CN102120166A - 一种低温冷等离子体磁流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温冷等离子体磁流化床反应器，该反应器由反应器容器，容器内的磁性颗粒，产生电场的放电装置以及磁场发生装置等构成。本发明将磁流化床与低温冷等离子体技术相结合，采用磁场改善反应器内的气固流动，利用反应器内产生的低温冷等离子体提高反应物活性降低反应所需温度。本发明中的低温冷等离子体磁流化床可以用于传统的原本在低温下较难进行的化学反应，也可以用于对磁性颗粒进行表面处理以及催化剂颗粒的复活。

Description

一种低温冷等离子体磁流化床反应器

技术领域

本发明涉及一种等离子体流化床，特别是涉及一种低温冷等离子体磁流化床反应器。

背景技术

等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第四种物质形态，是由电子、正负离子、自由基、激发态分子和原子以及分子、基态原子组成的导电性流体，整体保持电中性。由于等离子体空间富集的电子、正负离子、激发态分子和原子以及自由基都是极活泼的反应物种，因此等离子体化学法与传统化学方法相比具有反应速度快、反应温度低、参数控制灵活等优点。流化床以传热传质效果好的优势，在化工、能源和环保等领域得到广泛应用。等离子体流化床将物理和化学方法相结合，具有等离子体和流化床的双重优点。等离子体流化床无疑是一项极具工业应用前景的新技术。

在罗伯特·艾伦·简森(Robert Allen Janssen)等人的US20030157000和中国科学院物理研究所的陈光良等人的CN1709563A公布的等离子体流化床中，均采用提升管流化床。提升管流化床颗粒浓度和气固速度在径向分布严重不均匀、气固轴向返混大等缺点，很难实现气固以平推流的方式运动。

而改善流化床性能的方法之一是向其中引入各种力场，如磁场、声场、振动场等。20世纪60年代前苏联学者Filippov将磁场引入传统流化床，由此产生磁流化床(Magnetically fluidized bed，MFB)。磁流化床以磁性颗粒为固相，在外加磁场环境下使颗粒流化。磁流化床可以有效控制返混，气体流动接***推流，颗粒分布均匀，降低传质阻力。磁流化床也存在致命的弱点：当实际操作温度高于磁性颗粒的居里温度时，磁性颗粒失去磁性，使磁流化床无法操作。因此对于一些需要在高温下进行的反应(如碳氢化合物重整制氢)，磁流化床无法应用。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种低温冷等离子体磁流化床反应器，低温冷等离子体提高了反应物的活性，使得原本需要在高温条件下进行的化学反应能够在较低温度(500℃)下发生，从而使磁流化床能够在这些化学反应中应用。

本发明的的目的由以下原理方法实现：

在流化床反应器容器内部放置一定量的磁性颗粒，向容器内通入气体，在气流和磁场的共同作用下磁性颗粒与气体均匀混合以近似平推流运动，然后在容器内施加电场从而放电产生低温冷等离子体。低温冷等离子体中存在大量的活性粒子，由于活性粒子的存在，反应可以在低于磁性颗粒的居里温度下进行。磁性颗粒提高了反应器内的传热传质效果，磁性颗粒本身也可以作为催化剂提高化学反应速率。

本发明将磁流化床与低温冷等离子体技术相结合，利用反应器内产生的低温冷等离子体提高反应物活性降低反应所需温度，采用磁场改善反应器内的气固流动促进反应器内的传热传质，我们把这种形式的流化床称作低温冷等离子体磁流化床。

本发明中的低温冷等离子体磁流化床既可以实现等离子体催化用于传统的化学反应(如碳氢化合物重整制氢)，也可以用于对磁性颗粒进行表面处理以及催化剂颗粒的复活。

下面通过实施例及其附图作进一步说明。

附图说明

图1是本发明所述低温冷等离子体磁流化床反应器的一种介质阻挡放电实施例的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

具体如图1所示所示，该介质阻挡放电低温冷等离子体磁流化床反应器包括流化床反应器容器4，设置在反应器容器下部的气体分配器3，气体入口5，设置在反应器容器上部的气体出口1，设置在反应器容器外壁的外电极9，外电极9与高压交流电源6，内电极10与高压交流电源6用导线7相连，内电极10和外电极9之间为磁性颗粒8，以及设置在反应器容器外部的一系列均匀磁场发生装置2。

所述的反应器容器4用低磁导率绝缘材料制成，包括石英玻璃、陶瓷材料、工程塑料管等。

所述的反应器容器4外壁上设置的外电极9为一导电的镀膜层，或者为均匀包裹在反应器容器外壁的导电网，或者均匀缠绕的导电丝，且导电金属需为抗磁性材料如金、铜以及铅等。

所述的气体分配器3为一非金属多孔片，其上分布有一系列通气圆孔，孔径的大小一般小于磁性催化剂颗粒的直径。

所述的磁性颗粒8，磁性颗粒直径大于10μm；磁性颗粒在反应器中所占的体积分数为0.1％——20％；磁性颗粒结构可以是实心或者多孔结构；磁性颗粒可以作为反应的催化剂，如镍粉、雷尼镍以及其他有催化性能的磁性颗粒或者镀有催化剂的磁性颗粒等。

所述的内电极10可以是导电金属棒、导电金属管等环形电极，且导电金属需为抗磁性材料如金、铜以及铅等。

所述的内电极10、外电极9、反应器容器4、导线7以及高压电源6共同构成介质阻挡放电装置。

所述的均匀磁场发生装置2是电磁线圈，它在容器内产生近似轴向的磁场。容器本身垂直于地面布置。

本实施实例工作原理方法：向反应器容器内通入所需气体磁性颗粒在气体粘性力的作用下，克服重力场向上运动，但此时气固返混严重；然后将电磁线圈通电产生均匀轴向磁场，调节磁场至磁性颗粒的流化状态达到最佳的链式状态；接着调节高压电源至在反应器容器放电产生冷等离子体，冷等离子体中重粒子温度约为常温-750K(气体温度)，电子温度约为10000-100000K(1eV-10eV)，温度较高的电子与重粒子碰撞产生大量活性粒子提高化学反应速率。

此外本实施例中所述的电磁线圈可以由永磁铁组成的产生轴向磁场的磁环代替；放电形式也可以是脉冲电晕放电，或者是射频耦合放电，或者是微波放电；气体和磁性颗粒也可以顺着重力场方向流动。

上述详细说明是针对本发明可行实例的具体说明，该实例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低温冷等离子体磁流化床反应器，其特征在于：至少包括有一个容器构成的流化床反应器本体，在所述容器内部分布的磁性颗粒，在所述容器内产生磁场的装置，和对容器内施加强电磁场使其产生冷等离子体的放电的装置。

2.如权利要求1所述的一种低温冷等离子体磁流化床反应器，其特征在于所述反应器内的气体温度低于500℃。

3.如权利要求1所述的一种低温冷等离子体磁流化床反应器，其特征在于所述磁性颗粒直径大于10μm，磁性颗粒在反应器中所占的体积分数低于30％。

4.如权利要求1所述的一种低温冷等离子体磁流化床反应器，其特征在于产生放电的装置可以是介质阻挡放电装置，或者是脉冲电晕放电装置，或者是射频耦合放电装置，或者是微波放电装置。

5.如权利要求1所述的一种低温冷等离子体磁流化床反应器，其特征在于磁场发生装置是电磁线圈，或者是永磁铁。

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