CN102821841A - 气液燃料转换的等离子体反应器 - Google Patents

Abstract

一种非热重复脉冲的滑动放电反应器，包括：配置以提供脉冲高压电位的高压电源；气体入口；液体吸着剂入口；产物出口；复数个连接到所述高压电源的第一电极；复数个接地的第二电极；以及槽；所述复数个第一电极通过放电区域与所述复数个第二电极分开。

Description

气液燃料转换的等离子体反应器

技术领域

一般而言，本发明涉及燃料制造领域。更具体地，本发明涉及将烃气体转化为液体烃。

背景技术

目前估计，每年有30-120亿美元的天然气由于不能有效地采获、精炼和/或输运而燃烧损失掉。虽然已知有多种采获、精炼和/或输运天然气的方法，但是这些方法比较麻烦且难以远程或在近海天然气沉积位置容易操作。

天然气可以使用多种已知的方法转换为液体燃料。例如，包括费-托合成法(Fischer-Tropsch)和莫比尔法(Mobil Processes)，以及等离子体辅助气转液(GTL)技术。费-托合成法和莫比尔法包括多级的合成步骤，其中轻烃(如，烃气体)首先在高压以及高至1300K的高温下转换为合成气。合成气是一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的混合物。通常通过缺氧燃烧烃气体来形成。下面的反应为这些公知过程的示例：

CO+H₂→液体烃(费-托合成法)

CO+H₂→CH₃OH和/或其它液体烃(莫比尔法)

由于极端的热操作条件，合成气重整炉建造规模大且操作成本高。为了经济生产，GTL工厂需要非常大的规模且非常复杂。采用这些方法需要高的操作能量消耗来压缩和加热气体，这项费用占燃料生产总成本的约60-80%。而且，通常传统工艺的每级都需要昂贵的重整催化剂，且***需要催化剂再生。

另一个使轻烃转化为液体燃料的方案是非热等离子体辅助法。美国专利No.7,033,551(‘551专利)公开了一种反应器***，其具有电化学电池和介质阻挡放电装置，其中液体产品的形成首先通过气态烃自由基在介质阻挡放电装置的非热等离子体中发生寡聚。在低气体温度(大约100-约600℃)以及大气压力下，通过高能电子离解轻烷烃分子，非热等离子体提供初始的自由基浓度，与介质放电装置连接的电化学电池允许等离子体中过剩的氢气氧化、部分氧化，以及氧化性缩合(condensation)初始气体。最终组成包括液体烃的混合物，其中有少量醇。

美国专利No.7,033,551描述的方法基于离解过程的实现，该离解过程在介质阻挡放电反应器内部在“热”电子对烃分子的作用下根据反应(1)发生：

e^-+RH→R·+H·+e^-   (1)

在反应(1)中，RH是烃的通式，e^-是电子。在该工艺中，自由基R^·和H^·形成于高活化能(>400kJ/mol)。具有相似的高活化能的类似过程也可以通过光辅助工艺变得相对容易，所述光辅助工艺中采用紫外(UV)辐射源(hν)来提供所需的能量，如专利‘551所描述的：

hν+RH→R·+H·      (2)

反应(1)和(2)需要如此高的活化能是由于未活化的烃分子的能态处于远低于其离解组分的能态。每个通过电子轰击的键断裂事件(例如，离解)仅仅通过电子态激发而发生，这消耗了显著量的能量。考虑到上述离解反应之后在高级烃重整时释放的能量(反应(3))：

2R·→R₂                 (3)

该过程的能量消耗典型地高于100kW*h/1kg最终产品。

美国专利No.6,375,832(‘832专利)公开了在阻挡放电的作用下合成液体产品，其中同时任选地利用催化剂。在‘832专利描述的合成工艺中，由于原料气的离解而生成了烃自由基的寡聚物，以及通过直接耦合和氧化性缩合从自由基碎片对烃进行重整：

CH₄→C₂H₆→C₄H₁₀   (4)

如果作为氧化剂，将CO₂引入原料气混合物中，那么二氧化碳转化也会发生，并且对液体烃的形成作出贡献。CO₂分解也会导致产生醇类。该工艺过程由反应5-7总结：

CO₂+e^-→CO+O·+e^-  (5)

RH+O·→R·+OH     (6)

R·+OH·→ROH      (7)

上述等离子体辅助方法的限制因素在于：转化过程在阻挡放电反应器中的非链式特性以及初始自由基形成过程的高活化能(>400kJ/mol)。因而生产液体产物的比能量消耗通常超过100kW*h/1kg产物。阻挡放电等离子体辅助方法的另一个明显的限制是阻挡放电等离子体的低电流密度(10^-5-10^-3A/cm²)和低能量密度(1-10W/cm³)，这会降低反应器***的容量(capability)。而且，上述等离子体辅助方法仅仅控制进料气体的温度。

发明内容

在一个方面，提供了一种方法，该方法包括向反应器中引入气相烃，所述反应器包括复数个各自连接脉冲高压电源的第一电极、复数个接地的第二电极、和槽，其中所述复数个第一电极通过放电区域与复数个第二电极分开；向槽中引入液体吸着剂；在放电区域产生非热重复脉冲滑动放电(non-thermal,repetitively pulsed gliding discharge)；以及生成液体烃组合物。根据一个实施方案，反应器中的液体吸着剂的水平保持为紧邻放电区域。在一些实施方案中，复数个第一电极中每一个都通过电贮存器连接至脉冲高压电源。在一些实施方案中，非热重复脉冲气体放电反应器的单个脉冲的持续时间小于100ns。在一些实施方案中，非热重复脉冲气体放电反应器内的电场强度低于8kV/cm。在一些实施方案中，等离子体的比能量为约0.2J/cm³到约2.5J/cm³。

在一些实施方案中，气态烃为C₁、C₂、C₃或C₄烷烃。在一些实施方案中，气态烃为甲烷、乙烷、正丙烷、异丙烷、正丁烷、异丁烷、叔丁烷，或上述气体的任意两种或更多种的混合物。

在一些实施方案中，气相烃还包含CO₂、空气或氧气。在一些实施方案中，气相烃还包含CO₂。

在一些实施方案中，所述反应器还包括固体催化剂。在一些实施方案中，所述固体催化剂包括氧化铝、铝硅酸(alumosilica)、磷酸铝(aluminophosphate)、Li、Na、K、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt，或上述材料的任意两种或更多种的混合物。

在一些实施方案中，所述液体吸着剂是汽油、柴油燃料、煤油、液体烷烃，或上述材料的任意两种或更多种的混合物。

在一些实施方案中，每次放电前的充电(develop a charge)时间为从约10μs到100μs，从约10μs到80μs，从约20μs到50μs，或约35μs。在一些实施方案中，单次放电时间通常为在约10ns的量级。

在一些实施方案中，所述液体烃组合物包含饱和烃类且非热重复脉冲气相放电的比能量为每次脉冲约0.5J/cm³到约2J/cm³。在一些实施方案中，所述液体烃包括烯烃，且非热重复脉冲气体放电的比能量为每脉冲约2J/cm³。在一些这样的实施方案中，所述反应器包括固体催化剂，所述催化剂包括沸石，第IIB、IVB、VB或VIB族元素的氧化物，第VIIIB族元素，或上述材料的任意两种或更多种的混合物。

在一些实施方案中，所述液体烃组合物包括烃类油，且气体放电的比能量为每一个脉冲约2J/cm³到约2.5J/cm³。在一些这样的实施方案中，所述反应器包括固体催化剂，所述催化剂包括阳离子、金属氧化物、第IIA、IIIA、IVB、VB或VIIIB族元素的复合物，或上述材料的任意两种或更多种的混合物。

在一些实施方案中，所述气态烃还包含O₂，且O₂的浓度低于点火界限(flame ignition limit)。

在一些实施方案中，所述反应器包括固体催化剂，所述固体催化剂包括第HA、IVA、IIB、IVB族元素的氧化物和第VIIIB族元素。

在另一方面中，提供一种装置，该装置为非热重复脉冲滑动放电反应器，其包括配置以提供脉冲高压电位(potential)的高压电源；气体入口；液体吸着剂入口；产物出口；复数个各自连接到脉冲高压电源的第一电极；复数个接地的第二电极；和槽；其中复数个第一电极通过放电区域与复数个第二电极分开。在一些实施方案中，复数个第一电极的每一个电极通过电容器连接至脉冲高压电源。

在一些实施方案中，所述槽包括固体催化剂。在一些实施方案中，所述固体催化剂包括氧化铝；铝硅酸；磷酸铝；沸石；金属氧化物；阳离子；第IIB、IVB、VB或VIB族元素的氧化物；第VIIIB族元素；第IIA、IIIA、IVB、VB或VIIIB族元素的复合物，或上述材料的任意两种或更多种的混合物。

在一些实施方案中，所述高压脉冲发生器配置为传送小于100ns的单个脉冲(single pulse)。在一些实施方案中，所述反应器配置为在该非热重复脉冲气体放电反应器内部的电场强度低于8kV/cm。在一些实施方案中，所述反应器提供比能量为约0.1到约5J/cm³的放电(discharge)。

在一些实施方案中，复数个第一电极和复数个第二电极安装至反应器主体。在一些实施方案中，复数个第一电极和复数个第二电极呈环状安装至反应器主体。

在一些实施方案中，所述槽在反应器主体中形成为环形或多边形构型。在一些实施方案中，所述槽包括聚四氟乙烯。在一些实施方案中，所述反应器主体还包括一个或多个径向通道，其将所述槽连接至反应器主体的中心区域。

在一些实施方案中，所述反应器还包括液体吸着剂贮存器。在一些实施方案中，所述反应器还包括接收器。

在一些实施方案中，所述第一和第二电极包括铁、铬、镍、金、银、铜、铂、钇、铱、钯、铼、钌、钼、钨、钛、钒、它们的合金、它们的氧化物、石墨，或上述材料的任意两种或更多种的混合物。

附图说明

图1是不同实施方案的等离子体反应器气液转换***和方法的流程图。

图2是一个实施方案的反应器等离子体室的电极和放电等离子体的截面示意图。

图3是一个实施方案的相对图2正交的电极和放电等离子体的截面示意图。

图4是一个实施方案的具有环状设置的电极的无覆盖反应室的图。

图5是不同实施方案的贮存器以及液体流动的示意图。

图6是不同实施方案的气体放电反应器外部的透视图。

发明详述

在下面的详细描述中，参考了附图，这些附图形成本发明的一部分。在附图中，除非上下文另有规定，类似的标记通常代表相似的部件。发明详述、附图和权利要求书中所描述的说明性实施例，并不意味着对本发明的限制。也可以利用其他实施方案，以及可以进行其他修改，而并不脱离本发明的精神或范围。本技术由本文的实施例示出，其不应被解释为以任何方式加以限制。

本发明提供使用非热脉冲滑动放电从天然气制备液体燃料的装置和方法。液体燃料从天然气使用气体分子的振动和转动激发形成，如反应8-10：

e^-+RH→RH^*+e^-       (8)

RH*+H·→(R·)*+H₂  (9)

(R·)*+RH*→R₂+H·  (10)

刺激气体至振动和旋转激发水平与反应1-3和5-7中给出的气体离解相比，需要低得多的活化能。如本文所用，e^-是电子；RH是烃碎片(hydrocarbonfragment)；“·”表示自由基物质；和“*”表示振动或旋转的激发态。然而，将认识到，在反应开始时，RH是指来自天然气的C₁-C₄烃碎片或最初形成的小型R₂化合物，但是由于链开始形成，RH也可指留在等离子体内的连续增大的烃碎片，且因此继续旋转和振动激发，形成再更大的烃碎片。链终止反应11和氢回收反应12是烃燃料形成的整体方案中的附加反应：

(R·)*+RH*→R₂+H^·  (11)

2H^·→H₂            (12)

在一些实施例中，该方法还可以包括例如反应1中所示的离解反应，其中该***的能量水平变化到使其中可发生离解反应。然而，这样的离解反应对整体的反应顺序只作出了微小的贡献。

反应8-11所示的过程是链反应机理，其导致R₂的形成。这样的链反应机理不同于在阻挡放电等离子体中的反应1和3中示出的短径离解重整机理。此外，较之阻挡气体放电方法的离解过程，反应8-11在较低的活化能下发生。体现本发明的链反应机制所需的活化能低于阻挡气体放电过程数倍，或甚至几个数量级，这取决于特定的反应物质。链反应的机制还为气体放电作用整个过程提供等离子体中恒定量的自由基。

本文所描述的非热脉冲滑动放电设备所需的参数，与前面描述的用于阻挡放电***所需的参数有着显著的不同。例如，非热脉冲滑动放电中所需的电场强度是阻挡放电的电场强度约26％，而储存(deposit)入一个放电通道的能量却高出约3300％。因此，相比阻挡放电***，本发明的非热脉冲滑动放电提供了更好的容量。表1列出了这类参数的几个实例。

表1.阻挡放电和非热脉冲放电条件下等离子体参数的对比

参数	阻挡放电	非热脉冲放电
			电场强度	30kV/cm	8kV/cm
脉冲时间	10-8s	10-7s
			电流	0.1A	1.25A
一个通道中的储存能量	3.0×10-5J	10-3J

因此，在一个方面中，本技术涉及使用非热重复脉冲滑动放电将通常为气态的烃类转化为通常为液体的烃类的装置和方法。该装置包括反应室，其具有复数个连接到高电压脉冲电源的第一电极以及复数个接地的第二电极。第一电极和第二电极是被放电区域或间隙分开。所述第一和第二电极成对设置，使得对于每个第一电极，第二电极位于放电区域的相对侧。在一些实施方案中，第一和第二电极是针状电极。

放电区域的位置紧邻包含至少一种液体吸着剂的槽。当高电压的电位被施加到所述第一电极时，在放电区域内产生放电。然后该放电从第一电极传播到与其配对的第二电极。放电的传播沿着液体吸着剂的表面，或沿着紧邻液体吸着剂的液体表面的附近区域。因为据说放电是以滑移(sliding)或滑动(gliding)方式沿着液体吸着剂表面从第一电极传播到第二电极中，所以这种放电在本文称为“滑动放电”。为了保持放电，高电压电位是脉冲的，其中每次脉冲均形成放电(reponsible for a discharge)。该设备引发和保持的放电是非热的。因此，该装置产生非热重复脉冲滑动放电。

在操作该装置中产生的等离子体是非热等离子体。如本文所用，术语“非热等离子体”或“冷等离子体”不在热力学平衡状态。虽然非热等离子体中的电子有高的电子温度，但是在等离子体中的其他原子和分子的温度较低，因此***不处于热力学平衡中。

相较于非热等离子体，热等离子体或“高温等离子体(hotplasma)”由于在气体放电中将气体剧烈加热至几千开尔文的温度而产生，同时因此热等离子体中的气体分子、离子和电子的***能量分布在热力学平衡状态中，并伴随着热解。随之产生的大量粒子、特别是电子与重的正离子或中性粒子之间的碰撞，导致能量的快速再分布，从而达到热力学平衡。因此，对所有粒子，放电区域的温度非常均匀。

除了电极和槽，反应室还包括气体入口，用于将气态烃类引入反应室中，并在其中发生放电；液体吸附剂的入口和出口，通过该入口和出口，液体吸着剂可在槽中循环；产物出口；和排气口，通过该排气口，气体可以从腔室中排出。对于反应室的几何形状和设计，没有特别的限制，其可以是但不限于环形(即环状)设置、多边形(即三角形、方形或矩形、五边形、六边形等)设置、线性设置或其他的设置。

在不同的实施例中，该设备还可以包括与反应室连通的气体源以及测定气体向反应室流动的流量的计量仪。该装置还可以包括用于循环液体吸着剂的流体泵。该装置还可以包括收集器或产物贮存器。该设备还可以包括用于捕获或洗涤来自反应室的排出气体的装置。

本文中，术语“气态烃”或原料气烃，是那些在标准温度和压力下处于气态的轻烃类材料。轻烃类材料通常是低级的具有一个到四个碳原子的烃。例如，轻烃类材料可包括，但不限于，甲烷，乙烷，丙烷，正丁烷，异丁烷和叔丁烷，或任何两种或更多种这类化合物的混合物。在一些实施方案中，轻烃类可以是与天然气或油生产有关的那些，或由土地填埋操作产生，或其他的天然气田或来源(generation)。

不被理论所束缚，人们相信，当这样的材料进入反应室并经历非热滑动放电时，气态烃的分子同时受旋转激发和振动激发，但处于不足够立即将分子键断裂为离子或自由基状态的能量水平。相反，振动和旋转激发的分子相互反应形成高级烃类，其反应机理如反应8-11和12所述。这样形成的高级烃具有从5至20个碳原子。

同样地，没有被理论所束缚，人们相信，所描述的非热重复脉冲滑动放电提供从低级烃到高级烃的分步的链形成机理，如上述反应8-11，和如下反应8′-11′。

HRH+e^-→HRH*+e^-            (8’)

HRH*+HRH*→HR-RH+H₂        (9’)

HR-RH+e^-→[HR-RH]*+e^-      (10’)

HRH*+[HR-RH]*→HR-R-RH+H₂  (11’)

因此，烃类，HRH和HR-RH，通过滑动等离子体电子而同时振动和旋转激发，如反应(8′)和(10′)。这些激发的烃类可能与其他激发的烃相互作用从而形成高级烃类，如反应(3)和(5)。调整滑动等离子体的能量，使得避免在与等离子体接触时的立即和完全离子化或从气态烃形成自由基，或至少最小化。当高级烃类，图示为HR-RH和HR-R-RH，达到足够的尺寸时，则会作为产物的液体烃从等离子体中下降或冷凝，并通过液体吸着剂收集在反应室中，并从中除去。在上面的反应中，R是意在指任何尺寸的任何烃碎片，并且仅用于本发明一般性描述从低级烃类到高级烃类的链形成机理。

循环通过该反应室的液体吸着剂执行几个功能，包括，但不限于，协助传播非热滑动等离子体，收集液体烃类产品和冷却***。合适的液体吸着剂包括，但不限于，汽油，柴油燃料，煤油，轻油，液体烷烃，或任何两个或更多个这样的液体的混合物。在烃类气体转化***的操作过程中，该液体吸着剂保持为紧邻非热重复脉冲等离子体，从而促进在等离子体中产生的液体烃的吸收。这样的安排使得在放电脉冲后(例如在形成的约10-5秒内)容易去除所产生的液体烃产物。这个容易去除也起到调节反应室中的温度的作用，以防止加热过程中产品和吸着剂的损失。

烃的非热滑动等离子体形成，与其他非热等离子体机制形成了鲜明的对比。例如，其他非热等离子体如阻挡、电晕、微波和电弧放电等离子体依靠直接电离和从烃气体中形成自由基物质。这种电离或自由基物质然后重新形成为较高级烃类产品。

因此，在一些实施例中，等离子体产生于第一电极(电极组)和所述第二电极(电极组)间隙之间，不是介质阻挡放电中产生的。进一步，一些实施例中，在第一和第二电极之间的区域没有氧化物电介质，如石英，或如氧化锆，氧化铝，玻璃，和类似物。因此，本技术所产生的等离子体并非基于介质阻挡放电。此外，非热滑动等离子体提供了一种机制，藉此，由于使用比传统的合成气或二氧化碳的原料更高的能量密度的气体混合物的能力，该反应器效率可以提高。

该液体烃产物可能包括各种各样的燃料产品或商品化学品。例如，可以制备高级C₅-C₂₀或更高级的烃。这样的烃类包括但不限于C₅-C₂₀的烷烃、烯烃、炔烃，或它们的异构体形式，和任何两种或更多种这类化合物的混合物。烃的混合物还可以包括如汽油、柴油、煤油燃料、烃蜡和烃类油。另外，氧合材料或氮合材料可以随气态烃原料一起引入，从而将氧和/或氮引入产物液体烃中。这样的含氧或氮的烃可包括但不限于如醇、醛、酯、胺、羧酸和酮化合物。

在一些实施方案中，气态氧化剂可与烃类气体一起引入到等离子体中。这种气态氧化剂提供氧原子和自由基，其可结合入烃气体转化的产物中。在这个过程中使用的合适的气态氧化剂包括，但不限于：空气，O₂，H₂O，N₂O和CO₂，或任何两个或更多个这样的氧化剂的混合物。烃转化的产物包括氧合烃类，如，但不限于，醇，醛，酮，酯，或任何两种或更多种的这种氧合烃的混合物。在反应室中可以任选使用固体催化剂，以提高生产氧合烃的选择性和生产效率。

根据一些实施方案，非热重复脉冲滑动放电的比能量提供对振动温度T_v的精确控制。这种控制，部分地允许对产品分布进行选择。如上所述，非热等离子体是相对冷的，其温度本身是固定的。例如，非热等离子体的温度通常低于1000K。然而，气体的振动温度T_v可通过控制非热滑动放电的比能量来控制，并且在1300K和10,000K之间可调。通过控制Tv，活化能是可调的，并可以控制所需的反应途径。但是，对非热等离子体来说典型的电子温度Te较高。例如，在一些实施例中，Te大于10,000K。因此，所需的Tv也可以通过将等离子体的比能量适当地控制为约0.1至约3J/cm³而进行选择。在不同的实施方案中，重复脉冲火花放电的非热等离子体的适当比能量从约0.2至约2.5J/cm³，从约0.2至约0.5J/cm³，从约0.75至约1.25J/cm³，从约1.5至约2.0J/cm³，从约2.0至约2.5J/cm³。根据一些实施方案，非热重复脉冲等离子体的最低能量是约0.2J/cm³。根据一些实施方案中，非热重复脉冲等离子体的最大能量是约2.5J/cm³。

烃类气体转化***的操作过程中，非热重复脉冲等离子体的脉冲之间的能量可能会波动，以使液体烃类产品流产生变化。例如，经多个脉冲以两或三倍逐渐增加能量允许从饱和烃的生产跃变到烯烃和烃油的生产。不被理论所束缚，已发现，电极之间的电场强度是控制从非热重复脉冲等离子体到原料气烃的有效能量传输的因素之一。因此，在一些实施方案中，电极之间的电场强度小于10kV/cm。在其它实施方案中，电极之间的电场强度小于8kV/cm。在其它实施方案中，电极之间的电场强度为约5kV/cm至约10kV/cm。又其他实施方案中，电极之间的电场强度为约5kV/cm至约8kV/cm。

非热等离子体生成的比能量，也可以影响非热重复脉冲滑动放电所产生的液体烃的类型。例如，***的比能量可以改变以产生饱和烃，烯烃，烃油，或氧合烃。在饱和烃的生产中，非热等离子体的比能量为约0.75J/cm³至约1.25J/cm³。在烯烃的生产中，非热等离子体的比能量为约1.5J/cm³至约2.0J/cm³。在一些用于烯烃生产的实施方案中，非热等离子体的比能量是约2J/cm³。在烃油的生产中，非热等离子体的比能量是大于约2J/cm³。例如，对于烃油的生产，非热等离子体的比能量为约2.0J/cm³至约2.5J/cm³。在氧合烃的生产中，非热等离子体的比能量为约0.1至约0.5J/cm³。

本发明的方法提供了较低的整体能源消耗。在一些实施方案中，整体能源消耗小于约1kWh/kg。在一些实施方案中，整体的能源消耗为约1kWh/kg。在一些实施方案中，整体的能源消耗为约0.5至约1.5kWh/kg。因此，相比阻挡放电过程，反应路径(2)-(5)的活化能是足够低的。

在烃类气体转化***的操作过程中，电流脉冲的持续时间也在产物的生成中起到了重要作用。因此，在一些实施方案中，电流脉冲的持续时间小于100纳秒(ns)。在其它实施方案中，电流脉冲为大约50ns至大约100ns。电流脉冲的周期(timing)和脉冲持续时间由此提供了脉冲的重复频率(repetitionrate)。根据一些实施方案，该重复率可达到约10kHz的最大值。虽然重复率没有下限，在一些实施方案中，重复率为约0.5kHz至约10kHz。

本发明的方法提供了在反应器中的轻烃的高转化率(即产率)。根据一些实施方案，转化率，基于原料轻烃，大于约80％。在一些实施方案中，转化率，基于原料轻烃，大于约85％。在一些实施方案中，转化率，基于原料轻烃，大于约88％。在一些实施方案中，转化率，基于原料轻烃，大于约90％。在一些实施方案中，转化率，基于原料轻烃，大于约92％。在一些实施方案中，转化率，基于原料轻烃，大于约95％。在一些实施方案中，转化率，基于原料轻烃，大于约98％。在一些实施方案中，转化率或产率，基于原料轻烃，为从约80％至约99.5％，从约80％至约98％，从约80％至约95％，从约85％至约99.5％，从约85％至约98％，或从约85％至约95％。在一些实施方案中，转化率或产率，基于原料轻烃，为从约80％至约90％。

参照图1，为一般的烃类气体转化***100的示意图。***100，包括反应室110，在其中产生和保持非热滑动放电111。***100，还包括高电压的电源130，液体吸附剂泵140，烃类气体源120，和接收器150。如图所示，反应室110与烃气体源120、接收器150和排气口160连通(communication)。

如图2和3所示。反应室200包括复数个第一电极210，其通过电容器211连接到高电压源280。该反应室200还包括复数个接地的第二电极220。第一电极210和第二电极220对齐，使得每个第一电极210具有成对的第二电极220，且彼此由间隙或放电区域290分开。如图3所示，复数个第一电极210和复数个第二电极220以线性方式在基本水平的平面中可成行排列。图2和3相关，图3是线性排列的一系列电极的俯视图，而图2是单一的电极对的侧视图。在另一个实施方案中，所述复数个第一电极和复数个第二电极可以环状设置在基本水平的平面上，使得第一电极成圆形设置以及第二电极成同心圆形设置，并且每个第一电极具有成对的第二电极，如下面图4所示。

在所述间隙或放电区域290中启动和保持非热滑动放电。如图2所示，放电区域290位于槽250的正上方，所述槽形成在反应室200的主体230中，且所述槽250具有第一壁251、第二壁252和凹槽(basin)253。第一和第二电极210，220也设置为紧邻槽250，其中第一电极(第一电极组)210设置在靠近第一壁251的顶部边缘，第二电极(第二电极组)220设置在紧邻第二壁252顶部边缘。

反应室200的主体230是基体，用于安装第一和第二电极210，220，且在其中形成槽250。主体230的合适材料包括本领域中已知的绝缘体，如，但不限于，塑料材料，如聚乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚丙烯，尼龙，聚四氟乙烯(特氟隆(Teflon))，苯乙烯，和它们的掺混物或共聚物；玻璃或陶瓷。在一些实施方案中，主体230由特氟隆制成。

如图4所示，成环形布置的一个非限制性例子包括复数个第一电极410，第二电极420，和槽450。第一电极410和第二电极420由放电间隙490分开。每个第一电极410通过电容器411连接到高电压连接端口413提供的环形导体412。此外，还包括液体吸着剂入口415，气体入口(未示出)，用于固定隔离反应室和放电的盖的垫圈区域462，和用于接收固定反应室盖的螺钉或其它紧固装置的孔495。由一个或多个径向通道445，所述槽450可被连接到中央接收区446。如本文所用的，短语“径向通道”用于指连接槽和收集接收器的任意通道，所述收集接收器或者是位于反应室的中央或在反应室的外周上，且并不仅限于环形设置，但也可以涉及任意环形的、多边形的或线性设置的电极和槽。将槽450和一个或多个径向通道445配置成当烃在放电中产生、在槽450中收集，以及当吸着剂的体积和生产的烃在槽450中伴随着增加时，吸着剂和产生的烃类被输送到如中央接收区446的收集区域。中央接收区446还可以流体连接到用于收集所产生的烃和来自槽的吸着剂的容器。槽450和一个或多个径向通道445也用于在紧邻滑动放电区域中保持吸着剂和任何产生的烃类的水平高度(level)。因此，一个或多个径向通道445不容许吸着剂和任何产生的烃完全从槽450排出，而只有槽450的液体的体积增加时排出液体。

电极由导体制成，以通过电极来有效传导电压。电极可以由如下材料来制备，例如，但不限于，铁，铬，镍，金，银，铜，铂，钯，铼，钌，钼，钨，钛，钒，它们的合金，它们的氧化物，石墨，或类似物，铁，铬，镍，金，银，铜，铂，钇，铱，钯，铼，钌，钼，钨，钛，钒，它们的合金，它们的氧化物，石墨，或类似物。根据一些实施方案，电极是石墨涂覆的。因此，在一些实施方案中，金属基电极是石墨涂敷的。

图5是示出的液体吸着剂的***，其中液体吸着剂的水平高度在贮存器中得以保持，所述贮存器向液体吸着剂泵进料用于循环通过反应室。随着液体烃产物形成并伴随液体吸着剂的体积增加，这种体积增加导致在接收器中回收产物。由于选择液体吸着剂为与产物相同或相似的化学组成，没有必要从液体吸着剂中分离产物。如上文中提到的，根据供给至电极的高压电源和选择使用的气态烃类，可调节产物分布。

如图5所示，端口545允许贮存器540最初被填充吸着剂245。贮存器540用于保持一定量的吸着剂245，并用于产物液体烃215的初始收集。在反应室中，随着液体烃产物的产生和被吸收进入液体吸着剂245中，液体吸着剂245的体积增加。随着液体吸着剂245的体积增加，产物流入接收器550，作为液体产物215收集。为了保持液体吸着剂245的流动，所述材料(示意为附图标记225)通过液体吸着剂泵(未示出)从贮存器540中抽出以循环通过该反应室。贮存器***示于图5，图示了仅仅一种这样的设置。

图6示出，该反应室600可以包括用于液体吸着剂的第一入口615，用于烃类气体的第二入口620，用于来自高压脉冲发生器的电缆的连接端口630，接地连接器640和产物出口650。

如上所述，电极被布置在基本水平的平面上。这是为了便于紧邻非热等离子体的液体吸着剂的容纳和流动。基本上水平布置也使得液体吸着剂与非热等离子体均匀分布。关于本文所用的等离子体与液体吸附剂的距离，“紧邻”是这样一个距离，虽然等离子体可能会接触液体吸着剂的表面，而且从等离子体中生成的产品可以很容易地由液体吸着剂吸收，但是液体吸着剂不会进入到等离子体中。在一些实施方案中，紧邻是指小于约0.5毫米的距离。

初始烃气体组成的调整可能会影响所生产的液体烃的类型。例如，选择一种非氧合性烃类进料气体可能会导致特定的产物分布，而选择另一种非氧合性烃类进料气体或这样的烃的混合物可能会导致完全不同的产物分布。从非氧合性烃类进料气体的液体烃产物可以包括但不限于：支链或无支链的C₅-C₂₀的饱和烃，支链或无支链的C₅-C₂₀的不饱和烃，或任何两个或更多个的这样的材料的混合物。

再次参照图1、图2和图3，任选地，所述槽250可以含有催化剂260，该催化剂对形成于非热等离子体中的烃、氢和氧自由基的烃碎片的重整具有活性。然而，应当指出，在槽中存在有催化剂是任选的。因此，在一些实施方案中，该反应室不包含催化剂。在其它实施方案中，所述槽不包含催化剂。

正如所指出的，该反应室200的槽250中的催化剂260是任选的。然而，在反应室包括催化剂的实施方式中，该催化剂可以位于槽内以便于液体烃类的形成。饱和烃生产的合适的催化剂组合物包括但不限于：沸石，氧化铝，铝硅酸，磷酸铝，第IA族元素(Li，Na和K)，第IIA族元素(Mg，Ca，Sr，和Ba)、第IB族元素(Cu，Ag和Au)、第IIB族元素(Zn，Cd和Hg)或第VIIIB族元素(Fe，Ru，Os，Co，Rh，Ir，Ni，Pd，或Pt)，或任何两种或更多种这种催化剂的混合物。用于烯烃生产的合适的催化剂组合物包括但不限于：沸石，第IIB族元素(Zn，Cd和Hg)，第IVB族元素(C，Si，Ge，Sn，和Pb)，第VB族元素(N，P，As，Sb，和Bi)，或第VIB族元素(Cr，Mo，W)的氧化物，第VIIIB族元素(Fe，Ru，Os，Co，Rh，Ir，Ni，Pd，和Pt)，或任何两个或更多个这样的催化剂的混合物。用于烃油生产的合适的催化剂包括但不限于阳离子，金属氧化物，和第IIA、IIIA、IVB、VB或VIIIB族元素的复合物，或任何两个或更多这样的催化剂的混合物。氧合烃生产的合适催化剂包括但不限于第IIA、IVA、IIB、IVB或VIIB族的元素，或任何两种或更多种这类催化剂的混合物。

此处所描述的设备是模块化的，可扩展的和便携式的，从而使运输和在其他难以到达的地区(如海上钻井平台和环境敏感地区)的使用，变得容易。该装置能够将天然气转换成一个稳定的燃料，如柴油，汽油(benzin)，轻质合成油，煤油和其它烃类燃料等可以在普通燃料运输车辆中经公路，海上或铁路运输。

如本文所用，“约”将被本技术领域的普通技术人员理解且将会变化，这一定程度上取决于在它使用的上下文。如果有本技术领域的普通技术人员不明确的用途，在它使用的上下文中，术语“约”将意味着特定的术语加或减10％。

本文所用“复数个”是指两个或更多个。例如，复数个电极可指两个或更多个电极，或根据构造包含多个电极的设备所需含有许多电极，其仅仅受限于设备及其组件的物理尺寸。

本文中举例说明的实施方案，可以在缺失任何元件或元件集合，限制或限制组的情况下适当地实施，而不具体地公开本发明。因此，例如，术语“包括”，“包含”，“含有”等应扩展地理解，且没有限制。此外，这里所采用的术语和表达已被用作说明书术语，并且不是限制性的，这些术语和表达的使用不代表对于示出和描述的特性或其部分特征的任何等同替代排出的意图，但应当认识到，所要求保护的技术的范围内，各种修改是可能的。此外，短语“基本由…组成”将被理解为包括具体叙述的这些元素，那些附加的元素对所要求保护的技术的基础和新颖性没有重大影响。“由…组成”不包括任何未指定元素。

所有出版物，专利申请，颁发的专利，并在本说明书中提及的其他文件引入本文作为参考，就如同每个单独的出版物，专利申请，颁发的专利或其他文件，具体地和单独表示将其全部内容通过引用结合。通过引用结合在文本中包含的定义中排除与本公开中的定义相抵触的部分。

因此，一般而言，如上所述的装置和方法，将参考下面的实施例理解，这并非以任何方式理解为意图限制上述的设备或方法。

实施例

这里所描述的设备的操作包括将气体混合物，其中包括轻烃，引入气态烃入口，和引导气体混合物通过所述气体放电室，其中包括一种非热重复脉冲滑动放电。当轻烃(C₁-C₄)接触非热重复脉冲滑动放电，自由基团重新排列至重整形成饱和液体С₅-С₂₀烃和氢气。这两种材料然后离开反应器并被收集。在气体放电室内部的烃的转化率可能达到90％，并可以通过改变重复脉冲的高压(HV)发生器的输出功率进行调整。在反应器出口，液体产品被收集。废气(H₂和残余С₃-С₄)通过气体管道排入排气口。作为选择，残余的烃类气体可以再循环进入***。此外，废氢气，H₂，可收集起来用于其他反应或其他用途，或可排入环境。

重复脉冲高压发生器。重复脉冲高压发生器是一种半导体发生器，被设计用于反应器内的气体放电的点火、维护、和馈电(feeding)。重复脉冲高压发生器是实施烃类气体转化过程中所需的能量的主要来源。高压发生器包括晶闸管作为HV脉冲形成的有源元件，并以重复脉冲模式工作。许多HV发电机的运行参数列于表2。

表2.重复脉冲HV发生器的操作参数

操作电压	10–15kV
		峰值电流	最高达20A
最大峰值功率	200kW
		脉冲极性	正
最大脉冲持续时间半高值	35±2μs
		脉冲波形	三角形
重复频率	1kHz
		环境温度	从+10到+30℃(实验室条件)
输入电压	单相线，110V/60Hz
		冷却	空冷
尺寸hxdxlm3	0.15x0.3x0.4m3
		重量(包括高压单元的变压器油)	约27kg

等离子体化学反应器。该反应器包括气体放电室，并提供有效的自由基形成和液体物质形成的条件。它向气体放电传送能量，实现初始气体到液体的转换和从放电区中快速去除所述液体。在图2所示的是反应器的一个外部视图。

表3.反应器信息.

输入电压	来自发生器
		电功率	最高达25W
环境温度	从+10到+30℃(实验室条件)
		气体流速	大于6.3×10-6m3/s
液体流速	(1-2)×10-8m3/s
		工作容量	10-5kg/s
尺寸	直径-0.2m，高度-0.05m
		重量	约3kg

实施例1：液体吸着剂首先被添加到的液体吸着剂贮存器，其水平高度被调整到刚好低于接收器入口管。该方法在环境气体温度和大气压力下进行。丙烷-丁烷原料气混合物的摩尔比为1:3，然后，以约23升/分钟的流速引入到反应室中。正辛烷用作液体吸着剂。每一个脉冲存入气体的比能量为1J/cm³，高电压脉冲的重复频率设定在1000Hz，电极之间的放电间隙为1.5cm。该反应操作一小时。在这段时间内，96.5毫升的液体冷凝物被收集。液体冷凝物主要是烷烃的混合物(产率：87摩尔％)。

在实验进行中，留心安全预防措施，包括使用时所有的电气连接，并确保适当的通风。此外，脉冲功率源适当地接地；废气通风，处理，或捕获，支持物和表面电绝缘，或至少良好接地；发电机起始之前，气体流动运行足够长的时间除去残留在反应器内的空气。

等效

本公开并不限于本申请中描述的特定实施方案。在不脱离其精神和范围的情况下，可以作出许多修改和变化，这些对本领域的技术人员而言将是显而易见的。除了本文中所列举的那些，根据前面的描述，功能等效的方法和组合物在本发明公开范围之内，这些对本领域的技术人员而言将是显而易见的。这些修改和变化都将落入所附权利要求书的范围内。本公开仅由所附的权利要求的条款的限制，以及这些权利要求的等同的全部范围。应当理解，本公开并不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或生物***，当然也可以有所不同。也应当理解，本文使用的术语仅为描述特定实施方案的目的，并没有意图进行限制。

此外，在以马库什组形式描述的本公开的特征或方面，本领域中的技术人员将认识到，本公开也由此描述了马库什组的任何单个组员或子组。

本领域技术人员理解，就任何和所有目的而言，特别是在提供的书面描述中，应当理解本文中公开的所有范围也包括任何和所有可能的子范围和各子范围的组合。任何列出的范围可以很容易地确认为充分描述且相同的范围能够被分解成至少相等的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等。作为一个非限制性的例子，本文所讨论的每个范围，可以很容易地分解也将被理解成下三分之一(lower third)，中三分之一(middle third)和上三分之一(upper third)等。本领域技术人员能够理解，所用语言如“最多达”、“至少”、“大于”、“小于”及类似用语包括所述及的数目，并涉及可随后分解成如上面所讨论的子范围的范围。最后，本领域的技术人员理解，一个范围包括每个单独的部件。

虽然某些实施例中已经示出和描述，但是应当理解，在不脱离如权利要求书中限定的最广泛方面的情况下，根据本技术领域的普通技术可以在此作出变化和修改。

Claims (35)

1.一种方法，包括：

将气态烃引入到反应器中，该反应器包括：

复数个第一电极，各自独立地连接到脉冲高压电源；

复数个接地的第二电极；和

槽；

所述复数个第一电极通过放电区域与所述复数个第二电极分开；

向所述槽引入液体吸着剂；

在所述放电区域中产生的非热重复脉冲滑动放电；以及

生成液体烃组合物。

2.如权利要求1的方法，其中在所述反应器中的液体吸着剂的水平被保持在紧邻所述放电区域。

3.如权利要求1的方法，其中所述的非热重复脉冲气体放电反应器中的单个脉冲的持续时间小于100ns。

4.如权利要求1的方法，其中非热重复脉冲气体放电反应器内的电场强度小于8kV/cm。

5.如权利要求1的方法，其中等离子体的比能量为约0.2J/cm³至约2.5J/cm³。

6.如权利要求1的方法，其中所述气态烃为C₁、C₂、C₃或C₄烷烃。

7.如权利要求6的方法，其中所述气态烃是甲烷、乙烷、正丙烷、异丙烷、正丁烷、异丁烷、叔丁烷，或它们的任何两种或更多种的混合物。

8.如权利要求1的方法，其中所述气态烃还包含CO₂、空气或氧气。

9.如权利要求1的方法，其中所述气态烃中还包含CO₂。

10.如权利要求1的方法，其中所述反应器还包括固体催化剂。

11.如权利要求10的方法，其中所述固体催化剂包括氧化铝、铝硅酸、磷酸铝、Li、Na、K、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt，或它们的任何两种或更多种的混合物。

12.如权利要求1的方法，其中所述液体吸着剂是汽油、柴油燃料、煤油、液体烷烃，或任何两种或更多种的这类材料的混合物。

13.如权利要求2的方法，其中单次放电时间为在约10ns的量级。

14.如权利要求14的方法，其中每次放电之前的充电时间为约10μm至100μm，约10μm到80μm，约20μm到50μm，或者约35μm。

15.如权利要求1的方法，其中所述液态烃组合物包含饱和烃，所述非热重复脉冲气体放电的比能量是每脉冲约0.5J/cm³至约2J/cm³。

16.如权利要求1的方法，其中所述液态烃组合物包括烯烃，所述非热重复脉冲气体放电的比能量是每脉冲约2J/cm³。

17.如权利要求16的方法，其中所述反应器包括固体催化剂，该固体催化剂包括沸石，第IIB、IVB、VB或VIB族元素的氧化物，第VIIIB族的元素，或它们的任何两种或更多种的混合物。

18.如权利要求1的方法，其中所述液态烃组合物包含烃油，所述气体放电的比能量为每一个放电脉冲约2J/cm³至约2.5J/cm³。

19.如权利要求18的方法，其中所述反应器包括固体催化剂，所述固体催化剂包括阳离子，金属氧化物，或第IIA、IIIA、IVB、VB或VIIIB族元素的复合物，或它们的任何两种或更多种的混合物。

20.如权利要求1的方法，其中所述气态烃还包含O₂，且O₂浓度较低，低于点火极限。

21.如权利要求1的方法，其中所述反应器包含固体催化剂，所述固体催化剂包括第HA、IVA、IIB、IVB族元素的氧化物和第VIIIB族元素。

22.一种装置，包括非热重复脉冲滑动放电反应器，该反应器包括：

高压电源，其配置以提供脉冲的高压电位；

气体入口；

液体吸着剂入口；

产物出口；

复数个第一电极，各自独立地连接到高压电源；

复数个接地的第二电极；和

槽；

所述复数个第一电极通过放电区域与所述复数个第二电极分开。

23.如权利要求22所述的装置，其中所述槽包括固体催化剂。

24.如权利要求23所述的装置，其中所述固体催化剂包括氧化铝；铝硅酸；磷酸铝；沸石；金属氧化物；阳离子；第IIB、IVB、VB或VIB族元素的氧化物；第VIIIB族元素；第IIA、IIIA、IVB、VB或VIIIB族元素的复合物，或它们的任何两种或更多种的混合物。

25.如权利要求22所述的装置，其中所述高压脉冲发生器配置为传递小于100ns的单个脉冲。

26.如权利要求22所述的装置，其中所述反应器配置为提供小于8kV/cm的电场强度。

27.如权利要求22所述的装置，其中所述反应器配置为提供具有约0.1至约5J/cm³的比能量的放电。

28.如权利要求22所述的装置，其中所述复数个第一电极和复数个第二电极安装至反应器主体。

29.如权利要求28所述的装置，其中所述复数个第一电极和所述复数个第二电极呈环状安装至反应器主体。

30.如权利要求29所述的装置，其中所述槽以环的形式形成在所述反应器主体中。

31.如权利要求30所述的装置，所述反应器主体还包括一个或多个径向通道，其将所述槽连接到所述反应器主体的中心区域。

32.如权利要求22所述的装置，还包括液体吸着剂贮存器。

33.如权利要求22所述的装置，还包括接收器。

34.如权利要求22所述的装置，其中所述槽包括聚四氟乙烯。

35.如权利要求22所述的装置，其中所述第一和第二电极包括铁、铬、镍、金、银、铜、铂、钇、铱、钯、铼、钌、钼、钨、钛、钒、它们的合金、它们的氧化物、石墨，或它们的任何两种或更多种的混合物。

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