(qū)以便獲得等離子氣體，其中已越過所述等離子體產生區(qū)的所述等離子氣體的一部分在所述等離子體產生區(qū)中再循環(huán)。
[0088]本發(fā)明還提供用于通過冷等離子體在反應器設備中產生化學物質、尤其是酸的化學方法，其中所述冷等離子體在所述反應器設備的產生器裝置中產生，所述產生器裝置包括第一電極及第二電極，所述兩個電極彼此相對布置以便在它們之間界定等離子體產生區(qū)，所述第一和/或第二電極由電源供給，使得在所述等離子體產生區(qū)處在它們之間建立電勢中的差異，其中使氣體越過所述等離子體產生區(qū)以便獲得等離子氣體，其中所述第二電極是液態(tài)電極。而且在此情況下，已越過所述等離子體產生區(qū)的等離子氣體優(yōu)選再循環(huán)到所述等離子體產生區(qū)中。
[0089 ]優(yōu)選地，內部電極或第一電極是可旋轉的且外部電極是固定的。或者，在所述電極一個電極圍繞著另一個電極的變體中，此些電極是可旋轉的。優(yōu)選地，提供大約每分鐘2800轉的最大旋轉速度。
[0090]優(yōu)選地，所述外部及內部電極經布置以使得相應的縱軸大體上平行或重合，所述軸的共同方向優(yōu)選地還對應于相對旋轉的軸的共同方向。
[0091]所述外部及內部電極可以同軸地或偏心地布置。
[0092]所述產生器裝置可以經布置成所述內部電極的縱向軸線大體上垂直或所述第一電極的縱向軸線大體上水平。
[0093]優(yōu)選地，所述等離子氣體的再循環(huán)部分相對于離開產生器裝置的等離子氣體或離開反應器設備并進入方法的其他步驟的酸處于1:10直到10:1的范圍內的比率。
[0094]在優(yōu)選的配置中，所述內部及外部電極中的一者至少部分浸沒在導電液體中。優(yōu)選地，所述內部電極的縱向軸線大體上垂直于所述導電液體的自由表面。在使用液態(tài)電極的變體中，所述第一電極的縱向軸線優(yōu)選大體上平行于所述液態(tài)電極的自由表面。
[0095]在使用液態(tài)電極的變體中，優(yōu)選提供封圍所述第一電極且至少部分浸沒在所述液態(tài)電極中的主體。
[0096]仍然在使用液態(tài)電極的變體中，優(yōu)選地，通過控制所述液態(tài)電極的液面高度來調整所述第一和第二電極之間的距離。
[0097]優(yōu)選地，為了冷卻進入所述等離子體產生區(qū)的氣體，使用導電液體或液態(tài)電極，從而優(yōu)選產生進入所述等離子體產生區(qū)的蒸氣。
[0098]所述過程可包括在所述反應器設備中產生的酸及氣體/蒸氣的冷凝步驟。
[0099]所述過程也可包括在所述冷凝步驟的下游的液體-氣體分離步驟。
[0100]優(yōu)選地，提供至少一個冷卻步驟在所述冷凝步驟的下游，優(yōu)選是霧冷卻步驟。
[0101]所述過程可提供在所述冷凝步驟的下游且優(yōu)選在所述至少一個冷卻步驟的下游的另一反應步驟，其適于增加酸產量。所述額外反應步驟可優(yōu)選通過使用霧化或噴霧構件且在冷凝酸的再循環(huán)的情況下提供冷凝酸與蒸氣之間的接觸表面的增加。也可提供氣體從所述額外反應步驟到所述產生器裝置的再循環(huán)。
[0102]在優(yōu)選實施例中，所述酸是H2S04且所述過程包括用于產生硫煙的步驟，所述硫煙是越過所述等離子體產生區(qū)的輸入氣體。所述過程可進一步在所述硫煙進入所述等離子體產生區(qū)中之前提供對所述硫煙的至少一個冷卻步驟。
[0103]在另一優(yōu)選實施例中，所述酸是硝酸且越過所述等離子體產生區(qū)的輸入氣體是空
Ho
[0104]本發(fā)明的反應器及相關聯(lián)的方法允許以高效率產生若干化學物質。本發(fā)明特別有利于產生硝酸、硫酸、NO、NO2、NOx、NxOx及高級氧化產品、揮發(fā)性有機化合物(VOC)，例如烴在水及二氧化碳中的氧化。
[0105]根據(jù)實施例，本發(fā)明涉及用于產生硝酸、硫酸、硝酸銨、硫酸銨、硝酸鈣或硝酸銨的常壓冷等離子體設備及過程。
【附圖說明】
[0106]將參照附圖的圖，其中:
[0107]■圖1展示根據(jù)