处理气体的系统和方法发明专利

专利名称：处理气体的系统和方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN201980061468.2

专利申请（专利权）人：转化材料有限公司
权利人地址：美国佛罗里达州

专利发明（设计）人：D·S·索内,J·N·阿斯克拉夫特,J·S·哈默特,M·E·索德尔霍尔姆,M·莱德斯,A·O·桑塔娜,M·E·欧莱利

专利摘要：本发明包括一种用于将含有碳氢化合物类的流入气体转化为流出气体产品的气体处理系统，其中该系统包括气体输送子系统、等离子体反应室和微波子系统，其中气体输送子系统与等离子体反应室流体连通，使气体输送子系统将含烃流入气体导入等离子体反应室，微波子系统将微波能量导入等离子体反应室，使含碳氢化合物流入气体通电，从而在等离子体反应室中形成等离子体，等离子体影响转化一种碳氢化合物，在含碳氢化合物的流入气体中流入流出气体的产品，包括乙炔和氢气。本发明还包括气体处理系统的使用方法。

主权利要求：
1.一种系统，用于将含有碳氢化合物的流入气体转化为流出气体产品，包括：气体输送子系统、等离子体反应室、微波子系统、流出物分离和处理子系统和真空子系统；
其中所述气体输送子系统与等离子体反应室流体连通，并引导反应含有碳氢化合物的流入气体进入等离子体反应室；
其中所述气体输送子系统包括输送管道和气体喷射器，其中所述输送管道包括原料气输送管道，该原料气输送管道将含有碳氢化合物的流入气体输送到气体喷射器中，以及其中所述输送管道包括额外的气体输送管道，其将额外的气体输送到气体喷射器中；
其中所述含有碳氢化合物的流入气体包括甲烷并且所述额外的气体包括氢气；
其中所述甲烷与氢气的比例为1:1至1:3；
其中所述输送管道与气体喷射器流体连通，其中所述输送管道将所述含有碳氢化合物的流入气体和所述氢气分别通过单独的路径输送到所述气体喷射器，进入所述等离子体反应室；
其中所述等离子体反应室布置在具有近端和远端的细长反应器管内，并且所述细长反应器管在尺寸上适于与所述微波子系统相互作用；
其中所述微波子系统将微波能量引导进入等离子体反应室，以使含有碳氢化合物的流入气体通电，从而在等离子体反应室中形成非热等离子体，以及其中，所述等离子体使所述含有碳氢化合物的流入气体中的甲烷和所述额外的气体中的氢气转化为所述流出气体产品，其中所述流出气体产品包括乙炔和氢；以及其中所述流出气体产品可从细长反应器管的远端流出以形成进入流出物分离和处理子系统的流出物流。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述含有碳氢化合物的流入气体可以来自混合气源。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述混合气源是天然气。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述混合气源是沼气。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述含有碳氢化合物的流入气体基本上由甲烷组成。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述额外的气体输送管道是再循环气体输送管道，所述额外的气体是再循环气体。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述再循环气体为富氢反应气体。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述富氢反应气体基本上由氢气组成。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体喷射器包括喷射器主体，喷射器主体包括两个或多个同轴布置且独立的气体进料，第一气体进料通过第一组一个或多个喷嘴将含有碳氢化合物的流入气体输送到等离子体反应室，并且第二气体进料通过第二组一个或多个喷嘴将额外的气体输送到等离子体反应室。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，一个或多个喷嘴中的至少一个被定位为与等离子体反应室的纵轴成一定角度或与等离子体反应室的横轴成一定角度。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，一个或多个喷嘴中的至少一个被定位为与喷射器主体的纵轴或横轴成一定角度。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，来自第一组喷嘴和第二组喷嘴的组合气流在等离子体反应室内形成涡流。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述细长的反应器管是石英管。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，等离子体反应器室大致布置在所述细长反应器管的中部。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，气体喷射器将含有碳氢化合物的流入气体和附加气体输送到细长反应器管的近端部分，其中含有碳氢化合物的流入气体和附加气体从该近端流向等离子体反应室。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述气体喷射器位于所述近端部分内的中心，并且所述第一组一个或多个喷嘴和所述第二组一个或多个喷嘴朝向外围。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述气体喷射器位于所述近端部分内的外围，并且第一组一个或多个喷嘴和第二组一个或多个喷嘴朝向中心。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述微波子系统包括用于将微波能量引导到等离子体反应室的施加器，并且等离子体反应室布置在穿过施加器并与其垂直相交的细长反应器管的区域中。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述施加器可以是单臂施加器。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述微波子系统还包括电源、磁控管和波导管，其中所述电源使所述磁控管通电以产生微波能量，所述微波能量由所述波导管传送到所述施加器，并且其中所述施加器将微波能量引导到所述细长反应器管内的反应室，从而在等离子体反应室中形成等离子体。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述磁控管可以产生L波段的微波能量。
22.根据权利要求1所述的系统，其中，流出物分离和处理子系统包括固体过滤器和冷阱。
23.根据权利要求1所述的系统，其中，流出物分离和处理子系统包括变温吸附系统，其适于从所述流出物流中去除高级炔烃。
24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流出物分离和处理子系统包括吸收柱。
25.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流出物分离和处理子系统包括氢分离子系统。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述额外的气体输送管道是再循环气体输送管道，所述额外的气体是再循环气体，所述氢分离子系统与再循环气体输送管道流体连通，其中由氢分离子系统收集的氢再循环到再循环气体输送管道中。
27.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流出物分离和处理子系统包括乙炔分离子系统。
28.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统还包括真空子系统，该真空子系统为流出产物维持第一减压环境，所述流出产物通过流出物分离和处理子系统的一个或多个组件。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述真空子系统可在细长反应器管内产生第二减压环境。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述真空子系统为气体输送子系统产生第三个减压环境。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述第一、第二和第三减压环境在约30托到约
120托的范围内。
32.一种使用前述任一权利要求所述的系统处理含有碳氢化合物的流入气体以产生流出气体产物的方法，该方法包括：将含有碳氢化合物的流入气体和额外的气体输送到等离子体反应室，其中甲烷和氢气的比例为1:1至1:3；
用微波能量给反应室中的含有碳氢化合物的流入气体通电以产生非热等离子体；
形成流出气体产物；
其中所述等离子体使所述含有碳氢化合物的流入气体中的甲烷和所述额外的气体中的氢转化为所述流出气体产物；以及其中所述流出气体产物从所述细长反应器管的远端流出以形成进入流出物分离和处理子系统。 说明书 : 处理气体的系统和方法[0001] 相关申请[0002] 本申请要求2018年8月23日递交的美国临时申请第62/721,863号、2018年9月25日递交的美国临时专利申请62/736,206号和2019年1月17日递交的美国临时专利申请62/793,763号的优先权。上述每篇申请通过引证在此全部并入本文。背景技术[0003] 乙炔可用作化学前体或工业燃烧的原料，如焊接和金属切割。乙炔的商业生产从二十世纪初就开始了。最初的乙炔生产方法是以煤为原料，通过电石中间层的工艺。其他方法是在二十世纪后期发展起来的，主要使用热裂解或电弧炉等热基工艺。[0004] 煤制乙炔过程分为三步：一是将煤加热生成高碳焦炭；二是将焦炭在氧化钙存在下进一步加热生成电石；三是电石与水反应生成乙炔和氢氧化钙。前两步需要非常高的温度，而最后一步是放热。这种形成乙炔的方法仍在商业上使用，特别是在很容易购买到煤的中国。[0005] 然而，这一过程将煤和石灰原料中的杂质带入最终产品中，因此产生的乙炔受到磷化氢、砷化氢和硫酸氢等杂质的污染。所有这些物质都能使催化剂中毒，导致随后的化学反应，因此，在乙炔产品投入商业使用之前，需要将其从乙炔产品中擦掉。用于进一步化学加工的化学级乙炔必须是纯度大于99.6％的C2H2，含有<25ppm的磷化氢/砷化氢/硫化氢。工业级乙炔燃烧用于焊接和金属切割应用，可以容忍更多杂质(>98.0％的纯C2H2，<500ppm的磷化氢/砷化氢/硫化氢)。因此，在美国，煤制乙炔的生产仅限于形成工业级乙炔；尽管如此，即使煤制乙炔仅用于焊接和金属切割，潜在危险污染物的存在也令人担忧。[0006] 作为替代方法，乙炔可以通过部分氧化作用从碳氢化合物中制备，例如通过巴斯夫开发的工艺，如美国专利5,824,834中所述。在这个过程中，碳氢化合物原料和氧气被预热，然后在燃烧室中发生反应，使产生的气体达到>1500℃的温度。燃烧反应用水进行淬火，以实现快速冷却，产生乙炔、氢气、一氧化碳、蒸汽和氧气的气体混合物(称为“裂解气”)副产品。这种生产乙炔的方法产生约7.5％的乙炔，以及大量的氢气(57％)、一氧化碳(26％)和甲烷(5.2％)。其中一种副产品是烟灰，在进一步加工过程中，烟灰需要从裂解气体中去除。其他副产品包括高级碳氢化合物，包括烷烃、烯烃、炔烃和芳烃。从裂解气体中除去杂质并回收其中所含的乙炔是一项重大的工程挑战。[0007] 除了生产问题外，乙炔还很难处理和运输。它爆炸性很强。当通过管道运输时，压力保持在较低的水平，只能短距离运输。工业用乙炔在高压下泵入罐中，溶解在溶剂中，例如二甲基甲酰胺、N‑甲基‑2‑吡咯烷酮或丙酮。当乙炔瓶打开时，溶解气体蒸发并通过连接软管流向焊枪或切割火焰。然而，一个钢瓶中的全部乙炔是不能使用的，因为一定量的乙炔仍然溶解在溶剂中，并在这种状态下返回给制造商。随着20世纪中叶石化工业的兴起，乙炔继续在工业上使用(即用于焊接、金属切割等)，但作为化学反应的前体被取代，取而代之的是直接从石油而不是煤中提取的其他原料(如乙烯)。随着石油变得越来越贵，天然气也越来越便宜，人们越来越关注乙炔作为进一步化工加工的平台，而不是石油原料。[0008] 此外，丰富的天然气正在促使人们寻找更多的方法来使用这种材料，而且避免将其燃烧，以减少其温室气体效应，并避免通过简单的燃烧将其转化为另一种温室气体CO2。对非碳氢化合物燃料来源的日益增长的需求支持将天然气用作生产氢气的原料，而氢气又可以用作动力来源。从天然气中的甲烷中提取氢气的传统技术已经存在。例如，蒸汽重整可以产生氢气和一氧化碳；蒸汽重整过程产生的氢气可以纯形式用于其他应用，如氢燃料电池或燃气轮机，在这些应用中，氢气与氧气结合形成水，而不会产生温室气体排放。其他过程，如部分氧化，可以产生含氢的合成气，一种可燃混合物，可以用作燃料。然而，传统的甲烷制氢技术也有缺点。蒸汽重整是在高温下进行的，而且是能源密集型的，需要昂贵的材料来承受恶劣的反应条件。水蒸气重整利用催化剂将甲烷转化为氢气，但催化剂易受常见污染物的毒害。部分氧化制氢比水蒸气重整制氢效率低，容易形成烟尘，制氢量有限。[0009] 除天然气外，海洋包合物、煤矿瓦斯、沼气等其他混合气源也含有甲烷气体。沼气是自然产生的混合气体源，由有机废料在各种人类创造的环境(如填埋场、粪池、废物设施等)和自然环境(如泥炭沼泽、融化的永久冻土等)中的厌氧分解产生。在这种环境中出现的厌氧细菌消化积聚在那里的有机物质，产生主要由二氧化碳和甲烷组成的气体混合物。甲烷含量高的沼气，如在垃圾填埋场衍生的气体混合物中发现的那样，可能是危险的，因为甲烷具有潜在的易燃性。此外，甲烷是一种有效的温室气体。目前，从有机分解中收集的沼气(例如，填埋场、废物设施、蓄水池等，或含有腐烂有机材料的自然区域)可被净化以去除去二氧化碳和其他痕量气体，从而产生高浓度甲烷以产生能量。然而，仅仅燃烧富含甲烷的沼气就会产生另一种温室气体二氧化碳。最好确定沼气或其他混合气体来源的用途，这些来源可以在不燃烧的情况下开发其能源潜力，减少甲烷的温室气体效应，同时避免将甲烷转化为另一种温室气体CO2。[0010] 因此，本领域需要一种利用天然气或沼气等混合气源和/或更多纯化烃原料(例如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷及其组合)形成高价值产品的工艺。对于打算生产乙炔的那些工艺，使用混合气体源(例如天然气或沼气)和/或更纯净的碳氢化合物原料(例如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷)作为原料将是有利的，避免了其他混合气体转化工艺或碳氢化合物燃烧工艺的限制，同时利用了这些原料的丰富性。同时，本领域需要一种工艺，该工艺可以使用诸如天然气或沼气等混合气体源和/或更纯净的碳氢化合物原料，以方便且具有成本效益的方式生产乙炔。生产杂质最少的乙炔尤其有利，这样就可以安全地使用，而无需大量额外加工。此外，本领域还需要可规模可控且有效地提供替代燃料，例如氢。最好以经济和对环境负责的方式开展这些进程。[0011] 此外，乙炔还可用作各种工业应用的燃料，例如金属切割。这种用途代表了一个重要的市场，在规模上可与乙炔的各种石化用途相媲美。目前，乙炔的主要工业用途是用作氧乙炔焊枪的燃料，用于切割钢材；除切割外，乙炔还用于钢材的某些焊接、渗碳和热处理。氧乙炔焊炬比其他氧燃料焊炬(如氧氢焊炬(3000℃)和氧丙烷焊炬(2500℃))在更高的火焰温度(3500℃)下燃烧，氧乙炔形成更小、更精确的火焰锥。这些特点允许更高的质量和更精确的切割比其他类似的氧气燃料切割方法。此外，由于乙炔燃烧所需的氧气化学计量比小于丙烷等其他燃料，因此氧乙炔焊炬比其他氧燃料焊炬消耗的氧气更少，从而降低了氧气操作成本。最后，其他碳氢燃料类型(如氧丙烷火炬)的火焰温度较低，对氧气的要求较高，因此不完全燃烧的风险较高，在工作环境中会产生危险的一氧化碳。基于上述原因，氧乙炔切割是钢铁切割行业的标准。[0012] 然而，如前所述，乙炔的生产和运输存在限制。因此，为工业切割采购乙炔既昂贵并且在逻辑上具有挑战性。首先，作为火炬燃料的乙炔必须用小金属瓶运输和储存，因为有爆炸的危险。为了降低爆炸风险，钢瓶中的乙炔溶解在丙酮中，降低了分压，从而降低了爆炸的可能性。由于丙酮与乙炔一起存在于钢瓶中，因此只能在低流速下抽取乙炔(例如，每小时不得超过容器内容物的1/7)，为了减少丙酮与气体供给中的乙炔‑丙酮一起被吸入流出管线的可能性，会降低火焰温度和切割过程的质量。即使流出率很低，钢瓶中的乙炔也会很快耗尽；一旦耗尽，如果没有广泛的安全基础设施和专业知识，钢瓶就不能在现场重新填充，这同样是因为存在爆炸的风险。由于其体积小，气缸不能很好地扩展到更大的操作，而是必须通过歧管并联，这增加了项目的复杂性。此外，由于存在爆炸风险，钢瓶在运输过程中需要采取一些安全预防措施，这增加了成本和物流方面的挑战。[0013] 本领域仍然需要一种更简化、更安全的乙炔提供方法。最好避免使用含丙酮的钢瓶作为金属加工用乙炔气体的储存库。例如，根据需要提供乙炔燃料是有益的，这样可以避免气瓶储存的体积和流量限制。此外，在靠近乙炔使用点的地方生产乙炔也很有利，以避免运输时遇到钢瓶特有的困难。发明内容[0014] 本发明在实施方案中公开了一种气体处理系统，用于将含有碳氢化合物的流入气体转化为流出气体产品，包括气体输送子系统、等离子体反应室和微波子系统，其中气体输送子系统与等离子体反应室流体连通，并引导反应含有碳氢化合物的流入气体进入等离子体反应室，其中微波子系统将微波能量导入等离子体反应室，以使含有碳氢化合物的流入气体通电，从而在等离子体反应室中形成等离子体，其中，所述等离子体使所述含有碳氢化合物的流入气体中的碳氢化合物转化为所述流出气体产品，所述流出气体产品包括乙炔和氢。在实施方案中，所述含有碳氢化合物的流入气体可以来自混合气源，所述混合气源可以是天然气或沼气；在实施方案中，所述含有碳氢化合物的流入气体包括选自甲烷、乙烷、丙烷和丁烷的气体，而含有碳氢化合物的流入气体基本上可以由甲烷组成。在实施方案中，气体输送子系统包括输送管道和气体喷射器，其中输送管道与气体喷射器流体连通，其中输送管道将一种或多种气体输送至气体喷射器，并且其中气体喷射器将一种或多种气体输送至等离子体反应室。输送管道可以包括原料气输送管道，该原料气输送管道将含有碳氢化合物的流入气体输送到气体喷射器中，并且含有碳氢化合物的流入气体可以包括甲烷或者基本上由甲烷组成。在实施方案中，输送管道包括额外的气体输送管道，其将额外的气体输送到气体喷射器中，并且额外的气体可以是氢。在实施方案中，额外的气体输送管道是将辅助气体输送到气体喷射器的辅助气体输送管道，或者额外的气体输送管道是将再循环气体输送到气体喷射器的再循环气体输送管道。再循环气体可包含氢，或其可包含富氢反应气体，其可基本上由氢组成，或再循环气体可基本上由富氢反应气体组成。[0015] 在实施方案中，输送管道通过单独的路径将一种或多种气体输送到气体喷射器中。在实施方案中，气体喷射器包括喷射器主体，喷射器主体包括两个或多个同轴布置且独立的气体进料，第一气体进料通过第一组一个或多个喷嘴将含有碳氢化合物的流入气体输送到等离子体反应室，并且第二气体进料通过第二组一个或多个喷嘴将额外的气体输送到等离子体反应室。在实施方案中，一个或多个喷嘴中的至少一个被定位为与等离子体反应室的纵轴成一定角度或与等离子体反应室的横轴成一定角度。在实施方案中，一个或多个喷嘴中的至少一个被定位为与喷射器主体的纵轴或横轴成一定角度。来自第一组喷嘴和第二组喷嘴的组合气流在等离子体反应室内形成涡流。在实施方案中，等离子体反应室布置在具有近端和远端的细长反应器管内，并且细长反应器管在尺寸上适于与微波子系统相互作用。细长反应器管可以是石英管。等离子体反应器室可大致布置在所述细长反应器管的中部。在实施方案中，气体喷射器将含有碳氢化合物的流入气体和附加气体输送到细长反应器管的近端部分，其中含有碳氢化合物的流入气体和附加气体从该近端流向等离子体反应室。所述气体喷射器可位于所述近端部分内的中心，并且所述第一组一个或多个喷嘴和所述第二组一个或多个喷嘴朝向外围；或者，所述气体喷射器位于所述近端部分内的外围，并且第一组一个或多个喷嘴和第二组一个或多个喷嘴朝向中心。在实施方案中，微波子系统包括用于将微波能量引导到等离子体反应室的施加器，并且等离子体反应室布置在穿过施加器并与其垂直相交的细长反应器管的区域中。所述施加器可以是单臂施加器。在实施方案中，所述微波子系统还包括电源、磁控管和波导管，其中所述电源使所述磁控管通电以产生微波能量，所述微波能量由所述波导管传送到所述施加器，并且其中所述施加器将微波能量引导到细长反应器管内的反应室，从而在等离子体反应室中形成等离子体。磁控管可以产生L波段的微波能量。在实施方案中，等离子体反应室内的等离子体产生流出气体产物，并且流出气体产物在等离子体反应室内向远端流向细长反应器管的远端。流出产物可从细长反应器管的远端流出，进入流出物分离和处理子系统。在实施方案中，流出物分离和处理子系统可包括固体过滤器和冷阱，和/或可包括吸附柱，和/或可包括适于从流出物流中去除非氢组分的变压吸附系统，和/或可包括变温吸附系统，其适于从排出流中去除高级炔烃，和/或可包括吸收柱，其在实施方案中可吸收乙炔，和/或可包括足以氧化高阶碳氢化合物的量的浓酸，和/或可包括适于将高阶碳氢化合物转化为可从产物流分离的衍生化合物的催化剂，和/或可包括冷凝器，和/或可包括气体分离膜阵列，其在实施方案中可从产物流分离氢，和/或可包括氢分离子系统其在实施方案中可与再循环气体输送回路流体连通，其中由氢分离子系统收集的氢再循环到再循环气体输送回路中，和/或可包括乙炔分离子系统。在实施方案中，该系统还包括真空子系统，该真空子系统为流出产物维持第一减压环境，所述流出产物通过流出物分离和处理子系统的一个或多个组件。真空子系统可在细长反应器管内产生第二减压环境，和/或其可为气体输送子系统产生第三个减压环境。在实施方案中，真空子系统产生第一、第二和第三减压环境；在实施方案中，第一、第二和第三减压环境在约30托到约120托的范围内。在实施方案中，减压环境中的至少一个在约50到约100托之间，或在约60到约80托之间。在实施方案中，第一、第二和第三减压环境基本相似。在实施方案中，该系统还包括冷却子系统。所述冷却子系统可以包括水冷却子系统和气体冷却子系统中的至少一个。在实施例中，气体冷却子系统包括基于氮气的冷却回路，并且基于氮气的冷却回路可以包括用于系统部件的一个或多个外壳，由此一个或多个外壳被充分密封以将氮气包围在部件周围并且从中排除氧气。在实施方案中，系统包括数据管理和安全子系统。[0016] 本文进一步公开了处理含有碳氢化合物的流入气体以产生乙炔气体的方法，包括提供含有碳氢化合物的流入气体、将含有碳氢化合物的流入气体注入反应室、用微波能量给反应室中的含有碳氢化合物的流入气体通电以产生等离子体；在等离子体中形成气体产物，其中一种气体产物是乙炔气体；并使气体产物流出反应室。在实施方案中，含有碳氢化合物的流入气体来自混合气源；混合气源可以是天然气或沼气。在实施方案中，含有碳氢化合物的流入气体包括从甲烷、乙烷、丙烷和丁烷组成的组中选择的气体，并且它基本上可以由甲烷组成。在某些实践中，该方法还包括提供一个或多个附加气体的步骤，该步骤伴随着提供含碳氢化合物的流入气体的步骤，并且该一个或多个附加气体可从氢、氮和再循环气体组成的组中选择。在实施方案中，再循环气体包含富氢反应气体，其可基本上由氢组成。在某些实践中，该方法还包括在使气体产物流出反应室的步骤之后从气体产物中分离乙炔气体的步骤。在某些实践中，该方法还包括回收至少一种气体产品的步骤。在实施方案中，至少一种气体产品可以包含氢气，或者基本上由氢气组成。[0017] 本文还公开了将含碳氢化合物的流入气体转化为流出气体的方法，包括提供含碳氢化合物的流入气体，将含碳氢化合物的流入气体导入如上所述的气体处理系统，以及使用上述气体处理系统处理含有碳氢化合物的流入气体，以将流入气体转化为流出气体，其中流出气体包括乙炔。在实施方案中，所述含碳氢化合物的流入气体来自混合气源，所述混合气源可以是天然气或沼气。在实施方案中，流出气体还包括氢。[0018] 此外，本文还公开了金属切割系统，包括如上所述的气体处理系统和储存系统，用于容纳由该系统产生的流出气体产品；以及与储存系统流体连通的金属切割设备，其中，所述设备从所述存储系统中抽取所述流出气体产品并将其点燃以用于金属切割。在实施方案中，该设备是乙炔炬或氧乙炔炬。在实施方案中，金属切割系统还包括与上述气体处理系统流体连通的氢气分离系统，其中流出气体流入氢气分离系统，其中氢气分离系统将流出气体分离为两个产品流，其中一个产品流为一种富乙炔气体；其中用于金属切割的设备使用存储在存储系统中的富乙炔气体作为金属切割的燃料。[0019] 附图简要说明[0020] 图1是一个示意图，显示了甲烷转化为氢、碳和碳氢化合物产品所涉及的各种化学反应。[0021] 图2示意性地描绘了基于等离子体的碳氢化合物处理系统和组件子系统。[0022] 图3示意性地描述了气体输送子系统。[0023] 图4A和4B示出了气体喷射器的实施方案。[0024] 图5、6和7示出了微波子系统的实施方案。[0025] 图8是示出与基于等离子体的碳氢化合物处理系统的其它子系统集成的真空子系统的示意图。[0026] 图9是基于等离子体的碳氢化合物处理系统和相关子系统的框图。[0027] 图10是反应室及其部件的示意图。[0028] 图11A是气体喷射器的横截面示意图。[0029] 图11B是气体喷射器的横截面示意图。[0030] 图12是微波子系统的示意图。[0031] 图13是用于气体处理的小型系统的框图。[0032] 图14是用于气体处理的小型系统的框图。具体实施方式[0033] 本文更详细地公开了用于将C1‑C4碳氢化合物(包括不饱和碳氢化合物和饱和碳氢化合物，例如甲烷(例如从天然气或沼气等混合气体源中获得))转化为氢、乙炔和其他碳基产品的系统和方法。在实施方案中，这些系统和方法使用由微波能量产生的非热等离子体来实现这些转换。在实施方案中，本文所公开的系统和方法可被优化(“调谐”)以最大化乙炔或氢的有效生产，作为可被分离以进一步商业化的产品；在其它实施方案中，这些系统和方法可被调谐以产生用于特定工业目的的这些气体的组合。[0034] 1.概述[0035] a.非热等离子[0036] 等离子体，即物质的第四种状态，是一种电离气体：任何气体都可以通过向其施加足够的能量来产生大量的带电物质，即电子和离子，从而转化为等离子体。等离子体具有气体的某些特性，但它们不同于普通的气态，因为它们对电场和磁场都有响应，而这些特性是由于存在于等离子体状态中的带电物质造成的。尽管有这些特性，等离子体是电中性的，这一特性被称为准中性。除了等离子体中存在的前体气体中的离子和自由电子外，等离子体还包括不带电的中性气体物质和可进入其他化学反应的前体分子。一些弱电离气体不一定满足等离子体的所有条件，但仍可能具有许多影响其行为的类等离子体性质。例如，许多工业应用中使用的高压等离子体都属于这一类。[0037] 等离子体的一个基本特征是其温度。等离子体已被用于化学和工业应用中，因为它们能产生比传统化学工程过程中获得的温度高得多的温度。在等离子体中，能量传递给电子，电子又通过碰撞将能量传递给更重的粒子。电子的温度比较重的粒子要高，达到一个平衡温度，这个温度反映了等离子体中各种粒子的碰撞频率和辐射过程。具有接近重粒子平动温度(T0)的电子温度(Te)的等离子体被定义为热等离子体，气体温度大于3000K。相比之下，在非热等离子体中，高能电子可以与具有相当低温度的物种共存。因此，非热等离子体的平动温度T0可以远低于等离子体的电子温度Te–Te在工业等离子体中可以接近11600k，在其他类型的等离子体中甚至更高。[0038] 当等离子体包含分子(如H2、N2或CH4)而不仅仅是原子时，等离子体中的能量情况更为复杂。这些分子能够在各种旋转和振动运动中储存能量，因此具有与其相关的旋转和振动温度。这种等离子体的这些温度通常介于等离子体的平动温度和电子温度之间，它们可以影响等离子体的行为及其相关的化学性质。本文公开的技术基于非热等离子体将电输入能量的主要部分转移到构成原料气中的高能电子的能力，而不是加热气体本身。通过电子碰撞、电离、离解和激发，产生了带电的原子和分子物种(例如电子、离子、自由基)，它们可以参与化学反应。[0039] 由于甲烷的稳定性，它特别耐受化学转化：打破甲烷中的C‑H键需要1664kJmol‑1的焓变。使用下面描述的技术，可以产生并利用非热等离子体来打破C1‑C4碳氢化合物中的键，包括甲烷键，并以高效率和选择性产生乙炔和氢分子。[0040] b.微波等离子体的产生[0041] 在实施方案中，用于这些系统和方法的等离子体是微波等离子体，通过将微波能量引导到含有甲烷的原料气形成，如下更详细地描述。尽管甲烷在本说明书中用作示例性实施例，但应理解，其它短链烷烃(例如乙烷、丙烷、丁烷)也可用作原料气，或者用作单一气体原料气，或者与彼此或与甲烷组合使用。[0042] 本文所述的微波等离子体工艺是气相工艺，使用气体反应物前体来形成所需的气体产物。由于电场的振荡频率相对于分子和电子的碰撞频率非常快，微波产生的等离子体往往处于高度的非平衡状态，这意味着电子和振动的温度可以远远高于气体的温度。在实施方案中，微波等离子体中带电物种(电子、离子)和不带电物种(分子、原子、粒子)之间的碰撞传递能量：由于等离子体自由电子中包含的能量，该微波激发等离子体支持高度反应性化学环境。由于前体气体的高度电离、中间体的化学离解和电离以及等离子体中振动和激发能的升高，下面描述的所需化学反应快速有效地进行。[0043] 在不受理论约束的情况下，微波辐射被理解为通过气体前体产生等离子体。当前体气体(例如甲烷)受到满足或超过此类气体介电强度的微波辐射时，微波场区域中的自由电子(来自背景辐射或其他源)能够从与中性分子碰撞之间的微波电场中获得足够的能量它能使另一个原子或分子电离。二次电离电子随后在微波辐射电场控制的方向上加速，它也获得能量，直到引起另一次电离事件。这个电离过程在整个微波场区域进行，直到达到稳定状态。等离子体中电子的最终数目主要取决于等离子体的电子损失过程，如扩散、复合和附着。[0044] 本文公开的系统和方法使用C1‑C4碳氢化合物，例如甲烷，作为经受微波辐射的反应物前体气体。甲烷可用于示例说明适于在这些系统和方法中使用的反应物前体气体。[0045] 如上所述，甲烷在等离子体中的解离由与带电电子的碰撞引发，导致CHx自由基的形成。主要的初始反应是甲烷中C‑H键的断裂，最终形成CH3*、CH2*、CH*、H*和C。这些自由基可以重组形成两个碳碎片，如以下方程式所示：[0046] CH3*+CH3*→C2H6[0047] CH2*+CH2*→C2H4[0048] CH*+CH*→C2H2[0049] CH3*+CH*→C2H4[0050] CH3*+CH2*→C2H4+H*[0051] CH3*+CH*→C2H4[0052] CH3*+CH*→C2H2+H2[0053] CH2*+CH*→C2H2+H*[0054] 此外，甲烷可与各种自由基结合形成两个碳碎片，如以下等式所示：[0055] CH4+CH3*→C2H6+H*[0056] CH4+CH2*→C2H6[0057] CH4+CH2*→C2H4+2H*/H2CH4+CH*→C2H4[0058] CH4+CH*→C2H2+H*+H2[0059] 除了所示的形成两个碳碎片和氢的反应外，等离子体产生的自由基之间以及与前体气体的复合也可以形成高阶碳氢化合物。如本文所使用的，术语“高级碳氢化合物”是指具有3个或更多碳原子的任何碳氢化合物，无论是饱和的还是不饱和的，包括芳烃。[0060] 此外，甲烷完全脱氢，形成元素碳和氢气。代表性反应如图1所示。如图1所示，虚线内示出了产生碳氢化合物的许多示例性反应，而虚线外示出了元素产物(氢和碳)。[0061] 在实施方案中，可优化参数以最大限度地形成乙炔。在其它实施方案中，可优化参数以最大化氢的形成。作为一般原则，例如，如果进入等离子体反应室的原料气与碳氢化合物输入相比包含较少的氢，则输出将形成更多的氢，可能与更多的碳固体结合。根据这一原理，为了最大限度地生成氢气，可以使用纯烃进料，产生更多所需的氢气以及一定量的碳固体。影响产品选择性的因素(例如，允许优先形成乙炔而不是其他物种，或允许优先形成氢而不是碳氢化合物产品)包括但不限于反应物前体气体的特性，向系统中添加其他气体，进入系统的任何气体的流速、反应器系统中的温度和压力、产生等离子体所用的微波功率和流动几何形状、反应区中的能量密度、等离子体周围电场的排列以及反应器容器的几何形状和尺寸。在实施方案中，静电场和磁场可用于影响等离子体的行为，从而影响产物选择性。[0062] c.前体气体[0063] 对于本文公开的系统和方法，C1‑C4烷烃(例如，甲烷、乙烷、丙烷和丁烷)或其他烃类气体可单独使用或与其他气体组合使用作为前体气体。在这些系统和方法的实施方案中，甲烷是主要前体气体。在实施方案中，当其进入等离子体反应室时可与氢和/或氮结合，形成通电至等离子体状态的单一气体混合物。在实施方案中，甲烷通过其自身的一组喷嘴进入等离子体反应室，而其他气体(例如氢和/或氮)通过不同的一组或多组喷嘴分别添加到等离子体反应室。甲烷可以在纯状态下使用，也可以作为市售气流的一部分引入系统中。[0064] 天然气或沼气等混合气源是这种前体气体的特别有利来源。如本文所使用的，术语“沼气”是指有机废物在各种自然或人造环境中厌氧分解产生的混合气体；术语“沼气”包括可发生这种产生气体的厌氧分解的所有自然或人造环境，例如填埋场，粪池、城市垃圾场、污水处理设施、农业垃圾场、永久冻土腐烂等。从这些场所收集或回收的沼气可被处理或升级以增加其甲烷含量并去除杂质，使得其特别适合作为本文所公开的系统和方法的前体气体。[0065] 沼气由城市废物、农业废物、植物材料、污水、粪便、食物废物或其他天然或人造有机源等原材料产生，通常通过有机材料的厌氧消化或发酵在封闭系统中形成。这个过程的第一个阶段是水解，在水解过程中，不溶性有机聚合物被分解成糖和氨基酸，作为厌氧产酸细菌活动的底物。在第二阶段，这些细菌将糖和氨基酸转化为二氧化碳、氢、氨和有机酸；产酸细菌进一步将有机酸转化为乙酸、氨和二氧化碳。作为第三阶段，一个单独的厌氧菌群，产甲烷菌，将这些发酵产物转化为甲烷和二氧化碳。沼气含有甲烷和二氧化碳的混合物以及气体副产品，如硫化氢，可以收集和处理，以去除二氧化碳和不受欢迎的气体产品，使气体混合物具有高浓度的甲烷，适合能源生产或进一步加工。沼气中的甲烷通过沼气升级过程进行浓缩，从而生产出与化石天然气具有类似性能特征的产品。[0066] 诸如水洗、吸附、膜分离、胺气处理等工艺可用于沼气升级。在沼气用作气源之前，可以有利地进行升级过程以去除沼气中的氧气。原料气中的氧可使其易于燃烧；此外，氧可腐蚀本文所公开的基于等离子体的碳氢化合物处理系统中使用的设备。此外，在某些情况下，可能需要除氧以满足监管标准或其他纯度要求。许多除氧技术适用于沼气。例如，氧可与还原金属物种反应，从而氧化金属并消耗氧。然后，通过将含氢或含一氧化碳的气流通过金属物种，分别产生水或二氧化碳，通过还原金属物种，将氧化金属物种再生回活性形式。钯或镍等金属物种可用于在>500°F下催化燃烧氧气，碳氢化合物物种与氧气混合。作为另一种方法，固体清除剂可以一次性使用来捕获氧气。例如，Fe2S3可以与三摩尔当量的分子氧反应，形成铁锈和元素硫。作为另一种方法，氧气可以通过分子筛从其他气体中分离出来，例如5A或13X分子筛，类似于空气分离装置(ASUs)中的技术。其他沼气的升级过程将提供给熟练的技工使用不超过常规实验。升级后的沼气可以达到与美国管道中的天然气类似的纯度和质量，并且可以用于同样的目的。[0067] 从地球上提取的天然气主要是甲烷，使其成为这些系统和方法的有用前体气体来源。通常，它还包括高阶碳氢化合物，如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷，以及非碳氢化合物杂质。下表(表1)说明了天然气的典型组成：[0068] 表1[0069][0070] 来源:http://naturalgas.org/overview/background[0071] 天然气在用于商业或家用之前，通常经过处理以去除大部分非甲烷成分，因此当天然气到达消费者手中时，它几乎是纯甲烷。例如，商用天然气可包括约96％的甲烷。虽然美国有一个庞大的管道系统，在天然气被去除杂质后将其输送到消费市场，但在远离这些市场和远离管道基础设施的地区发现了许多天然气(通常称为偏远或“搁浅”的天然气)。在实施方案中，本文公开的系统和方法可以在原位使用，例如在绞合天然气的位置，将其转化为乙炔和其他有用的产品；这些系统和方法相应地提供了将绞合天然气用作资源的经济有效的方法。[0072] 2.系统和子系统[0073] 在实施方案中，本文所公开的基于等离子体的碳氢化合物处理系统可包括六个子系统：1)气体输送子系统，2)微波子系统，3)真空子系统，4)冷却子系统，5)流出物分离和处理子系统，以及6)数据管理和安全子系统。下面将更详细地描述这些子系统。这些子系统的集成如图2所示。这些子系统和方法的理想输出可以包括高甲烷转化率、高乙炔选择性和/或高氢选择性。[0074] 如图2中示意性地示出，基于等离子体的碳氢化合物处理系统200提供将一种或多种流入气体202、204和208转化为包含在从等离子体反应室214流出的流出流212中的气体产物的混合物，其中等离子体反应室包含由微波子系统218产生的等离子体。在所描绘的实施例中，碳氢化合物流入气体202(例如甲烷)与从流出流212的特定部分的再循环产生的含氢流入气体208分开进入等离子体反应室214。如图所示，可以单独引入诸如氮气之类的可选辅助气体204，或者可以将其与其他流入气体202和208中的一种或两种混合。进入等离子体反应室214的各种流入气流及其方向被气体输送子系统210包围。气体输送子系统210负责产生适当比例的流入气体并控制其流速。一旦流入的气体进入等离子体反应室214，它们就被微波子系统218产生的微波激发，从而在等离子体反应室214内产生等离子体状态。流出流212携带流出(或“产生的”)气体产品，所述气体包括乙炔、氢以及未反应的甲烷和高级碳氢化合物的混合物。碳固体可被流出气流212夹带。流出物分离和处理子系统220允许将废物组分从流出流212分离以使其能够被处理，并且进一步允许根据需要将所需组分分离成离散流以进一步商业化或作为一个整体重新引入等离子体反应室214中进气208。例如，乙炔224可以在分离/处理子系统220中从流出流212分离，并且可以商业地使用。在实施方案中，例如，乙炔可进一步纯化以用于化学反应。在其它实施方案中，可进一步加工乙炔以形成其它化合物或形成用于其它用途或处置的元素碳。在实施方案中，由流出气流212夹带的碳固体可由分离/处理子系统220作为离散产品或废料222去除。在所描绘的实施方案中，主要是氢的再循环流228从分离/处理子系统中冒出并且作为流入气体208再循环回等离子体反应室214中。在其它实施方案中，由反应器产生的氢的一部分或全部可从流出流212分离并单独商业化。在又一其它实施方案中，流出流212组分的分离以不同方式进行：例如，可以完全分离碳，分离混合氢和烃气流以供商业化或其它用途。分离/处理子系统可配置为根据特定气体处理目标分离单一气体或气体混合物。如图2中示意性地示出的，真空子系统230包围某些系统部件以将它们保持在低压状态。冷却子系统(未显示)为每个系统组件提供适当的冷却。[0075] 在实施方案中，可修改许多系统参数以优化碳氢化合物(例如甲烷)转化率和乙炔或氢气选择性，包括输入气体流速(SLM)、输入压力和每转化碳氢化合物(例如甲烷)的功率。表2显示了改变这些参数的效果。比较不同系统参数结果的一个有用指标是效率，计算为每转化甲烷分子所用的能量(eV/CH4)。这一指标很容易应用于工业用途，如每千克产品的生产成本，以及科学用途，如对比键强度和计算热力学效率。[0076] 表2[0077][0078] a.气体传递子系统[0079] 在实施方案中，气体输送子系统用于将流入的气体导入等离子体反应室。气体输送子系统包括两个部件：输送导管和气体喷射器。在该子系统的描述中，进一步描述了(i)进入反应器的气体(流入气体)；(ii)用于将流入气体输送到等离子体反应室的输送管道，其中输送管道包括一个或多个用于气流的单独回路(或“输送回路”)，其中，输送回路可包括主原料气输送回路、用于除主原料气之外的额外气体的辅助气体输送回路和/或再循环气体输送回路，以允许一种或多种产生的气体(例如氢气)回流以用作后续反应的流入气体，以及(iii)与输送导管及其将组分流入气体引入等离子体反应室本身的组分输送电路流体连通的气体喷射器组件。[0080] 流入气体[0081] 流入气体可包含各种组合的前体反应气体，例如C1‑C4烷烃。前体反应气体是那些在等离子体状态下为进一步反应提供氢或碳的气体。在实施方案中，流入气体为甲烷和氢气，其中氮气任选地与甲烷结合。在某些实施方案中，甲烷和氢是反应物。反应气体的比例，以及可选的氮添加剂，可以根据经验进行改变，以优化产品轮廓和产量。[0082] 基于等离子体的碳氢化合物处理系统使用的流入气体可直接从进料罐、进料管线和/或通过再循环供应。如本文所用，术语“流入气体”是指添加到形成等离子体的等离子体反应室中的任何气体。流入气体可以是反应气体，例如甲烷或氢，其通过等离子体状态转化为各种产物，如图1所述。流入气体可以是辅助添加剂气体，例如氮气。流入的气体可以从称为“供给线”的外部气源供应，也可以从系统内循环供应，其中系统产生的气体全部或部分重新引入等离子体反应室进行后续反应。[0083] 通过外部气源或进料管线进入系统的流入气体可来自储气罐，或来自外部流动气体管线，如混合气源管线(如天然气管线或沼气管线)。在实施方案中，流入气体仅包含(或基本上仅包含)反应物甲烷和氢，不故意添加额外的气体添加剂。流入气体中的甲烷可以作为更复杂的流动气体混合物(如天然气或沼气)的成分获得。在实施方案中，甲烷和(可选地)氮气从进料管线(即储罐或流动气体管线)进料，而氢气可以从储罐进料，或者可以从产品流中回收并引导回反应器。[0084] 用于系统内再循环的再循环气流是来自等离子体反应室的流出物(即流出气体)，可选择性地分离成各种组分气体，其中部分或全部气体或这些气体重新引入等离子体反应室。在实施方案中，流出气体产物流中的氢与其他气体分离并以纯化形式再循环。在实施方案中，碳氢化合物流入气体通过流动气体供给管线(例如天然气管线或沼气管线)引入等离子体反应室，而氢与碳氢化合物流入分开引入等离子体反应室；该氢可全部或部分地从再循环气流中获得.[0085] 在实施方案中，再循环气体可包含富氢反应气体，其中氢是主要成分，还存在一些能够反应的碳氢化合物。富氢反应物气体可基本上由氢组成，即可包括约95％或更大、约96％或更大、约97％或更大、约98％或更大、或约99％或更大的氢。在实施方案中，富氢反应物气体包含约90％或更多再循环气体，或约91％或更多再循环气体，或约92％或更多再循环气体，或约93％或更多再循环气体，或约94％或更多再循环气体。在实施方案中，回收气体基本上由富氢反应物气体组成，即，富氢反应物气体包含约95％或更多的回收气体，或约96％或更多的回收气体，或约97％或更多的回收气体，或约98％或更多的回收气体，或约99％或更多的回收气体。在实施方案中，除了富氢反应气体外，再循环气体还包括非反应气体，例如氮气。在实施方案中，除富氢反应物气体外的再循环气体的剩余部分为氮气。在其它实施方案中，除了氮在再循环气体中的存在或不存在之外，氮作为单独的辅助气体被添加。系统中使用的氢气和氮气的体积可表示为与甲烷总流量的关系。例如，可以使用以下比率的流入气体进料：1:0‑3:0.1甲烷：氢气：氮气；在其它实施例中，可以使用以下比率的流入气体进料：1:1‑2:0.1甲烷：氢气：氮气。在实施方案中，在没有氮的情况下可以使用类似比例的甲烷和氢气。在一个实施方案中，可使用流入300‑400SLM(约11‑14SCFM)反应器的甲烷流。在一个实施方案中，可使用约380SLM(13.4SCFM)的甲烷流。在实施方案中，这些流量适用于100kW的反应堆功率。[0086] 在实施方案中，可以改变进入反应器的氢气量，以便选择更多或更少的乙炔生产。增加进入反应器的氢气量可增加可用于与甲烷反应的气体量，从而提高乙炔生产的转化选择性并减少不需要的烟尘积聚量。在实施方案中，与乙炔相比，进入反应器的氢的增加量减少流出物中乙烯的量。[0087] 在实施方案中，氢气由氢气瓶提供。在其它实施方案中，可通过再循环由整个系统产生的氢来提供氢：换句话说，在等离子体反应中从C1‑C4碳氢化合物原料(例如甲烷)产生的氢可被重新用作反应物。在某些实施方案中，将氢气作为流入气体输送回系统的再循环气体输送回路可与单独的氢气流入源(例如来自氢气供给罐)组合以调节该气体的输入。这种方法在生产循环中的某些时间是有利的，例如在系统启动时，当尚未产生回收的氢气时，或者尽管在回收过程中产生的氢气发生变化，但仍将氢气流入保持在恒定水平。[0088] 在一个实施方案中，气体输送子系统可以预充电，例如在系统启动时，以平衡气体的混合并使气流与微波能量协调。首先，系统可以抽真空并设置在接近真空的压力下。其次，系统可以从外部氢源填充，或者通过反向引入循环气体输送回路的氢进行回填，或者从单独的氢流入管线进行前端填充。第三，可以添加C1‑C4碳氢化合物(例如甲烷)或C1‑C4碳氢化合物/氮气混合物作为流入气体，通过流量计测量流量。当系统预先充入适当的气体时，反应器可以通电，流入的气体可以被处理。当流入的气体在等离子体反应室中进行处理时，氢气与其他气体产物一起在流出的气体产物流中生成。然后，从流出的气体产品流中捕获的氢气可以再循环到系统中，同时减少外部氢气流入。外部和内部氢流入(来自外部进料管线和再循环)的平衡可促进整个系统的平稳启动程序。[0089] 在实施方案中，甲烷是这些系统和方法中描述的含有碳氢化合物流入气体的主要成分，用于基于等离子体的碳氢化合物气体处理过程。在实施方案中，如前所述，甲烷可从气瓶、管道或从混合气体(例如，天然气或沼气)的流入引入。可以使用一组压缩机，以便在正确的压力下引入甲烷，例如在至少约2atm的进料压力下。如果使用天然气或沼气提供甲烷原料气，可监测可用甲烷的量，例如使用台式气相色谱仪，并可识别和去除天然气中的杂质。例如，如果天然气或沼气进料中含有硫，可能会影响乙炔产品流的纯度；必须在加工前去除此类杂质。天然气或沼气中常见的各种杂质(例如二氧化碳、硫醇、硫化氢等)可通过一系列预洗涤器去除，其中选择的洗涤器类型取决于要去除的杂质。[0090] 理想地情况是，包含甲烷的混合气体可以包括高浓度的甲烷，以便其基本上不含杂质或其他气体。未经商业处理直接从天然气来源获得的天然气可含有约90％或更高的甲烷。然而，经处理后可在商业上获得的天然气或经等效处理的沼气可基本上不含非甲烷气体和杂质。从这种来源流入的含有碳氢化合物的气体被认为基本上由甲烷组成，该术语是指含有大约95％或更多甲烷的流入气体。这种基本上由甲烷组成的气体可包含例如约95％或更大、或约96％或更大、或约97％或更大、或约98％或更大、或约99％或更大的甲烷。从天然源提供的气体，例如原位天然气(如在处理之前在井中发现的)或例如沼气，可含有较少量的甲烷，但可将其预处理以用作含碳氢化合物的流入气体，以便此类气体具有较高浓度的甲烷；在实施方案中，当用作这些系统和方法的含烃流入气体时，这种预处理气体基本上由甲烷组成。[0091] 在实施方案中，其他辅助气体可用作流入气流的组分或添加剂，例如添加剂，例如氮气、二氧化碳和/或其他反应性或惰性气体。在一个实施方案中，氮气可以任选地用作流入原料气的组分；它也可以用作真空泵的密封气体，如下所述。在一个实施例中，流入原料气含有约10％的氮气，尽管可以改变或调整该量以优化乙炔生产的效率和选择性；在其他实施方案中，氮气的存在量可在约0％到约10％之间，例如，故意添加或额外存在氮气作为次要组分，偶然发现了原料气。在其它实施例中，不包括额外的氮。除用作流入气体组分外，气体和液体形式的氮气还可用作冷却子系统的一部分，以冷却各种组分，并在反应器周围提供氮气“缓冲器”，如下所述。二氧化碳可以作为流入气体的一个单独组分，也可以混合到反应器流出物中，作为流出物气相色谱分析的内部标准。在一个实施方案中，向流出物中添加30％甲烷进料量的二氧化碳，以便在下游气相色谱测量中获得良好的精度。其它辅助气体可与反应气体一起用作流入气体，例如用于气相色谱的氦气和氩气。[0092] ii.气体输送管道[0093] 气体输送管道将各种流入气体(包括反应气体、添加剂或辅助气体以及再循环气体)输送到气体喷射器中；气体喷射器将各种流入气体输送到等离子体反应室中。气体输送管道包含专用于特定气流的输送回路：原料气在原料气输送回路中输送，附加气体由一个或多个附加气体输送回路输送，再循环气体由一个或多个再循环气体输送回路输送。在实施方案中，这些系统和方法使用含烃流入流作为主要气体供给，例如，甲烷流或混合气体流(例如，天然气或沼气)，主要气体供给由原料气输送电路携带。在实施方案中，除了主气体供给之外，额外的气流还可以通过气体输送管道，通过其指定的输送电路添加惰性气体(例如氮气)和/或添加反应物(例如氢气)作为单独的气流。[0094] 根据这些系统和方法的气体输送子系统300的实施方案的示意图如图3所示。如该图所示，含碳氢化合物流入气流302与含氢流入气流304和可选辅助气流308组合以进入等离子体反应室310。在所描绘的实施方案中，三股气流通过气体喷射器312(下文更详细地描述)进入，该气体喷射器312使各种气流在方向上以速度分散，使得在等离子体反应室310内产生三股分离气流中的涡旋混合314。涡流混合314中的混合气体进入等离子体反应室310的反应区318，在该反应区中，它们被微波子系统322中产生的微波能量激发，以在等离子体反应室310的反应区318内形成等离子体320。在所描绘的实施方案中，流入气体302、304和308各自作为单独的流通过单独的入口进入气体喷射器312，并且各自通过其自身从气体喷射器的出口进入等离子体反应室310。来自每个出口的流动方向、流速和流速被定向以使其在等离子体反应室310内产生气体的涡旋混合314。[0095] 流入气体可以以恒定或可变的流动模式、连续流动模式或不连续流动模式以及这些模式的任何组合引入等离子体反应室。在实施方案中，可变流型在其可变性方面可以是规则的或不规则的，并且它可以包括叠加在描述流型的基本波形上的间歇的流动脉冲或波动。正弦流型是可变流型的一个例子，使用方波描绘不同流量的逐步或“boxcar”流型也是如此。在实施方案中，这些可变流动模式可以包括没有流动的周期，使得可变流动模式将是不连续的。在实施方案中，气体可以同时通过所有入口引入，或者气体可以在不同的时间通过不同的入口引入。气体可以以不同的流速和不同的流型引入每个入口。例如，原料气可以以恒定的流型连续引入，而一个或多个辅助气流可以零星地(即不连续地)引入。或者，例如，可以不连续地引入原料气(即，在其流入中断的情况下)，可变地和/或不连续地引入一种或多种辅助气体，使得辅助气体在原料气不流动的情况下流动。或者，作为另一个示例，原料气可以连续地以连续的流动模式引入，而一个或多个辅助气流可以连续地引入，但是与原料气具有不同的流动模式。连续/不连续图案和流动图案可变性的其它组合可被布置成实现特定气体处理目标，例如，减少等离子体反应室中的烟灰形成，或增加乙炔选择性，或允许间歇清洁反应器管内部。[0096] 如前所述，通电进入等离子体状态的气体会经历一系列反应，从而使碳氢化合物原料气转化为其他碳氢化合物和氢气。图3示出从等离子体320流出的流出流324，其包含所需的烃产物、某些外来烃产物和氢气。流出流324的组分通过前面描述的流出物分离/处理系统328彼此分离。[0097] iii.气体喷射器[0098] 气体喷射器通过多个入口将各种流入气流引入等离子体反应室。在实施方案中，包含用于各种流入气流的流道的气体喷射器可以由高温树脂打印出来。它可以部署在反应器内或与反应器流体连通地布置在与反应器内等离子体反应室的可变距离处，其中术语“等离子体反应室”是指反应器内微波能遇到原料气流的区域。在一个实施方案中，气体喷射器可定位在反应器的近端，允许沿反应器的长轴从近端到远端顺行气流。在其它实施方案中，气体喷射器可定位在反应器的远端，或可定位在沿反应器长轴的任何其它位置。在实施方案中，气体喷射器位于反应器管内的中心，气流被引导到外围。在其它实施方案中，气体喷射器位于反应器管内的外围，气流被引导到中心。从喷嘴流出的气流可沿管的长轴以任何角度对准，以便气体可沿轴向近侧或远侧流动。喷嘴可布置成产生对称或非对称涡流。[0099] 在实施方案中，气体喷射器可对准流入气流，以产生螺旋或涡流气流，这有助于混合各种气流。气体喷射器配置为在每个流入气体流进入反应器时为其提供单独的喷嘴或端口。涡流可由布置在反应器中心的气体喷射器装置产生，该装置具有两个或多个喷嘴或端口，其中每个流入的气体分别通过其一个或多个喷嘴或端口的子集输送。在一个实施方案中，这些位于反应器中心的喷嘴或端口可以外围对准，并且可以倾斜以创建所需的气流模式。在其它实施方案中，涡流可由气体通过气体喷射器流入反应器而产生，气体喷射器具有沿反应器外围排列的两个或多个喷嘴或端口，其中每个流入气体通过其自身的两个或多个喷嘴或端口的离散子集分别输送。在实施方案中，涡流用于限制等离子体朝向反应器的内部区域。如本领域技术人员所理解的，还可以采用诸如反向涡流之类的附加涡流配置。[0100] 图4A和图4B描述了与这些系统和方法兼容的气体喷射器的实施方案。图4A示出了等离子体反应器400的反应室402的近端部分的横截面，其中气体喷射器404位于中心位置；图4A中所示横截面的大致位置如图3中的线a所示。图4A中所示的气体喷射器404封装两个同轴但独立的气流，一个中心气流408和一个二次气流410。中心气流408包含一种气体，例如可以包含甲烷的主原料气，主要反应物。二次气流410包含分离且不同的气体，例如额外的气体，例如氢气或辅助气体；该气体也可以是再循环气体，例如氢气。或者，中央气流408可包含附加气体，而次级气流可包含主原料气。在其它实施方案(未示出)中，再循环气流可保持在与辅助气体的流道不同的单独同轴室中，每个流道具有其自己的一组或多个进入等离子体反应室402的气体喷嘴。对于图4A中所描绘的喷射器设计，中央气流408通过中央气体喷嘴412从中央喷射器404排出，该中央气体喷嘴412位于远端，并且此处仅在横截面上看到，而二次气流410通过气体喷嘴412a和412b从气体喷射器404排出，所述气体喷嘴412a和412b位于外围。如该图所示，二次气体喷嘴412a和412b以允许二次气体流414a和414b进入等离子体反应室402以在反应器400内形成气体涡流的角度被引导。[0101] 图4B所示为气体喷射器450实施方案的纵截面，结合了图4A所示的原理。图4B所示的气体喷射器450显示了被二次气流454包围的中心气流452的同轴布置。气体喷射器450位于反应器的中心(图中未显示)，并且来自中心气流452和二次气流454的气流离开气体喷射器450流入反应器。二次气体喷嘴458a和458b可以成一定角度布置(如图4A所示)，以便从这些喷嘴排出的二次气体旨在产生涡流。同样，离开主气体喷嘴460的气体可被引导以产生或促成涡流。在实施方案中，由气体喷射器450在反应器400中产生的涡流允许气体混合，这反过来可以优化气流与等离子体的接触。[0102] b.微波子系统[0103] 在实施方案中，微波子系统包括各种组件，所述组件用于产生、引导和应用微波功率以形成将原料气转化为其产品的非热等离子体。[0104] 微波子系统实施方案的示意图如图5和图6所示，将在下面进行更详细的描述。图5提供了子系统组件的概述。如图5所示，微波子系统500的实施方案包括电源502、磁控管504、波导组件508和施加器510，当磁控管504产生的微波能量遇到等离子体反应室512中的流入气体时，在细长的反应器管514内(此处横截面可见)产生等离子体。反应器管514可以由石英制成，如下更详细地描述。在一个实施方案中，电源502需要480v、150a的交流电能来产生20kv、5.8a的低纹波直流电，其效率为96％，以使磁控管通电。在一个实施方案中，同样额定功率为100kw的磁控管504以83‑89％的效率产生微波功率。在实施方案中，产生的微波在L波段，频率为915MHz。[0105] 如图所示，微波进入波导组件508，波导组件508将微波引导至施加器510，施加器510又将微波引导至反应器管514中的等离子体反应室512。在所描绘的实施方案中，波导组件508包括两个环行器518和520，这两个环行器518和520将微波导向施加器510，并且防止反射的微波功率耦合回磁控管504并损坏它。每个循环器518和520分别包含铁氧体阵列516和526，铁氧体阵列516和526使反射的微波偏转，以便将其导向施加器510和等离子体反应室512，如下更详细地描述。每个循环器518和520在其端部具有其各自的水负载522和524以收集反射的微波。如图所示，第二循环器520包括功率调谐器528，该功率调谐器528使用臂中的三存根调谐器530降低功率，臂中的三存根调谐器530远离其与施加器的连接。在与施加器510接口的第二环行器520的臂中，三短截线调谐器532布置在双定向耦合器534的远端；该布置旨在最小化微波反射并优化定向到施加器510的微波能量。在第二循环器520和施加器510之间插入石英窗538以防止电弧。当等离子关闭微波开启时，在施加器510中，在三个短截线调谐器532和施加器510端部的滑动短路板540之间建立驻波，使得电场足以引发包含等离子体反应室512的反应器管514中的原料气的击穿。反应器管514穿过施加器510的宽壁，但不与微波波导管508直接接触。一旦实现了等离子体状态的起始，则可以调整三存根调谐器532以使入射微波信号的阻抗与等离子体加载施加器510匹配。进入施加器510的微波能量被调谐到等离子体反应室512中心处的峰值，根据需要使用短路板540来改变形成等离子体的腔的尺寸。[0106] 为了优化用于产生等离子体的功率，希望在存在和不存在等离子体的情况下使波导508的阻抗与施加器510的阻抗匹配。然而，等离子体阻抗是动态的，并且可以基于等离子体反应室512中的操作压力、气体流量和气体成分而改变。在实施方案中，微波子系统可配备标准的三短截线自动调谐装置532，其具有插入波导中的三个金属短截线。这些短棒中的每一个插入波导的深度改变了进入施加器510的微波的相位，并允许功率匹配进入等离子体。自动调谐器532中的微波功率和相位测量允许自动调谐器532以算法方式修改存根深度，使得反射功率(即，未被等离子体吸收的功率)最小化。在实施方案中，可以包括具有连接的功率二极管(未标记)的双向耦合器534，以测量子系统中的正向和反射功率。耦合器534可装配有两个小孔，将具有已知衰减的微波耦合到二极管，二极管将微波转换为电压。在实施方案中，反射功率小于发送到系统中的总微波功率的1％。在实施方案中，微波施加器510是将微波耦合到等离子体反应室512中的流动气体供给的单模谐振腔。滑动电短路540可内置于施加器510中以改变总腔长度。在实施方案中，用于100kW演示单元的等离子体可以产生超过10kW的热量，这些热量可以通过水和气体冷却子系统去除。[0107] 在细长反应器管514内的等离子体反应室512中产生等离子体。在实施方案中，反应器管514可包括长宽比熔融石英管，其外径在约30至约120mm之间，长度约为6ft，厚度在约2.5至约6.0mm之间变化。在一个实施方案中，反应器管的外径可为50毫米，或38毫米。在实施方案中，管尺寸可具有120/114mmOD/ID、120/108mmOD/ID、80/75mmOD/ID、50/46mmOD/ID或38/35mmOD/ID的外径(OD)和相应的内径(ID)。在实施方案中，反应器管514在其整个长度上具有一致的直径。在其他实施例中，反应器管514可以具有不同的直径，管514的某些部分具有较小的直径，其他区域具有较大的直径。在实施例中，管的顶部外径约为50mm，底部外径约为65mm。在实施方案中，所述管可以在所述管的预选部分具有较窄的直径，例如，大约在所述管的中间。石英作为反应器管514材料是有利的，因为它具有高温处理、抗热震性和低微波吸收。[0108] 图6更详细地示出了微波子系统600，如图5所示，以及在其中流动的微波能量605、607和615的路径；在图6中，示意性地示出了微波子系统600的某些特征，但为了清楚起见，没有像图5中那样标记这些特征。如图6所示的实施方案中所示，由磁控管604产生的微波能量沿着从磁控管604到波导组件608的远端的正向能量路径605被引导向前，从波导组件608沿着顺行(正向)反射路径607被反射。顺行(向前)反射路径607的方向通过其与第二循环器620中的铁氧体阵列626的相遇而成形，其使反射微波607朝向施加器610和等离子体反应室612偏转。微波也可以沿着反向(逆向)反射路径615从施加器610反向反射，该路径615向后通过第二循环器620进入第一循环器618，其中该路径615中的微波被第一循环器618内的水负载622收集。反向(反向)反射路径615被第二环行器620中的铁氧体阵列626偏转，然后被第一环行器618中的铁氧体阵列616偏转以建立其最终方向。在一个实施方案中，系统中的正向功率约为25kw，反射功率为该功率的1％或更小，目标是反射微波能量的0％。在实施方案中，系统中的正向功率约为30kW；在其他实施方案中，系统中的正向功率约为100kW。在又一其它实施方案中，可采用约8kW、约10kW或约19‑20kW的正向功率电平。在实施方案中，该系统可有利地包含小于约100kW的电平的正向功率。[0109] 在一个实施方案中，微波子系统包括朝向等离子体反应室的单臂路径，如图5和图6所示。在其它实施方案中，可采用双臂敷贴器路径，如下面图7所示。如图7中示意性地示出的，双臂微波子系统700包括产生微波能量的磁控管704，该微波能量进入循环器组件703，循环器组件703包括两个标记为“1”和“2”的循环器。微波能量基本上如图6所示通过环行器，进入功率分配器706，功率分配器706将微波引导到两个波导臂709a和709b中，在两个波导臂709a和709b中，微波对准各自的施加器710a和710b。在实施方案中，双臂波导709a和709b加上施加器710a和710b可以以50:50的比率分割入射功率，但是在其他实施方案中，可以设计所选择的功率分割比率。[0110] 微波子系统内的某些维护措施可以延长组件的寿命，优化产品产量。在实施方案中，例如，反应器可以定期清洁。据了解，当采用非热等离子体技术将甲烷转化为乙炔时，反应器管内可能会出现碳烟积聚，碳烟的存在会导致石英表面局部区域过热，进而损坏反应器管。此外，积聚在微波耦合远端的烟尘可能会导电，从而形成不需要的电弧。因此，在实施方案中，对反应器进行定期清洁以最小化这些问题。清洁可以定期进行，或者基于商业运行的不连续需求，或者响应等离子体或流出物的可观察特性。出于清洁目的，通常采用以下几个步骤：1)通过关闭产生等离子体的微波功率，或通过将工艺气体流入的气体转移到惰性清洁气体或气体混合物(例如。，纯氮气或氮气与空气或其他清洁气体的组合)，或两者兼而有之；2)停止原料气流入，并引入惰性气体混合物(如氮气)，以净化易燃原料气的流入管线；3)用清洁气体(如氮气与空气的混合)填充反应器；4)重新通电等离子体反应使用微波能从清洁气体中产生等离子体状态的腔室，包括监测和调整微波能和压力，以便进行有效的清洁；5)一旦反应器管清洁，则反转过程，排空清洁气体或用原料气置换清洁气体，导致用原料气填充反应器管，然后给原料气通电以形成等离子体。[0111] 在实施方案中，可通过增加流入气体的氢成分来最小化烟尘沉积(因此，需要清洁)；然而，这种方法的缺点是碳氢化合物(例如甲烷)转化效率降低。在其它实施方案中，可通过定期手动清洁直接管理烟尘沉积；该方法的缺点是需要物理干预以接近积聚烟尘的反应器管的内表面。在又一其它实施方案中，可通过周期性地将进入等离子体反应室的气体从用于生产乙炔的烃：氢原料改变为氢：氮混合物来管理烟灰沉积，所述氢：氮混合物在低功率下形成等离子体以去除已沉积在反应器管的内表面上的烟灰。在一个实施方案中，纯CO2等离子体可用作清洁等离子体。在一个实施方案中，可使用氢氮混合气，氢氮比为5‑15:1，功率约为8kW。在一个实施方案中，该基于气体的清洁协议可以周期性地执行(例如，每小时或每两小时进行1‑2分钟的清洁运行)，目的是为了从连续运行方案中清除1‑2％的停机时间。在其它实施方案中，可使用50:4比率的氮：空气混合物，产生每2‑3小时约3分钟的清洁时间。[0112] 该系统的一个实施方案包含多路复用的平行微波反应器设置，第一个反应器和第二个反应器连接在反应器管和热交换器之后，每个反应器的隔离阀共享真空泵。第一个反应器的磁控管可以被关闭，反应器被隔离阀隔离，然后打开到一个备用真空系统，而第二个反应器正在运行，为其等离子体反应室中的原料气通电。然后，清洁等离子体可用于第一反应器。清洁完成后，第一个反应器系统将从清洁气体混合物中抽空，并用氮气吹扫，然后用新原料气和工艺用循环气体的混合物再次吹扫，然后重新打开主真空系统并重新点火。第二个反应器可以按照同样的顺序依次清洗。在一些实施方案中，可增加并联反应器的总数以包括三个或更多反应器，其清洁循环被排序以使得在任何一个反应器正在进行清洁时复用系统的总吞吐量是恒定的。因此，该清洗步骤可单独或无限期地以小的组在复合反应器系统中循环，循环定时以确保在连续使用过程中不会损失产品吞吐量。[0113] c.真空子系统[0114] 在实施方案中，真空系统布置在向反应器提供气体流入的气体喷射器和远离反应器的产品流出流之间的所有部件周围。在系统中保持低压有助于提高效率(效率是以每摩尔甲烷转化为乙炔的能量的eV来衡量的)。在实施方案中，在反应器中维持真空，或产生约30至约120托，或约60至约100托，或约70至约80托的低压环境。在一个实施方案中，除乙烷外，所有碳氢化合物原料气的工作压力保持在约70托，乙烷在约120托的工作压力下处理。[0115] 图8中显示了基于等离子体的碳氢化合物处理系统800的简化示意图，突出显示了真空子系统802a和802b，其中箭头指示整个系统800的气流方向。真空子系统802a和802b封装处理系统800的某些部件，以将这些部件中的压力保持在约30托到约120托的范围内。如图8所示，虚线802a指定的真空子系统在反应器810及其流出流816周围以及反应器810下游的各种部件周围创建第一减压环境，所有这些都如下文更详细地描述的；虚线802b指定的真空子系统创建第二减压环境气体输送子系统804周围的减压环境。为清楚起见，真空子系统的一部分用虚线802a标识，真空子系统的一部分用虚线802b标识；这两条虚线可以表示单独的子系统，也可以合并在一起表示单个真空子系统。为清楚起见，该图中所示的子系统和部件包括：(i)气体输送子系统804，其通过流入气体(包括烃原料气806和含氢再循环气体812)通过其各自的原料气入口(未示出)进入反应器810；(ii)微波输送系统808a，其形成微波808b，该微波808b作用于反应器810中的流入气体(即烃原料气806和含氢再循环气体812)，以在反应器810的等离子体反应室811区域中的两种流入气体806和812中对产物进行化学转化在这些化学转化中，以流出流816的形式离开反应器810；(iii)流出物分离和处理系统，包括乙炔分离器814和氢气分离器818，其将流出流816分离为其气体组分，剩余的流出流816远离乙炔分离器814和氢分离器818成为再循环气流812。如前所述，如图所示，位于反应器810下游的某些部件也包含在虚线802a指定的真空子系统中，例如用于流出流816的过滤器820、热交换器/分离器822以及一系列泵824和828。在该图中，用于去除高阶碳氢化合物的冷阱830位于虚线802a指定的真空子系统外部，乙炔分离器814和氢气分离器818也是如此。[0116] 图中所示的过滤器820旨在从流出流816中去除碳固体。在实施例中，等离子体工艺制造少量碳固体作为副产品；例如，碳固体可在0.1‑0.5％范围内产生。因此，希望过滤流出流816以去除这些碳固体，以防止这些颗粒污染系统的下游部件。由于过滤器820是流出流816离开反应器810后遇到的第一个表面，因此该流中的气体非常热(约400–1000℃)。因此，选择用于过滤器820的材料，使得其能够承受这样的温度，有或没有附加冷却。在实施例中，过滤器820可由陶瓷材料或不锈钢制成，并根据需要添加冷却。[0117] d.冷却子系统[0118] 在实施方案中，冷却子系统可用于控制本文所述气体处理系统的各种组件的工作温度。在实施方案中，在反应器中形成的等离子体达到2000–3000K(1700–2700℃)之间的温度，在约400到约1100℃的温度下离开反应器。为了保护系统的下游部件免受热损伤，提供冷却。此外，最好冷却反应器本身，例如，将反应器管的外部温度保持在500℃以下。此外，反应器管在气基清洗(如上所述)期间比在乙炔生产期间更有可能保留热量，因此，间歇需要更多的冷却功率来保护反应堆管免受热应力的影响。在实施方案中，系统的冷却包括两种类型的冷却：水冷却和气体冷却。水冷可用于系统的许多部件，例如磁控管、电源、真空泵、施加器等。气体冷却可适用于其他部件，例如反应器管、反应器本身和系统中的各种O形密封圈。在实施方案中，氮气用于气体冷却。氮气的另一个好处是可以替代系统封闭部分中的大气气体，从而提高安全性。在一个实施方案中，反应器管和施加器可以封闭在一个密封的氮气净化(无氧)环境中，氮气的存在提供了冷却，也可以作为一种安全机制：通过更换反应器系统周围环境中的氧气，如果发生泄漏，氮气冷却剂可降低爆炸的可能性。[0119] e.流出物分离和处理子系统[0120] 在实施方案中，流出物从真空子系统产生的低压环境中流出，然后进行进一步的处理，以将所需的气体产物彼此分离并与废物分离。甲烷和其它含碳氢化合物的气体(例如乙烷、丙烷、丁烷等)在如本文所述的非热等离子体中通电时产生乙炔和氢，以及颗粒碳和高阶碳氢化合物。为了优化工艺的经济性并提供用于再循环的定制气流，将一组组件放置在真空子系统的远端以将流出流中的某些气体组件彼此分离。[0121] 在实施方案中，设想基于等离子体的碳氢化合物处理系统及其在此描述的使用方法以净氢正的化学计量转换甲烷，每消耗一摩尔甲烷产生1.5摩尔氢。因此，流出物包含碳氢化合物的混合物，包括理想的产品乙炔，以及主要的氢气。在实施方案中，该氢可通过例如使用膜分离器从剩余的流出物中分离氢而从流出物中分离。分离后，氢气可以作为单独的气体产品进行净化和商业化；作为选择或者另外，氢气可以回收到系统中，如前面的图所示。在其它实施方案中，乙炔可从流出流中分离，而不是氢分离或除了氢分离之外。例如，乙炔可以在吸收柱中吸收，然后解吸和收集。在一个实施方案中，可以首先处理来自反应器的流出流以去除颗粒碳和冷凝物，然后去除乙炔。在乙炔被除去之后，氢可以被选择性地除去、捕获或再循环。[0122] 当流出物流离开等离子体反应室时，它包含气体、挥发的高级碳氢化合物和颗粒碳的组合。如前所述，颗粒碳可直接从反应器室的下游过滤掉。在实施方案中，流出物流随后可通过冷阱，以便从流出物流中去除某些作为冷凝物的高级碳氢化合物。在通过冷阱后，流出物流可以进一步分离。例如，其他高阶碳氢化合物可从流出物流中去除，如下所述。这些化合物通常被视为废品，它们可以在移除后丢弃或处置。在去除高级碳氢化合物之后或同时，通过流出物分离和处理子系统将乙炔和氢气从流出物流中分离出来。分离过程使用一种或多种分离技术进行，例如吸附技术、吸收技术、化学反应技术，例如氧化或催化剂介导的转化等。[0123] i.吸附[0124] 例如，在某些实施方案中，流出物流可通过吸附柱，其中吸附柱包含高比表面积吸附材料，该吸附材料可选择性地从流经其中的流出物流中去除乙炔或更高级碳氢化合物。在实施方案中，吸附剂材料可包括适当尺寸的材料，例如活性炭、沸石、二氧化硅气凝胶、分子筛、金属有机框架(MOF)、配位聚合物、粘土、硅藻土或浮石。吸附材料可以是粉末或薄膜，也可以形成球形颗粒、棒或其他有用的形状。这些吸附材料可以通过高温煅烧、离子交换或掺杂增加吸附亲和力或容量的分子进行改性。此外，两种或两种以上吸附材料的组合可用于利用多种物理性质。吸附材料可包含在单个吸附柱内或分为多个吸附柱，以在不同位置捕获流出流中的不同杂质。有利的是，当流出物流通过吸附塔时，可选择吸附材料以最小化产品损失：在某些情况下，高阶碳氢化合物杂质对吸附材料的亲和力高于所需产品；在其他情况下，杂质会将产品分子从吸附剂表面移开。无论哪种情况，产品损失都是最小的。[0125] 在某些情况下，如果吸附剂的容量和杂质浓度允许在处置前去除足够的杂质，则可在一次性使用后处置吸附剂。在其他情况下，例如，如果由于经济或物流原因无法进行处理，吸附剂可以再生并循环使用。再生吸附剂的方法包括减压、溶剂洗涤、加热和用另一种气体置换。再生过程中，杂质可以从吸附剂表面解吸，也可以就地转化为另一种更容易解吸的化学物质。如果杂质已转化为可接受的衍生分子，则该分子可在线解吸并释放到工艺流中。如果吸附剂表面的杂质未发生变化，因此无法释放到下游流中，则可以将其转移到侧流中进行排放、焚烧或收集以进行废物处理。在实施方案中，自动化系统可安排在多个吸附剂容器之间或在多个吸附剂容器之间交替，允许在连续操作中进行再生循环；此类系统在本领域中被称为摆动吸附器。[0126] 在去除高阶碳氢化合物后，吸附器可用于进一步分离流出流。根据吸附和解吸的首选模式，可以使用变压吸附器(PSA)、真空变压吸附器(VSA)或变温吸附器(TSA)。例如，在某些实施方案中，流出流可被送入PSA系统以从流出流中分离氢气。在变压吸附系统中，流出的气流被加压并送入吸附柱，在吸附柱中所有非氢组分被吸附到吸附材料上。当所有非氢材料从流中去除时，纯化的氢离开塔。在实施方案中，用于PSA系统的进料可以是来自等离子体反应器的流出流，或者可以是来自上述第一吸收柱的收集气体，或者是它们的一些组合。[0127] 或者，例如，流出物流可被送入TSA系统，该系统适于从流出流中分离更高级的炔烃。如本文所用，术语“高级炔烃”至少指含有3个和4个碳原子的炔烃，尽管它也可应用于所有气态炔烃和气态芳烃。通过TSA系统的使用，更高的炔烃可以从乙炔流中显著地分离，甚至完全分离，而不会损失乙炔。在实施中，较高的乙炔分子可以置换吸附剂表面上的乙炔，允许在从乙炔流中分离较高的乙炔时具有极高的选择性。为了实现这一点，在高级炔烃本身被更重的分子(如苯)取代之前，有利地终止吸附过程。因此，应调整TSA中的吸附循环，以允许高级炔被吸附并保留在吸附器表面，但防止高级炔被置换。因此，在高级炔烃从吸附剂表面转移之前，反应器与工艺流关闭。然后可以处理和更换吸附剂，或者再生吸附剂。在再生过程中，从吸附器流出的气流被分流，热空气(>300℃)通过吸附床。杂质从吸附剂中释放出来，并排放或燃烧。在某些迭代中，可以使用多个容器进行连续操作，其中一些容器正在吸附，而另一些容器正在再生。[0128] ii.吸收[0129] 在某些实施方案中，流出物流可通过吸收柱，在吸收柱中存在与流出物流逆流流动的溶剂，所述溶剂以优化的流速流动，优先从流出物流中吸收高阶碳氢化合物，而不是吸收所需的气体产物(如乙炔)。高阶碳氢化合物可以在第二个色谱柱中从溶剂中分离出来，然后将溶剂返回到吸收柱。对所需气体产物具有较强亲和力的高阶碳氢化合物的溶剂的实例包括甲醇、氨、甲苯、苯、煤油、丁内酯、乙腈、丙腈、甲氧基丙腈、丙酮、糠醛、N，N‑二甲基甲酰胺、N，N‑二甲基乙酰胺、N，N‑二甲基乙酰胺、N，N‑二乙基乙酰胺、，N‑甲酰吗啉和N‑烷基吡咯烷酮，例如N‑甲基吡咯烷酮(NMP)。[0130] 在其他实施方案中，流出物流可通过吸收柱，吸收柱中有对乙炔具有强亲和力且优选与流出物流逆流流动的溶剂，所述溶剂从流动的流出物流中吸收乙炔。通过在第二个柱中加热溶剂以恢复溶剂，可将吸收的乙炔从溶剂中去除，然后恢复的溶剂可返回到吸收柱中。与其他流出气体相比对乙炔具有更强亲和力的溶剂的实例包括甲醇、氨、甲苯、苯、煤油、丁内酯、乙腈、丙腈、甲氧基丙腈、丙酮、糠醛、N，N‑二甲基甲酰胺、N，N‑二甲基乙酰胺、N，N‑二乙基乙酰胺、N，N‑甲酰吗啉、，以及N‑烷基吡咯烷酮，例如N‑甲基吡咯烷酮(NMP)。[0131] iii.化学反应[0132] 在某些实施方案中，流出物流中的高级碳氢化合物可被氧化，从而从流出物流中去除。例如，某些高阶碳氢化合物，特别是二乙炔和取代的乙炔，例如甲基乙炔和乙烯基乙炔，可能难以从乙炔中分离出来，并且可以通过将它们转化为非乙炔化合物来除去它们。为了实现这一点，流出物流可以通过含有氧化剂(例如能够充当氧化剂的浓液体酸，例如硝酸、硫酸、磷酸等)的柱或容器。高阶碳氢化合物(如二乙炔和取代的乙炔)可与氧化剂或浓酸反应，生成其他更容易从流出流中分离的碳氢化合物。在某些实施方案中，流出流可与固体载体上的磷酸接触以将高阶碳氢化合物(例如二乙炔和取代的乙炔)转化为可更容易从流出物流分离的其他碳氢化合物产物。[0133] 在某些实施方案中，流出物流可使用包含过渡金属、过渡金属氧化物、过渡金属盐或沸石的催化剂通过催化剂床，以便将各种高阶碳氢化合物转化为更容易从气体产品流中去除的其他碳物种。当暴露于合适的催化剂时，这些高阶碳氢化合物可以通过聚合、氧化、氢化和歧化等催化剂驱动的机制转化为更容易去除的化合物。取决于催化转化的机械模式和获得的产物，这些高阶碳氢化合物的衍生物可以通过诸如本文所述的进一步下游过程去除。[0134] iv.其他分离技术[0135] 在某些实施方案中，可通过使用冷凝器从流出物流中去除高阶碳氢化合物，由此冷凝器将这些化合物收集在高比表面积材料上，例如硅胶、活性炭、活性氧化铝、沸石等。例如，某些高阶碳氢化合物，例如甲基乙炔和乙烯基乙炔，很难从气态乙炔中分离出来，但它们的冷凝点(分别为5.01℃和10.3℃)与乙炔的冷凝点(‑84℃)形成对比，使它们适合通过冷凝从流出流中去除。在该实施例中，在‑84℃和10℃之间的温度下含有高比表面积材料的冷床可有效地从流出流冷凝出高阶碳氢化合物。[0136] 在某些实施方案中，流出物流可通过气体分离膜系统，其中气体分子通过尺寸排除分离。例如，较小的分子(如氢)优先流过膜元件，形成渗透流，而较大的分子(如甲烷、乙炔、高级碳氢化合物、氮气、二氧化碳和任何其他较大的分子)不流过膜(取决于膜的孔隙率)，形成滞留流。在某些实施方案中，渗透蒸汽为富氢流且滞留物流为贫氢流。气体分离膜元件可以由多种物质形成，例如：中空纤维聚合物膜，其中聚合物可以是聚碳酸酯、聚酰胺或醋酸纤维素；无机膜，其中无机材料可以是介孔二氧化硅、沸石、金属有机骨架或混合金属氧化物；金属膜，其中金属可以是钯或钯银合金等。在实施方案中，用于膜分离系统的进料可以是来自等离子体反应器的流出物流，或者可以是来自上述第一吸收柱的收集气体，或者其一些组合。[0137] 在这些流出物流分离措施中的某些措施之后，在实施方案中，含有乙炔、氢和高级碳氢化合物的流出物流可以进一步分离成其组分，以便可以回收所需的气体产物。在其它实施方案中，流出物流不经受进一步分离，例如，如果流出物流将用于进一步的化学处理，或者如果流出物流作为混合流提供给客户或最终用户。[0138] f.数据管理和安全性子系统[0139] 有利的是，整个天然气生产系统由相互连接的数据管理子系统和安全子系统组成，因此这些系统和方法中包含的安全措施由收集的系统性能数据通知。在实施方案中，数据管理可以包括用于数据收集和性能诊断的设备、过程和算法，以及用于记录和保存数据的存储设施。在实施方案中，性能诊断包括在正常参数内监视系统的状态以促进整体集成和控制，并识别即将到来的或活动的故障状态的迹象。光学诊断可针对等离子体区域的监视，例如可见光照相机、中红外高温计、宽带光谱仪等。设备诊断可包括压力传感器、热电偶、流量计、微波功率传感器等。其他诊断设备也可酌情使用，例如全刻度光谱仪和示波器。在实施方案中，可以在运行期间自动和/或手动地集成和监视各种诊断模式。[0140] 在实施方案中，手动和自动诊断程序可与安全程序集成，安全程序可包括故障联锁系统。在一个实施方案中，诊断输入可以由硬件和软件主动监视。如果检测到异常，则可以触发故障信号，从而激活预定的响应模式。对于那些最严重的故障，例如突然证实的压力峰值，可以立即触发自动“硬”停机。对于后果不太严重的中等严重性故障，可以触发较慢的自动停机，以在几秒钟内停止操作。对于参数超出预期范围，但预计不会产生重大后果的故障，可以提醒操作员，以便采取适当措施纠正情况并清除故障，而无需关闭系统。[0141] 3.示例性的系统和子系统[0142] a.100kW‑驱动的等离子体碳氢化合物处理系统[0143] 基于等离子体的碳氢化合物处理系统使用等离子体技术将含碳氢化合物的流入气体转化为乙炔和氢气，可获得高程度的源碳氢化合物转化，同时具有生产乙炔和/或氢气的高选择性。下面描述的系统使用100千瓦的电源来产生微波，形成等离子体并影响化学转化。[0144] 当甲烷(例如从天然气或沼气中提取)或另一种C2–C4源碳氢化合物被送入微波激发区，在那里分解成等离子体时，该过程的中心反应发生。在不受理论约束的情况下，假设等离子体通过将碳氢化合物分解成激发的CHx自由基，在等离子体能量状态后重新结合，形成碳氢化合物产物和氢的光谱，从而驱动从源碳氢化合物到乙炔和氢的反应。与甲烷相比，使用C2–C4碳氢化合物作为进料可提高整体工艺效率，同时可保持对乙炔的高度选择性。然而，使用天然气或沼气中所含的甲烷具有操作效率和成本效益的优势。[0145] 100kW动力驱动系统中的甲烷转化过程(即使用天然气或沼气进料或纯甲烷进料中的甲烷)每形成一千克乙炔产品使用约9.5kWhr，乙炔产率为90％：对于所用原料气，约90％转化为乙炔。由此产生的产品组合受等离子体温度的非热性质的影响。气体温度为3000‑4000k，而振动温度和电子温度高出2‑3倍，推动反应平衡，形成高选择性的乙炔，副产物为丰富的氢。等离子体反应产生的氢气可以作为二次原料气再循环回该系统，用于后续反应，和/或可以作为单独的气体产品分离。氢和碳氢化合物作为反应组分的共存减少了反应产生的固体。为达到反应所需的氢气和甲烷比例，系统回收产生的氢气，以参与甲烷基反应，详情如下。[0146] i.整体系统[0147] 100kW动力等离子体碳氢化合物处理系统包括四个子系统：气体输送、微波、真空和冷却。气体输送子系统包含两条流入管线。第一个流入管线是输送混合气体的供给管线，例如从当地公用事业公司连续供应的天然气或升级的沼气，其主要由甲烷与少量乙烷、丙烷、二氧化碳和氮气(取决于原始混合气体的来源)的混合物组成。在流入等离子体反应室之前，可使用传统技术对其进行擦洗，产生几乎纯的甲烷流，其他残余混合气体成分约为100ppm。该流入管线的总流量可根据系统的总微波功率进行调节，流量约为3SLM甲烷/kW微波功率。第二条流入管线输送由反应器产生的再循环气体，其中含有约85％至约90％的氢气、少量甲烷、其他反应物和约5％至约6％的非活性氮。流入管线的总流量也与系统的总微波功率成比例，流量约为5SLM循环气体/kW微波功率。[0148] 每个流入流通过其自身的入口被送入等离子体反应室，该入口将其流注入石英管的入口区域，从而通过石英管流至产生等离子体的区域。每个流入流的入口可由气体喷射器装置倾斜，以产生涡流，该涡流在流向反应区域(即等离子体反应室)时混合石英管内的流。通过每个入口进入的气体流量由质量流量控制器控制，并进行调整，以产生1.5H2:1CH4的氢甲烷摩尔比。当甲烷转化为等离子体时，在石英管内的等离子体反应室内形成反应产物的光谱。[0149] 当甲烷用作原料气时，约95％的甲烷在等离子体中发生化学变化。乙炔占等离子体激发反应产生的碳氢化合物的95％，总的乙炔产率约为90％。氢是这些反应的另一个主要反应产物，约占总流出流体积的80％。[0150] 图9所示的方框图示意性地表示了一个示范性的100kW功率的基于等离子体的碳氢化合物处理系统900。如该图所示，包括注入区904、反应区908和流出区910的中央反应器902接收两个单独的气流：(1)含有碳氢化合物源的原料气912(例如天然气或沼气等混合气体中的甲烷，或单个C1‑C4烃，或C1‑C4碳氢化合物的定制混合物)和(2)循环气流914，其包括氢和混合碳氢化合物，所述混合碳氢化合物包含气体和任选的非活性氮。[0151] 如图所示，流入气流912和914在反应器902中处理，形成流出气流918，其中含有乙炔、氢气和少量混合碳氢化合物。然后通过气体分离系统928(例如，吸附、吸收或其组合)将流出流918分离成其气体组分，以产生乙炔流920和含有氢936和碳氢化合物924的混合物的氢主导气流922。因此，通过气体分离系统928从主流出物流918分流，乙炔流920可以通过在净化系统926中进一步隔离杂质来净化，以产生净化的乙炔气体产品932。一旦已从流出物流918移除乙炔组分920，则剩余气流922主要是氢以及碳氢化合物反应产物的混合物，即主要是氢。如果需要，可对该氢主导气流922进行进一步分离，以便将氢气分离为不同气流930。氢气产品流930可根据需要进一步净化并作为产品出售，或可再循环回反应器902以与原料气912进一步反应。在该系统900中，代替回收氢气产品流930，混合的氢气主流922被回收以形成回收气流914，其被重新引入反应器902以与原料气912进一步反应。质量流量控制器940和942协调进入反应器902的原料气912和再循环气体914的流入，以在反应器902中产生所需的氢与甲烷(或氢与其他烃源)的比率。[0152] ii.反应器[0153] 图9中确定的反应器在图10中更详细地示出。图10示意性地描绘了反应器1002、其组件以及其与微波子系统1004的集成。如图所示，并且如灰色阴影框所示，微波子系统包括用于产生微波的电源和磁控管复合体1016，以及用于引导微波朝向形成微波等离子体1018的石英管内的反应区域1012的波导组件1020。如图10所示，石英管1008包含反应器1002的部件：注入区域1010、反应区域或反应室1012和流出区域1014。在石英管1008内，微波等离子体1018由针对管1008内的气流1006的微波(未示出)产生，从而影响碳氢化合物源转化为氢和各种碳氢化合物衍生产品。该石英管1008穿过微波波导组件1020的宽壁插入。石英管1008的尺寸取决于系统中使用的微波功率。对于所描绘的使用100千瓦功率产生微波的系统，石英管1008具有80毫米的外径、75毫米的内径、1700毫米的长度，并且通过下游真空泵(未示出)保持大约70托的压力。下面更详细地描述石英管1008和微波子系统1004的关系。[0154] 如图10所示，再循环气流1022在反应器1002的注入区域1010内与原料气流1024混合，每条气流通过其自身的入口(未示出)进入反应器1002的注入区域1010。每个气流通过气体喷射器装置1032(也在图11中示意性地示出)进入反应器1002的通道影响其方向、流速和速度。如图10所示，可选气流或气流1028可被引导进入注入区域1010，以与再循环气流1022和原料气流1024混合以产生涡流气流1006。在混合之后，气流1006中的气体向远端流过石英管1008，以遇到由电源和磁控管复合体1016产生并通过波导组件1020输送到反应器1002的反应区域1012的微波能量。微波能与反应器1002的反应区1012内的气体的相互作用产生等离子体1018。含有反应产物的流出气流1034从等离子体1018流出，进入石英管1008的流出区域1038，从反应器1002流出，进一步分离1040。如该图所示，微波子系统1004包括电源和磁控管复合体1016以及波导组件1020；在该图中未示出的是在下图中示出和描述的微波子系统的附加元件。[0155] 图11A是一个气体喷射器的横截面示意图(不按比例)，该气体喷射器适用于100kW功率的基于等离子体的碳氢化合物处理系统，如图10所示的气体喷射器1032。出于示例性目的，图11A中的横截面图对应于在图10中的线a‑a'处拍摄的横截面。图11A示出了位于等离子体反应器1100的反应室1102中的气体喷射器1106，该气体喷射器1106向反应室1102提供多个气流以使这些气体遇到如上所述的微波能量。如该图所示，气体喷射器1106为进入反应器1102的两个不同的气流提供流动路径，每个气流通过其自身的喷嘴和气体喷射器装置1106内的流动路径被引导进入反应器1102。如图11A所示，有四个喷射口，两个用于循环气流1104a和1104b，两个用于原料气流1108a和1108b。在该图中，两个再循环气体喷嘴1104a和1104b与第一中央流道1110流体连通，再循环气体流通过第一中央流道1110进入气体喷射器1106并被引导至再循环气体喷嘴1104a和1104b。类似地，在气体喷射器1106中有第二中央布置的流道1112用于进料气体，其中该通道与用于再循环气流的第一中央流道1110分离。原料气1108a和1108b有两个喷嘴，与第二个中央布置的通道1112流体连通，这些喷嘴108a和1108b进入反应器1102的高度不同于再循环气体1104a和1104b的喷嘴。两种气流的喷嘴朝向有利于反应的方向在反应器1102内形成涡旋气流。再循环气体通道1110和原料气通道1112彼此不相交，而是将单独的气流提供给各自的喷嘴1104a/1104b和1108a/1108b；喷嘴也彼此不相交，而是将其气流单独提供给反应器1102。通过每个喷嘴的气流可以在流速、路径长度和压降方面与其他喷嘴中的其他气流相协调。[0156] 本领域技术人员可以理解，原料气通道1112和再循环气体通道1110的相对位置可以重新排列，例如，作为平行通道、螺旋、在气体喷射器1106内的不同水平上，或者作为除图11A中所示的布置以外的其他布置，前提是在气体喷射器1106中，每种气体的通道彼此保持分离，并且进一步前提是每种不同的气流通过其自身的一个或多个离散喷嘴进入反应器1102。此外，喷嘴的数量、配置和方向可以改变，前提是每种组分气体的气流(即原料气和再循环气体以及任何可选的附加气体)通过其自身的喷嘴进入反应器，而不与其他气流混合。[0157] 图11B是适于与100kW功率等离子体基碳氢化合物处理系统(例如图10中描绘的气体喷射器1032)一起使用的气体喷射器的另一实施例的截面示意图(不按比例)。出于示例目的，图11B中的横截面图对应于在图10中的线a‑a'处拍摄的横截面。图11B示出了位于等离子体反应器1150的反应室1152中的气体喷射器1156，该气体喷射器1156向反应室1152提供多个气流，以使这些气体遇到如上所述的微波能。如该图所示，气体喷射器1156为进入反应器1152的两个不同的气流提供流动路径，每个气流通过气体喷射器装置1156内自己的一组喷嘴引导进入反应器1152。如图11B所示，有八个喷射器端口或喷嘴，四个(1154a、1154b、1154c和1154d)用于第一气流，例如循环气流，四个(1158a、1158b、1158c和1158d)用于第二气流，例如原料气流。在图中，用于第一气流的四个喷嘴(1154a、1154b、1154c和1154d)与中心流道1162流体连通，第一气流通过该流道进入气体喷射器1156，并被引导至适当的喷嘴1154a、1154b、1154c和1154d。用于第二气流的喷嘴1158a、1158b、1158c和1158d流量分别由单独的流道1160a、1160b、1160c和1160d提供。可以设想为第二气流供应喷嘴1158a、1158b、1158c和1158d的流道的其它布置，前提是第二气流的流道不允许第二气流与第一气流混合。相反，每个气流通过其自己的一组离散喷嘴和自己的流道进行输送。第一气流1154a、1154b、1154c和1154d的喷嘴以及第二气流1158a、1158b、1158c和1158d的喷嘴朝向有利于在反应器1152内形成涡流气流的方向。通过每个喷嘴的气流可以在流速、路径长度和压降方面与其他喷嘴中的其他气流相协调。[0158] iii.微波子系统[0159] 图10所示的微波子系统在图12中进行了示意性描述，并且更为详细。参考图10，可以看到反应器1002的反应区域1012与波导组件1020相交，其中当气流1006进入反应区域1012以形成等离子体1018时，微波被引导到气流1006。微波子系统1004负责产生微波并将其导向反应器1002。[0160] 图12更详细地显示了微波子系统。如该图所示，微波子系统1200包括电源1208、磁控管1210、波导组件1202(其包括波导1212和如下所述的某些其它标准微波部件)和施加器1204。电源1208将480V、150A交流电源转换为20kV21kV、5.8A低纹波直流电源，转换率为96％，以使磁控管1210通电。磁控管1210额定功率为100kW，可产生83‑89％效率的连续微波功率。产生的微波在L波段频率范围内，约为915兆赫。微波被发射到波导组件1202中，在波导组件1202中波导1212引导微波穿过系统的其他部件并到达施加器1204，在那里微波与等离子体反应室1214中的气体/等离子体相互作用。波导1212具有90度弯曲1216。波导管的一个部件是隔离器1218，隔离器1218具有附加的水负载1220，位于磁控管1210的远端，以通过将磁控管1210用铁素体芯1222引导到水负载1220来保护其免受反射(未吸收)微波的影响。波导组件1202的其它部件允许将微波引导至等离子体反应室1214并调谐以优化其中等离子体的产生。施加器1204提供微波和石英管1224之间的接口，在石英管1224内产生等离子体。等离子体在等离子体反应室1214内形成，在该石英管1224的区域内发生化学转变。如图12中的横截面所示，石英管1224布置在施用器1204内，但通过气隙(未标记)与施用器1204分离。[0161] 当等离子体关闭且微波开启时，在施加器1204中，在3短截线调谐器1230和施加器1204端部的滑动短路板1232之间形成驻波，使得电场足以引发石英管中的气体分子的击穿。进入施加器1204的微波能量被调谐到等离子体反应室1214的中心处的峰值，根据需要使用短路板1232来改变等离子体反应室1214的长度，并且使用3短截线调谐器1230来改变入射微波的相位。一旦等离子体已经被启动，可以优先改变调谐器1230中的存根位置以使微波功率与等离子体匹配，从而最小化未吸收的功率。3‑短截线调谐器1230包含功率和相位传感器(未显示)，并且可以通过算法调整电机驱动的短截线以最小化未吸收的功率。双定向耦合器1234包括在波导1212中靠近3存根调谐器1230处，该波导1212包括两个小孔，所述小孔耦合具有已知衰减的微波。功率计(未显示)连接到这些针孔端口，并将微波功率转换为电压，输出正向和反射功率测量值。波导管系统中添加了一个薄石英窗1238，以防止环境碎屑和灰尘进入波导管部件。[0162] b.用于乙炔生产的火炬系统[0163] 在实施方案中，用于生产乙炔和氢气的基于等离子体的碳氢化合物处理系统可以具有任何规模，并且可以根据所需的最终用途提供一系列纯度和乙炔浓度。如前所述，基于等离子体的碳氢化合物处理系统可设计用于小规模应用，并可适应最终用户的需求。为了促进这种定制，可以配置基于等离子体的碳氢化合物处理系统，以便将来自反应器的流出(流出物)流分离成具有不同成分的气流，例如，具有更高浓度乙炔的气流和具有更高浓度氢的气流。基于等离子体的小规模碳氢化合物处理系统可以设计为输送纯气流，也可以输送乙炔‑氢混合物，输出气流中包括或不包括其他气体。上述小型系统或“小型装置”可设计为在其反应器中仅产生乙炔‑氢气混合物，气体流出物为0.5％‑75％乙炔，因此可将所需分离量降至最低，并降低系统的复杂性。在实施方案中，最终用户可以操纵分离子系统的参数以产生与氢混合的乙炔的所需组合物；在实施方案中，微型单元中的微波等离子体反应器模块的参数也可以调整，尽管对于更广泛的参数定制，需要更大的单元。[0164] 在一个实施方案中，基于等离子体的碳氢化合物处理系统的总体尺寸可以缩放，例如从较小的尺寸单位(例如，4英尺宽8英尺长4英尺高)到20×20×20英尺或更大的大型单位。在一个实施方案中，基于等离子体的碳氢化合物处理系统的尺寸可以是便携式的。便携式装置的理想尺寸范围从桌子尺寸(如4×8×4)到标准运输集装箱的尺寸。虽然海运集装箱的尺寸各不相同，但标准的20英尺ISO海运集装箱尺寸允许运输便携式集装箱；此类集装箱通常宽约8英尺，长约20英尺，高约8.5至9.5英尺。其他较小的运输集装箱可用于较小的便携式装置，例如，长度为10英尺或8英尺的装置，结合上述高度和宽度尺寸。[0165] 这种小型系统可以连接到小型终端用户设备(例如乙炔或氧乙炔焊炬)或小型储存设施或储罐。在一个实施方案中，尺寸为4英尺宽×8英尺长×4英尺高的5kW等离子体基碳氢化合物处理系统小型装置可产生大于50％乙炔的乙炔‑氢混合物，其量足以供给至少5个同时连续使用的氧燃料切割炬。在实施方案中，基于等离子体的碳氢化合物处理系统小型装置的功率范围可在约1kW到约500kW之间，功率范围可被选择用于期望的商业用途。基于等离子体的碳氢化合物处理系统可以设计成便携式。如上所述，更大的单元(例如，达到标准ISO20英尺集装箱的大小)也可以设计成便携式。在实施方案中，便携式基于等离子体的碳氢化合物处理系统可部署到施工现场、拆除现场、造船厂或诸如管道或海上石油钻井平台之类的远程操作，这取决于诸如天然气或沼气、电和水等混合气流的可用性。[0166] 图13提供了适用于工业用途的小规模和可伸缩的基于等离子体的碳氢化合物处理系统1300的框图。如图13所示，基本上如上所述的等离子体反应器1302具有输入原料气1304，所述原料气1304包括碳氢化合物，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等，并且来自各种罐或者管线，诸如天然气管线或沼气池或沼气管线。该输入原料气1304具有经校准的预选流入，以从系统1300产生最终适合于特定工业用途(例如金属切削)的流出(排出)气流1306。在实施方案中，可以使用诸如甲烷的输入原料气1304或诸如天然气或沼气的甲烷稠密混合物。在实施方案中，输入原料气1304的液体源(例如丙烷或丁烷)是有利的，因为在天然气或沼气等天然气源不可用的某些区域或设施中，此类原料气源可以随时可用。[0167] 在该图中，气流方向由箭头1308和其他方向箭头指示。作为在系统1300中有用的气流的示例，可选择在约0到约50SLM范围内的气体流入；在实施方案中，5SLM的气体流入可产生约10SLM的气体流出。在实施方案中，输入原料气1304作为唯一气体输入进入等离子体反应器1302。在其它实施方案中，从再循环气流1310输入的单独气体通过单独的流入喷嘴(未示出)进入等离子体反应器1302，以与等离子体反应器1302内的输入原料气1304结合，例如使用如先前图中所述的气体喷射器(未示出)。[0168] 在一个实施方案中，来自等离子体反应器1302的流出1306含有约14％的乙炔、84％的氢和2％的甲烷，并且可以由系统的其他组件进一步处理。在某些实施方案中，在气体流出1306中夹带各种碳物种副产物，包括高级碳产物和碳颗粒，其可在将气体产物输送到最终用户之前被去除。这些副产物可在固体和液体收集器1312中去除，流出气体1306在等离子体反应器1302中处理后通过固体和液体收集器1312。副产物被去除后，气流1306通过氢分离膜系统1314或去除氢的变压吸附器被处理。这种处理允许富乙炔流1318与富氢流1320分离，其中富乙炔流1318可供最终用户用于工业目的，例如金属切割。在其它实施方案中，例如，如果气体流出物将用于焊接或其它不需要净化乙炔流的工业用途，则去除高阶碳产物没有好处。然而，可以理解，高阶碳产物会污染氢分离膜，因此如果使用氢分离膜系统，则应去除这些物种；或者，如果包括高阶碳产物的混合流出物流在商业上是有利的，则氢处理系统，例如变压吸附器可代替氢气分离膜系统。[0169] 如图所示，经过处理以去除高阶碳产品和氢的富乙炔流1318可直接用于各种最终用途或储存1322。例如，可将富乙炔流1318导入加压罐中，最终用户可从中提取气体混合物以用于金属切割焊炬；有利的是，如果储存富乙炔流1318，则可根据需要间歇运行基于等离子体的碳氢化合物处理系统，以充注用于切割的罐以后使用。在一个实施方案中，富乙炔流1318可含有约50％的乙炔，以及其他组分，例如氢、甲烷和其他气体添加剂(如适用)。可在约2.1SLM的流量下产生富乙炔流1318。在一个实施方案中，富氢流1320可含有约4％乙炔和96％氢气，总流量约为7.9SLM。在实施方案中，可使用两个或多个分离膜系统来增加富乙炔产品流1318中的乙炔浓度，尽管可使用单个分离膜系统来设计小规模系统以限制装置的总体尺寸。[0170] 在图13所示的基于等离子体的碳氢化合物处理系统实施方案中，富氢流1320可通过分离器1322引导，分离器1322可将富氢流1320分离成两个子流1320a和1320b，一个子流(1320a)用于最终用途、处置和/或储存，一个子流(1320b)用于作为再循环气体再循环流1310进入等离子体反应器1302，在那里它可以与输入原料气1304一起被处理。分离器1322可以由本领域技术人员熟悉的部件形成，例如Y阀、质量流量控制器等。未回收的富氢子流1320a可根据具体工业环境的要求进行排放、处置、收集、燃烧或以其他方式使用。[0171] 用于回收的富氢子流1320b可具有与用于最终用途、处置和/或储存的子流1320a相同的成分。在一个实施方案中，可将约5SLM的循环流1310重定向至等离子体反应器1302，其具有约97.5％氢和2.5％乙炔的组成，产生约5SLM氢的循环流。如上所述，利用再循环流1310与输入原料气1304组合以在等离子体反应器1302中进行燃料化学转化，产生流出气体1306。在实施例中，可基于用户的要求来调整用于再循环的比例。对于回收利用，质量流量控制器测量用于回收利用的富氢气体1320b的量提供了特殊的一致性，剩余的用于最终用途、处置或储存。[0172] 图14更详细地显示了适合小规模或更大规模使用的模块化基于等离子体的碳氢化合物处理系统1400，箭头显示了气流方向。如图14所示，气体管道1404(例如，天然气管道)可以为微波等离子体反应器1402提供流入气体，尽管可以使用流入气体的任何来源(例如，含有气体的供应罐，可以用于C1‑C4烷烃，或者输送沼气的线或罐)。流入气体可由含有富氢气体的再循环流1408补充。在微波等离子体反应器1402中进行处理之后，流出(流出物)气体通过重液体捕集器1412，所述重液体捕集器1412使用冷捕集器和/或碳吸附器的组合去除高阶碳氢化合物。作为下一阶段，流出的气体通过过滤器1414，过滤器1414去除颗粒物，例如碳烟。然后通过真空泵1418调节气体压力，然后通过压缩机1422压缩气体以通过氢气分离器1424。等离子体反应器1402、重液体捕集器1412、固体过滤器1414和真空泵1418被组合在一起作为反应器子系统1420。这可以位于靠近氢循环子系统1410和流出物管理子系统1434的位置，或者这些子系统可以彼此流体通信但彼此远程布置，这对于特定的工业应用是方便的。[0173] 如前所述，氢分离器1424可包括一个或多个氢分离单元；在示例性实施方案中，每个氢分离单元可包含一个或多个氢分离膜，但其他配置和分离器技术(例如，可采用变压吸附技术分离氢气。氢气分离器装置的配置可适用于在流出物富乙炔流1428中允许较少或较大的乙炔富集。根据所需的工业用途，该排出流1428可直接用作切割流，或可作为产品流存储。在一个实施方案中，除去富乙炔流1424后剩余的气体含有很大比例的氢。如前所述，该富氢流可在分离器1432中分成两个子流，其中一个流1408指定用于再循环，另一个流1430指定用于处置、排气、燃烧、商业化或其它所需用途。[0174] 如前所述，流出物管理子系统可与反应器子系统(包括气体输送子系统、微波子系统和真空子系统，如前所述，但未在图14中显示)集成在单个小型装置内，用于特定应用。废水分离过程所需组件的大小、数量和复杂性会影响整个系统的大小。在一个实施方案中，单个等离子体反应器可利用单个氢分离子系统来提供小的占地面积，该子系统包括一个或两个氢分离膜或其它分离子系统技术，例如变压吸附。在实施方案中，例如用于氢分离的分离子系统可与基于等离子体的烃处理系统集成。[0175] 在模块化等离子体基碳氢化合物处理系统的一个实施方案中，使用带有单个分离膜的单个氢气分离装置，从反应器流出的气体可以包含以下气体成分，流速为10SLM:14％乙炔、81％氢气、2％甲烷和3％氮。在通过具有单个分离膜的氢分离单元进行处理之后，形成富氢流，其以7SLM的流速包含以下气体组分：4％乙炔、96％氢。同时，形成富含乙炔的气流，包含以下气体成分，流速为3SLM:50％乙炔、27％氢气、9％甲烷和14％氮气。该工艺在富乙炔流中乙炔截留率为93.75％，氢气回收率为86.5％。单膜氢分离系统的各种气流组分的流速和摩尔比如下表3所示：[0176] 表3[0177][0178] 双膜氢气分离装置可以从反应器的流出气体中提取更多的氢气，以7SLM的流量产生含1.2％乙炔和98.8％氢气的富氢气流。在该系统中，形成含有以下气体成分的富乙炔流，流速为3SLM:45％乙炔、38％氢气、7％甲烷和10％氮气。双膜氢分离系统各种气流组分的流速和摩尔比如下表4所示：[0179] 表4[0180][0181] 如本文所述，基于小规模或模块化等离子体的碳氢化合物处理系统可以设想有多种工业用途。如上所述，乙炔的主要工业用途是金属加工工业，例如金属切割。出于这些目的，根据本发明的适当尺寸的基于等离子体的碳氢化合物处理系统可直接使用或通过储罐提供用于金属切割的燃料。此外，基于等离子体的碳氢化合物处理系统可与其他系统耦合以提供产品多功能性并提高金属加工行业的效率。例如，在氧乙炔钢切割设备中，基于等离子体的碳氢化合物处理系统可与空气分离装置(ASUs)结合使用。ASU可以将空气分离为富氮和富氧气流，然后与微波等离子体反应器单元使用或产生的气流结合。使用这种设备组合，操作员可以生产现场炼钢所需的所有气体原料。[0182] 实施例[0183] 实施例1[0184] 前体气体的流量由60标准升/分钟99.9％纯度的甲烷、90标准升/分钟99.9％纯度的氢气和6标准升/分钟的氮气组成，通过类似于图4A和4B中所述的气体喷射器装置供应，放入外径50mm，内径45mm的石英管中，保持70托的压力。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，对前体气体施加19kW的入射915MHz微波功率。前体气体中95.7％的甲烷转化为氢气和烃类产品。通过气相色谱仪分析，流出反应器的气体的碳氢化合物成分如下表5所示。[0185] 表5[0186][0187][0188] 从反应器流出的气体通过一个风冷散热器，然后通过瓦楞纸过滤器，然后退出真空泵。流出的气体随后通过在10℃下运行的冷阱和附加过滤器。[0189] 然后一部分流出的气体通过含有高比表面积活性炭的吸附柱。吸附塔出口的出气量组成见下表6。[0190] 表6[0191][0192][0193] 在离开吸附柱后，一部分流出气体随后通过吸附柱。溶剂N‑甲基吡咯烷酮逆流到流出气体中优先吸收乙炔。离开吸收塔，将带有吸收乙炔的溶剂泵入第二个塔中以恢复溶剂，并加热至120‑140℃。在第二个塔中，将乙炔和相关气体作为净化产品气流从溶剂中去除，并将恢复的溶剂再循环到系统中。下表7显示了从第二个塔排出的净化产品气流的组成。[0194] 表7[0195]组分 摩尔百分比乙炔 98.764氢气 0.774甲烷 0.211乙烯 0.083乙烷 0.002丙烯 0.042二乙烯 0.002乙烯基乙炔 0.006二氧化碳 0.115甲苯 0.001[0196] 实施例2[0197] 前体气体流，包括每分钟20标准升纯度为99.9％的甲烷、每分钟20标准升乙烷、每分钟95标准升纯度为99.9％的氢气，并且通过实施例1中所述的等离子体反应器装置供给每分钟6标准升的氮气，并使用实施例1中所使用的等离子体反应器装置与18kW入射915MHz微波功率反应。含甲烷和乙烷原料气中97.9％转化为氢气和烃类产品。根据气相色谱仪的分析，反应器流出气体的碳氢化合物成分如下表8所示。[0198] 表8[0199][0200] 实施例3[0201] 通过气体喷射器装置供应前体气体流，包括110标准升/分钟纯度为99.9％的甲烷和11标准升/分钟的氮气，类似于图4A和4B中所述，放入外径80毫米，内径75毫米的石英管中。如图3所述，在等离子体反应器装置中对前体气体施加11kW的入射915MHz微波功率。前体气体中50.7％的甲烷转化为氢气和烃类产品。7％的转化甲烷产生碳固体和多环芳烃。76％的转化甲烷产生乙炔。[0202] 实施例4[0203] 前体气体的流量由100标准升/分钟99.9％纯度的甲烷、160标准升/分钟99.9％纯度的氢气和10标准升/分钟的氮气组成，通过类似于图4A和4B中所述的气体喷射器装置供应，放入外径50mm，内径45mm的石英管中，保持70托。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，将前体气体置于29kW入射915MHz微波功率下。前体气体中90.3％的甲烷转化为氢气和烃类产品。下表9描述了离开反应器的流出气体的碳氢化合物成分。[0204] 表9[0205]组分 Mol％氢气 83.42729甲烷 2.99563丙烷 0.010008丙烯 0.010008丙二烯 0.060046甲基乙炔 0.0100081,3‑丁二烯 0乙烯基乙炔 0.020015二乙炔 0.253528乙烯 0.143443乙烷 0乙炔 13.05334苯 0.016679甲苯 0[0206] 实施例5[0207] 前体气体的流量由每分钟130标准升99.9％纯度的甲烷和每分钟13标准升的氮气组成，通过类似于图4a和4b中所述的气体喷射器装置供应，放入外径80mm，内径75mm的石英管中，保持48托。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，对前体气体施加24.3kW的915MHz入射微波功率。前体气体中85.2％的甲烷转化为氢气和碳氢化合物类产品。[0208] 实施例6[0209] 前体气体的流量由74标准升/分钟99.9％纯度的甲烷、40标准升/分钟99.9％纯度的氢气和88标准升/分钟的氮气组成，通过类似于图4A和4B中所述的气体喷射器装置供应，放入外径80毫米，内径75毫米的石英管中，保持在70托。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，将前体气体置于23.9kW入射915MHz微波功率下。前体气体中95.1％的甲烷转化为氢气和碳氢化合物类产品。[0210] 实施例7[0211] 前体气体的流量由47标准升/分钟99.9％纯度的甲烷、110标准升/分钟99.9％纯度的氢气和5标准升/分钟的氮气组成，通过类似于图4a和4b中所述的气体喷射器装置供应，放入外径80mm，内径75mm的石英管中，保持65托。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，将前体气体置于15.6kW入射915MHz微波功率下。前体气中89.7％的甲烷转化为氢气和碳氢化合物类产品。[0212] 实施例8[0213] 前体气体流由90标准升/分钟99.9％纯度的甲烷、135标准升/分钟99.9％纯度的氢气和9标准升/分钟的氮气组成，通过类似于图4A和4B中所述的气体喷射器装置供应，放入外径38mm，内径35mm的石英管中，保持105托。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，对前体气体施加25kW的915MHz入射微波功率。前体气体中92.0％的甲烷转化为氢气和碳氢化合物类产品。[0214] 实施例9[0215] 前体气体流由15标准升/分钟纯度为99.9％的丁烷、90标准升/分钟纯度为99.9％的氢气和6标准升/分钟的氮气组成，通过类似于图4a和4b中所述的气体喷射器装置供应，放入外径50mm，内径45mm的石英管中，保持50托。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，将前体气体置于17.7kW入射915MHz微波功率下。前体气体中100％的丁烷转化为氢气和碳氢化合物类产品，甲烷产率为0.6％。[0216] 实施例10[0217] 前体气体的流量由30标准升/分钟99.9％纯度的乙烷、90标准升/分钟99.9％纯度的氢气和6标准升/分钟氮气组成，通过类似于图4a和4b中所述的气体喷射器装置供应，放入外径50mm，内径45mm的石英管中，保持126托。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，对前体气体施加16kW的915MHz入射微波功率。前体气体中100％的乙烷转化为氢气和碳氢化合物类产品，甲烷产率为3.3％。下表10描述了离开反应器的流出气体的碳氢化合物成分。[0218] 表10[0219]组分 Mol％乙炔 18.34358氢气 79.93364甲烷 0.824195乙烷 0.003651乙烯 0.383346丙烷 0.006845丙二烯 0.008215丙炔 0二乙炔 0.412097乙烯基乙炔 0.054307甲基乙炔 0苯 0.028751甲苯 0.001369[0220] 实施例11[0221] 前体气体的流量由8.6标准升/分钟纯度为99.9％的丙烷、8.6标准升/分钟纯度为99.9％的丁烷、88标准升/分钟纯度为99.9％的氢气和6标准升/分钟的氮气组成，通过类似于图4A和4B中所述的气体喷射器装置供应，放入外径50mm，内径45mm的石英管中，保持70托。在类似于图3所述的等离子体反应器装置中，对前体气体施加16kW的915MHz入射微波功率。前体气体中100％的乙烷转化为氢气和碳氢化合物类产品，甲烷产率为3.2％。下表11描述了离开反应器的流出气体的碳氢化合物成分。[0222] 表11[0223]组分 Mol％乙炔 20.33077氢气 77.56967甲烷 1.155769乙烷 0乙烯 0.293664丙烷 0.008498丙二烯 0.013692丙炔 0二乙炔 0.549557乙烯基乙炔 0.046269甲基乙炔 0苯 0.030688甲苯 0.001416[0224] 实施例12[0225] 使用如实施例1所述的每分钟产生250升流出气体的等离子体反应器系统。在系统中使用真空泵后，通过简单的在线过滤器去除固体碳副产物。含有14个以上碳原子的液态烃冷凝液在‑20℃的冷阱中从流中分离出来。没有进一步的碳氢化合物被去除，流出液直接通过内径为8英寸的不锈钢容器，容器中含有0.4kg空白的100‑200目α‑氧化铝和1.8％的氧化铝kg100‑200目α‑氧化铝，掺杂3wt％金属钯和4wt％金属银。催化剂床使用内部开环水冷却系统保持在350℃。获得了含有50％氢气、11％乙烯、0.5％乙烷和38.5％甲烷的气体混合物；有意将气体混合物中的乙炔含量保持在100ppm以下。[0226] 实施例13[0227] 使用如实施例1所述的等离子体反应器系统。分离每分钟1升流出气体的气流，并按照本示例中所述进行进一步处理。在真空泵之后，用陶瓷再生过滤器去除固体碳副产物。含有10个以上碳原子的液态烃冷凝物在‑30℃的冷阱中从流中分离出来。之后，流出的气体通过一个不锈钢容器，该容器含有20克高比表面积活性炭，掺杂有0.01％的金属钯。此时流出的气体中含有85％的氢气、8％的乙炔、4％的乙烯和0.6％的乙烯基乙炔以及平衡的甲烷。乙烯基乙炔通过在室温下通过含有300毫升浓硫酸的500毫升容器鼓泡去除，然后通过含有100毫升室温水的容器捕集挥发硫酸。最后，气流通过10克硫酸钙干燥剂干燥。[0228] 虽然本发明已参照其优选实施方案进行了具体的显示和描述，但本领域技术人员应理解，在不脱离所附权利要求书所涵盖的本发明范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。除非另有说明，否则在本说明书和权利要求书中使用的表示反应条件、质量、数量、范围等的所有数字应理解为在所有情况下都被术语“大约”修饰。因此，除非相反说明，否则本文所述的数据参数是近似值，根据本发明寻求获得的期望特性，其可以变化。

专利地区：美国

专利申请日期：2019-08-22

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN112867702B