專利名稱：熱合成的裝置和方法
技術領域：
本發明一般涉及一種熱合成方法。本發明具體涉及將熱力學穩定的高溫氣流中的反應物熱轉變成所需的最終產物，如氣體或超細固體顆粒的方法和裝置。
背景技術：
在美國，天然氣(其中甲烷是主要的烴)的價格低，并且是未得到充分利用的能源。已知天然氣的大量儲藏存在于美國大陸的偏遠地區，但這種能源無法經濟而安全地從這些地區運輸過來。近幾十年來，研究了將天然氣轉變成價值更高的烴類，但這種研究在現代經濟上所取得的成功非常有限。近年來，進行了一些研究來評價將天然氣(現在是用于直接燃燒)轉變成作為日用化學品原料的乙炔的技術。與油田和廉價勞動力相關的對已有的大量天然氣儲藏的利用，使得由天然氣轉變成乙炔的工藝用于制造在這部分世界上尤其吸引人的日用化學品。
乙炔可用作塑料制造或藉已證實的催化反應轉變成液體烴燃料用的原料。乙炔作為起始原料的通用性是眾所周知并且是公認的。目前塑料用的原料是石油化學基的原料。制造這些石油化學基原料的來自國內和國外石油儲藏的供應正在下降，這就對尋找石油化學基原料的替代品構成了壓力。因此，目前再次恢復了對乙炔基原料的興趣。
將甲烷熱轉變成液體烴包括間接法或直接法。常規的甲醇制造汽油(MTG)法和Fischer-Tropsch(FT)法是這種間接轉變法的兩個主要例子，它們是將甲烷重整(reforming)成合成氣，然后將其轉變成最終產物。這些昂貴的吸熱法是在高溫和高壓下操作的。
尋求一種將甲烷直接催化轉變成輕烯烴(例如C2H4)，然后轉變成液體烴的方法已成為目前天然氣轉變技術的焦點。氧化偶合、氫氧氯化(oxyhydrochlorination)和部分氧化是直接轉變法的例子。這些技術要求在較高壓力、中等溫度和使用催化劑的條件下操作。開發用于天然氣直接轉變法的特定催化劑是開發這些技術面臨的最大挑戰。這種方法的轉化率低，與間接法相比其費用高，并且這些技術還未得到證實。
輕烯烴可以通過在非常高的溫度(＞1800℃)從甲烷提取出氫，而后偶合烴自由基制得。甲烷高溫轉變成乙炔可以用反應式表示，這是一個例子。這個過程已知有一段很長的時間。
甲烷成為乙炔的轉變過程，目前是使用冷液體烴猝滅劑來防止逆反應。也許這些過程中最知名的是Huels法，這種方法在德國商業應用中已使用了許多年。通過在高溫電弧(15000-20000K)和甲烷原料之間的“直接”接觸，Huels的電弧反應器就能轉移電能。用水和液化丙烷驟冷產物氣體，用以防止逆反應。對Huels法而言，乙炔的單道產率小于40％。通過將乙炔和乙烯以外所有的烴進行再循環，C2H2的總產率可增至58％。
盡管在商業上已經使用，但Huels法在經濟上僅是勉強合算的，因為單道效率較低，并且需要從驟冷氣體中分離出產物氣體。德國政府的津貼幫助了在生產上仍使用這種方法。
使用9MW反應器的類似方法由杜邦公司建立，這種方法在1963至1968年操作，它將從液體烴源制得的乙炔送到氯丁橡膠廠。據報道也證實了這種方法使用甲烷原料以中試試驗的規模進行。而工廠規模的操作局限于液化石油氣或液體烴餾出液。該杜邦中試方法的規模并沒有報道。在杜邦法中，用磁性方法使電弧旋轉，而在原始的Huels法中，電弧是用切向注入的氣體“漩渦穩定的”。在杜邦法中，用氫稀釋的所有原料都通過電弧柱。在Huels法中，是在電弧的下游位置注入一部分反應物。
Westinghouse使用氫等離子反應器來裂解天然氣制造乙炔。在等離子反應器中，將氫送入電弧區，加熱到等離子狀態。溫度高于5000K的熾熱H2等離子體出口流與天然氣在弧區的下方快速混合，電能間接地轉移到原料中。與在Huels法中一樣，用液化丙烷和水驟冷熱的產物氣體，以防止逆反應。然而，與Huels法一樣，需要從驟冷氣體中分離出產物氣體。據報道，再循環乙炔和乙烯以外所有的烴可使總產率提高到67％。用于天然氣轉變的H2等離子體法業已以小型規模進行了廣泛的試驗，但還需要以中試規模進行進一步的開發和驗證。
挪威科學和工業研究基金會(Scientific and Industrial ResearchFoundation of Norway)開發了一種由兩根同心、耐熱石墨管組成的反應器。當溫度為1900-2100K時，甲烷的裂解反應發生在兩根管之間的狹窄環形空間中。在操作過程中，在環隙中形成的碳會導致明顯的操作問題。同樣也使用液化猝滅劑來驟冷反應產物，以防止逆反應。與上述先前兩種乙炔制造法一樣，需要從驟冷氣體中分離出產物氣體。從此耐熱反應器獲得的多道乙炔總產率約為80％，該方法已經在中試廠中進行了試驗。
因此，需要對上述那些方法中觀察到的中等的甲烷轉化效率、乙炔產率、選擇性和能量消耗率作出改進。
鈦所具有的高的耐腐蝕性和強度的性能與其較低的密度相結合使鈦合金理想地適用于許多高科技用途，尤其是在航空系統中。鈦在化工廠和發電廠中的應用也是有吸引力的。
不幸的是，鈦的廣泛應用由于其費用高而受到嚴重的限制。這個高費用是用于制造鈦金屬的常規Kroll和Hunter法的批量特性及其應用所需的高能量消耗率的直接結果。
許多年來，在鈦工業中使用的大規模制造方法相對來說是不變的。它們包括下述主要步驟(1)氯化不純的氧化物礦，(2)提純TiCl4，(3)用鈉或鎂還原制得海綿鈦，(4)除去海綿鈦，(5)浸出、蒸餾和真空再熔化，以除去Cl、Na和Mg雜質。這些過程固有成本的綜合效果、與鍛造和切削加工鈦有關的困難以及近年來在海綿鈦利用上的不足，都使得鈦的使用較少。
目前正在進行的一種最有希望的為防止鈦合金部件高費用而開發的方法是制造接近最后部件形狀的粉末冶金法。例如，對于每千克目前在飛機中使用的鈦，估計會產生8千克廢料。粉末冶金法可以大大降低這個廢物率。盡管這種技術主要包括制造粉末然后將其密致化成密實制品的簡單步驟，但目前仍在對其進行相當大量的研究，使這種方法最佳化，使最終的產品具有與鍛制或鑄造材料至少等同的性能，并且在費用上比后者更低。
一種制造鈦合金部件的可能粉末冶金法途徑是將元素金屬粉末直接混合，然后壓制。目前，使用來自Kroll法的海綿鈦細粒，但一個主要缺點是其高的剩余雜質含量(主要是氯化物)，所述雜質會在最終材料中形成孔隙。其它可供選擇的粉末冶金法包括直接使用鈦合金粉末進行熱等靜壓壓制。
目前在使這種鈦合金粉末最佳化的過程中涉及幾種方案。結果是非常有希望的，但所有的方案都包括使用Kroll鈦作為起始原料。使用這種現有的粉末要用到許多如上所述昂貴的提純和合金化的步驟。
在最近30年的文獻中，在等離子體條件下制造鈦的方法陸續地受到關注。報告通常涉及用氫還原四氯化鈦或二氧化鈦，某些個別的文獻則涉及用鈉或鎂進行還原。
在電弧爐中研究了使用氫還原四氯化鈦。在2100K時只進行了部分還原。更廣泛地研究了在等離子體火焰中的相同反應體系，并在低氯化鈦(德國專利1,142,159，1963年1月10日)和鈦金屬(日本專利6854，1963年5月23日；7408，1955年10月15日；美國專利No.3,123,464，1964年3月3日)的制備方法上取得了專利。
盡管早期的熱力學計算指出用氫將四氯化鈦還原成金屬鈦應在2500K時開始，但此體系不是一個簡單的體系。計算表明，在此溫度范圍形成低氯化鈦在熱力學上更為有利。
美國專利No.3,123,464披露了在至低，較好是超過鈦沸點(3535K)的溫度下加熱反應物(TiCl4和H2)，能成功地將四氯化鈦還原成液體鈦。在如此高的溫度下，披露了盡管四氯化鈦蒸氣能有效地被原子氫所還原，但H2發生溶解或與Ti反應的傾向并不明顯，所形成的HCl僅有約10％離解，并且低氯化鈦的形成并不有利。鈦蒸氣產物然后或者在約3000K的水冷鋼冷凝器中冷凝成液體，從中溢出流到模具中，或者用氫急驟冷卻成粉末，將其收集在料箱中。由于從氣體中冷凝出來的液體鈦僅帶有氣態副產物或雜質，預計其純度(除氫雜質外)是高的。
日本專利7408描述了如下的反應條件使TiCl4氣體和H2(50％過量)的混合物以4×10-3m3/min的流量通過內徑為5mm的鎢電極噴嘴，放電(3720V和533mA)至距離15mm的另一個電極上。在真空中加熱所得的粉末狀晶體，制得99.4％純的鈦。
在上述專利中沒有一個專利清楚地提到能量消耗。曾經使用自凝坩鍋熔爐試圖開發工業規模的氫還原法，但此努力后來中斷了。最近，有人聲稱在氫等離子體中產生了少量的鈦，但是當確認產物確實是碳化鈦時，這種說法隨后就縮回去了。
總之，試圖在氫等離子體中處理TiCl4的歷史過程似乎表明，只有部分還原即還原成鈦和其低氯化物的混合物是可能的，除非達到非常高的溫度(＞4000K)。先前的研究人員作出結論說，需要先行將蒸氣相鈦冷凝，以克服其體系上的熱力學不穩定性。
因此，需要能克服或避免上述問題和限制的方法和裝置。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種將熱力學穩定的高溫氣流中的一種或多種反應物熱轉變成所需最終產物的方法和裝置。
本發明的再一個目的是提供一種將熱力學穩定的高溫氣流中的一種或多種反應物熱轉變成所需最終產物的改進的過程轉化效率和產物產率。
本發明還有一個目的是提供一種提高從天然氣熱轉變為乙炔的產率的方法和裝置。
為了達到上述這些目的，按本文體現和廣泛描述的本發明，提供一種將熱力學穩定的高溫氣流中的一種或多種反應物熱轉變成氣體或超細固體顆粒形式的所需最終產物的方法和裝置。一般來說，該方法包括下述步驟。首先，在一軸向反應器的一端加入反應物流。接著，在反應物流軸向流過直徑相對于軸向反應器來說減小的注射通道以產生湍流時，對反應物流加熱，從而將反應物流與熱氣體徹底地混合。隨后，讓徹底混合的反應物流軸向通過軸向反應器的反應區，該反應區在其長度范圍內保持基本上均勻的溫度。軸向反應器具有一定的長度和溫度，它在一定條件下操作，所述條件足以將反應物流加熱到使所需的產物流在靠近軸向反應器出口端的位置上產生的所選定的反應溫度。
具體是，本發明的方法包括下述步驟。首先，在包括至少一對位于靠近軸向反應器室入口端的電極的等離子炬電極之間通入等離子弧氣流。該等離子弧氣流以選定的流量通入，同時使電極接受選定的等離子輸入動率(plasma inputpower level)，在直徑受限制的注射通道中產生等離子體，該注射通道延伸到反應器室中并朝向反應器室出口端。其次，將至少一種反應物注入注射通道中，使引入的反應物流徹底地混入等離子體中，獲得徹底的混合，然后引入反應器室中。反應器室在整個流動場中保持基本上均勻的溫度，使反應達到平衡。離開噴嘴的氣流在反應器室的出口端冷卻，其辦法是降低其速度，同時以足以防止其動力溫度提高的速率除去熱量。然后從冷卻氣流中保留的氣體中分離出所需的最終產物。
與已有的常規方法相比，本發明提供方法轉化效率和乙炔產率上的提高。這種改進主要是通過將反應物更有效的注入并和等離子氣體混合，并使反應器中的溫度梯度和冷的邊界層降至最小實現的。改進的混合和熱控制也會增加下述這個特征，即降低乙炔以外烴的產率。在小的反應器中通過壁上的熱傳遞而達到的驟冷速度足以抑制乙炔分解和形成炱。乙烯以外其它烴的形成不受明顯提高驟冷速度的影響。
本發明的這些和其它目的、特征和優點將由下面描述和所附權利要求書更完整地說明，或者可以通過按照下面所述實施本發明而掌握。
為了說明達到本發明上述和其它優點和目的的方式，將參考在附圖中說明的一些特定實施方案對上面簡述的本發明作更具體的說明。應明白的是，這些附圖僅說明本發明典型的實施方案，因此不能認為它們是用來限制其范圍的。通過使用附圖，將以附加的特征和細節來說明本發明。
圖1是本發明一個實施方案反應器體系的截面示意圖；圖2是本發明另一個實施方案反應器體系的截面示意圖；圖3是本發明再一個實施方案反應器體系的截面示意圖；圖4是描繪可以在本發明反應器體系中轉化的甲烷理論最大量的圖；圖5是描繪轉化效率與甲烷進料流量關系的圖；圖6是描繪估算的反應器溫度和反應器中停留時間與甲烷注入流量關系的圖；圖7是描繪甲烷轉化效率與反應器壓力關系的圖；圖8是描繪乙炔產率與甲烷注入流量關系的圖；圖9是描繪乙炔產率與甲烷注入流量關系的圖；圖10是描繪烴產率與甲烷注入流量關系的圖；圖11是描繪烴(無甲烷)產率與甲烷注入流量關系的圖；圖12是描繪轉化效率與甲烷進料流量關系的圖；圖13是描繪乙炔產率與甲烷進料流量關系的圖；圖14是描繪產率效率與甲烷進料流量關系的圖；圖15是描繪烴(無甲烷)產率與甲烷進料流量關系的圖；圖16是描繪乙炔產率與壓力關系的圖；圖17是描繪烴產率與反應器壓力關系的圖；圖18是描繪所產生的乙炔和能量消耗率與甲烷進料流量關系的圖。
具體實施例方式
本發明一般涉及將反應物熱轉變成所需的最終產物如氣體或超細固體顆粒的方法和裝置。本發明的裝置通常包括一個多孔道注射器，它用于將反應物在反應器的前面注入一個室中，從而使反應物與等離子流混合。反應器使用例如碳襯里進行絕緣，所述絕緣的反應器能為反應的進行提供停留時間，同時使徑向溫度梯度降至最小。在反應器的出口端還可以接上一個縮-擴噴嘴，它能產生超聲波膨脹，從而極大地提高驟冷速度。
存在有用于高溫反應的各種反應器和方法，在這些反應器和方法中又需要快速冷卻以凍結反應產物以防止逆反應或分解成不想要的產物。例如，Detering的美國專利No.5,749,937(下面稱為“Detering”)在縮-擴噴嘴中使用氣體的絕熱和等熵的膨脹來快速驟冷。這種膨脹會使冷卻速度超過1010K/s，這樣就能保存只在高溫下平衡的反應產物。
然而，仍然繼續需要提高轉化效率和產率的值。發現溫度梯度和不良的混合會導致溫度在反應器中不均勻的分布。產物流的組成隨反應的動力學或速度而變，也隨溫度的不均勻性而變。這些效果會導致產物流的組成有明顯的變化。若驟冷過程太慢或延遲，則制得的產物如乙炔會熱分解成固體碳炱或者可能主要在熱表面上再進一步反應，形成苯和較重的烴。
本發明正是針對這些問題的。溫度不均勻的問題可以通過使用有絕緣襯里的“熱壁”的反應器結構如有碳襯里的反應器來克服，所述反應器能使徑向溫度梯度和反應器部分的熱損失降至最小。混合不良的問題可以通過采用受限通道注射器的設計得以解決，所述設計能將反應物很好地混入等離子流中。驟冷速度的效果可以通過將超聲波驟冷噴嘴放入裝置中，使其正好位于反應器部分的后面位置而得以解決。在超聲波噴嘴中，來自反應器部分的熱氣體快速膨脹至較低壓力。這樣，熱能就轉變成動能，所以混合物快速冷卻。這個過程有時稱為氣動驟冷。可以達到107°-108℃/s的驟冷速度，它比在原來的Huels法中報道的驟冷速度大一至二個數量級。在沒有此縮-擴噴嘴的情況下，由壁上熱傳遞達到的驟冷速度大約只有0.1×106℃/s。
盡管這種反應器的概念最初是在研究從天然氣形成乙炔的過程中開發出來的，但本領域的技術熟練者會意識到，本發明的方法和裝置可用于其它需要快速驟冷的過程(包括鈦的生產)中。
本文所述的快速驟冷反應器和操作方法利用了高溫加熱裝置如熱等離子體裝置所產生的高溫(5,000°-20,000℃)，制造在此高溫下熱力學穩定的材料。這些材料包括金屬、合金、金屬間化合物、復合材料、氣體和陶瓷。
本發明的快速驟冷反應器和方法將就一個快速加熱裝置加以描述和說明，所述快速加熱裝置包括等離子炬和等離子弧氣流。然而，應明白的是快速加熱裝置也可以包括其它的快速加熱裝置如激光器和合適燃料氧化產生的火焰如氧/氫焰。
應明白的是，下面在各種實施方案中描述的各種特征可以互換，提供本發明所包括的另一些實施方案。例如，各種實施方案可以包括或不包括縮-擴噴嘴、混合室、下游注射器或陽極注射器。
現在參看附圖，圖1是超速驟冷裝置10的示意圖。裝置10通常包括火炬部分12、注射器部分14、封閉的軸向反應器室16、縮-擴噴嘴18和冷卻部分20。
在本發明的一個實施方案中，裝置10是用于將熱力學穩定的高溫氣流中的一種或多種反應物熱轉變成氣體或超細固體顆粒形式的所需最終產物的快速驟冷軸向反應器。裝置10包括用于在軸向反應器的入口端或其前面處引入反應物流的裝置，所述裝置例如是位于注射器部分14或火炬部分12的多孔道注射器或后面將述的陽極注射器。裝置10還包括用于在軸向反應器的入口端前面產生熱氣流的加熱裝置，該熱氣流朝著軸向反應器的出口端軸向地流動。這種加熱裝置可以選自產生等離子體的火炬、激光器、合適燃料氧化產生的火焰如氧/氫焰和它們的等同物。另外，裝置10還包括使反應物流和熱氣流通過直徑減小的注射通道產生湍流的裝置，從而將反應物流與熱氣流徹底地混合，該注射通道23例如位于注射器部分14或火炬部分12或其等同物中。裝置10還包括用于將軸向反應器中的徑向溫度梯度降至最小的裝置，例如是在反應器室16內部上的絕緣層或其等同物。軸向反應器較好在足以將反應物流加熱到使所需的最終產物在靠近軸向反應器出口端的位置上產生的所選定的反應溫度的條件下進行操作。下面將進一步詳細地說明裝置10的各個部件。
火炬部分12包括等離子炬，它用于使進入的氣流在通過反應器室的入口送入時在所得的等離子體中進行熱分解。
等離子體是一種高溫發光氣體，它至少部分(1-100％)是電離的。等離子體由氣體原子、氣體離子和電子組成。在整個相中，等離子體是電中性的。讓氣體通過在兩個電極(陽極和陰極)之間產生的電弧，可以獲得熱的等離子體。在氣體通過電弧的若干微秒時間內，電弧通過電阻熱和輻射熱將氣體快速加熱到非常高的溫度。等離子體一般在高于9000K的溫度發光。
可以按這種方式用任何氣體產生等離子體。由于氣體可以是中性的(氬氣、氦氣、氖氣)、還原性的(氫氣、甲烷、氨氣、一氧化碳)或氧化性的(氧氣、氮氣、二氧化碳)，這樣就可以對等離子體中的化學反應產生很好的控制。氧氣或氧/氬的混合氣可用于制造金屬氧化物的陶瓷和復合材料。其它的氮化物、硼化物和碳化物陶瓷材料需要諸如氮氣、氨氣、氫氣、甲烷或一氧化碳等氣體，以獲得用于合成這些材料所需的恰當的化學環境。
產生等離子體的火炬的詳細情況是眾所周知的，對本領域的技術熟練者來說，要理解本文所披露的內容，對此并不需要進一步詳細的說明。
用箭頭31表示進入的等離子氣流。等離子氣體也可以是反應物或是惰性的。通常是將一種或多種反應物氣流(箭頭30)分開地注入等離子體中，所述等離子體朝著反應器室16的出口流動。軸向通過反應器室16的氣流包括注入等離子弧或在載氣中的反應物。
注射器部分14包括注射孔22和直徑受限的注射通道23，使反應物和等離子體混合，然后反應物料進入反應器室16。由于讓反應物和等離子體在進入反應器16之前進行混合，熱量損失就較少，體系的效率就可以提高。
氣體和液體是注入反應物的較好形式。可以注入固體，但它通常蒸發得太慢，以致于在氣體冷卻之前在快速流動的等離子體中難以發生化學反應。若使用固體作為反應物，則通常在注入等離子體之前將其加熱變成氣態或液態。
在自由流動的等離子體中，物料的典型停留時間的數量級是毫秒。為了使反應物與等離子氣體達到最大程度的混合，在壓力下(10-100個大氣壓)通過小孔注入反應物(液體或氣體)，以達到足以穿透等離子體并與之混合的速度。較好是無論何時都使用氣態或蒸發的反應物，因為這樣就不需要在等離子體中進行相變，從而改進反應器的動力學性能。另外，注入的反應物流較好是與等離子氣體流動呈直角(90°角)的方向注入。然而，在某些情況下，與此90°角呈高達30°的正或負偏差可能是最佳的。
等離子體的高溫使注入的液體物料快速蒸發，并使其氣態分子物質分裂成其原子成分。各種金屬(鈦、釩、銻、硅、鋁、鈾、鎢)，金屬合金(鈦/釩、鈦/鋁、鈦/鋁/釩)，金屬間化合物(鋁化鎳(nickel aluminide)、鋁化鈦)和陶瓷(金屬氧化物、氮化物、硼化物和碳化物)，其合成可以是將液態或氣態形式的金屬鹵化物(氯化物、溴化物、碘化物和氟化物)注入來自陽極弧連接部位后面在火炬出口中或沿反應器室長度的合適氣體的等離子體中。
封閉的軸向反應器室16在一個入口端與注射器部分14相連，并在一個出口端與噴嘴18相連。本發明一個實施方案的反應器室16在其內表面上有一個絕緣襯里34。絕緣的反應器能為反應的進行提供停留時間，同時使徑向溫度梯度降至最小。一般在反應器室16的外面設置一個冷卻水夾套(未圖示)。
反應器室16就是化學反應發生的地方。反應器室16開始于等離子弧后面的入口，終止于噴嘴咽喉26處。反應器室16包括形成產物的主要反應器區域和噴嘴18一部分的會聚部分24。
反應器室中的溫度要求和其幾何尺寸取決于為了達到各所需最終產物含量的平衡狀態所要求的溫度。
由于反應室是熾熱而化學活性高的區域，所以必須使制成的反應器室的材料與溫度和化學活性相適應，使得來自反應物的化學腐蝕降至最小，并且使由于所得強烈等離子體輻射造成的熔化降解和燒蝕降至最小。反應器室通常用水冷的不銹鋼、鎳、鈦或其它合適的材料制成。反應器室也可以用陶瓷材料制成，以抵御強烈的化學環境和熱環境。
如上所述，用絕緣體如碳給反應器室的壁加上襯里，以保持反應器室16中恒定的溫度梯度。絕緣體的目的是提供對傳熱的阻擋層，以減少過程的熱量損失到反應器室外面的冷水夾套中。各種絕緣材料都可以使用，只要所選擇的材料不與反應器室中的反應物反應并且具有足夠低的膨脹系數，以防反應器室的外壁溶脹和爆裂。這樣，諸如碳之類的較好材料是良好的絕緣體，它們對過程反應物是化學惰性的，具有低的膨脹系數，并且經得起例如約2000°-3000°K的高溫。其它合適的材料例如包括氮化硼、氧化鋯、碳化硅等。然而，任何能減少熱量從反應器室16傳導到外壁上的絕緣材料都可以采用，只要符合上述標準。
通過輻射、對流和傳導相結合，反應室的壁從內部受到加熱。對反應室的壁進行冷卻能防止在其表面上發生不應有的熔化和/或腐蝕。用于控制這種冷卻的系統應將壁保持在選用的壁材料所能允許的高的溫度，所述壁材料在預期的壁溫對反應器室16中的反應物來說必須是惰性的。這對僅通過對流和傳導進行加熱的噴嘴壁來說同樣也是適用的。
對反應器室16的尺寸要加以選擇，使等離子體和反應物氣體的再循環降至最小，以保持足夠的熱量(焓)進入噴嘴咽喉，防止降解(不需要的逆反應或副反應)。
必須首先使用能讓使用者達到目標反應閾溫度的拉長管，用實驗的方法確定反應器室16的長度。然后可以讓反應器室16設計成為足夠的長度，使反應物在高反應溫度下具有足夠的停留時間達到平衡狀態，并完全形成所需的最終產物。這種反應溫度可以從最低約1700℃到4000℃。
通過等離子體和移動氣流的流體性能確定反應器室16的內徑。反應器16的內徑必須足夠大，能讓所需的氣流通過，但又不應太大，致使不應有的返流漩渦或停滯區在反應器的壁上形成。這種有害的流動方式會過早地冷卻氣體，并使不想要的產物如低氯化物或碳發生沉淀。通常，反應器室16的內徑應在反應器室16入口端處的等離子體直徑的大約100-150％的范圍內。
縮-擴噴嘴18同軸地位于反應器室16的后面。縮-擴噴嘴的作用是使流動氣流中的動力溫度快速下降。這能有效地“凍結”或停止所有的化學反應。當氣體快速冷卻時，可以有效地收集所需的最終產物而無需達到平衡條件。由于產生的相轉變(氣體-固體)或冷卻到較低的平衡狀態(氣體-氣體)的穩定化，所以然后就可收集在高溫下的等離子體中產生的但在較低溫度下是熱力學不穩定或無法得到的最終產物。
噴嘴18的會聚部分即上游部分限制著氣體的通過，并控制著熱氣流在反應器室16中的停留時間，使反應器的內含物達到熱力學平衡。當通過噴嘴18的會聚部分時，發生在氣流橫截面尺寸上的收縮將氣體分子在無規方向上的運動(包括旋轉運動和振動運動)改為與反應器室軸平行的直線運動。對反應器室16的尺寸和引入的氣體流速加以選擇，可以在有限的噴嘴咽喉內達到音速。
當受限的氣流進入噴嘴18的擴張部分即下游部分時，由于沿噴嘴出口圓錐形壁的體積逐漸增加，使其壓力超速地下降。所產生的壓力變化立刻降低了氣流的溫度達到新的平衡條件。
通過適當地選擇噴嘴的尺寸，反應器室16可以在大氣壓下或在加壓條件下操作，而處于噴嘴18后面的冷卻部分20通過泵的作用保持在真空壓力下。當氣流通過噴嘴18時壓力的突然變化會立刻使氣流處于較低的平衡條件下，并防止在時間拖長的冷卻條件下可能會發生的不想要的逆反應。
噴嘴18的會聚部分24，其目的是將熱氣體快速壓縮進入受限的噴嘴咽喉26中，使通過壁的熱損失最小，同時保持層狀流動和最小的湍流。這要求噴嘴直徑的長寬比變化大，以保持平穩地過渡到第一陡峭角度(＞45°)，然后再過渡到較小的角度(＜45°)，進入噴嘴咽喉。
噴嘴咽喉26的目的是壓縮氣體，在流動的熱氣流中達到音速。這個過程將熱氣體的無規能量轉變成氣流軸向方向上的平動能量(速度)。這樣就能有效地降低氣體的動力溫度并幾乎立刻進一步限制化學反應的進行。反應器室16和噴嘴18的擴張部分28下游之間的壓力差控制著噴嘴咽喉和噴嘴下游擴張部分中達到的速度。為此目的可以在下游施加負壓或在上游施加正壓。
噴嘴18的擴張部分28的目的是平穩地膨脹并加速離開噴嘴的氣體從音速達到超音速，這能進一步降低氣體的動力溫度。
在實踐中術語“平穩加速”要求使用小于35°的較小擴張角來膨脹氣體，而不會產生與會聚壁分離和誘發湍流的有害結果。膨脹氣體與擴張壁的分離會使在壁和離開噴嘴咽喉的氣體射流之間某些部分的氣體發生返流。這種返流又會導致膨脹氣體的局部再熱和不好的降解反應，從而使所需最終產物的產率降低。
在裝置中包括縮-擴噴嘴的本發明實施方案中觀察到的超速驟冷現象經下述過程達到，通過縮-擴噴嘴的改進的絕熱和等熵的膨脹，使氣體的熱能快速轉變成動能。關于噴嘴物理作用的詳細說明可參見Detering的專利。
環境溫度下的另一種反應物如氫氣可以切向地注入噴嘴18的擴張部分中，以完成反應或防止氣體冷卻時的逆反應。
冷卻部分20同軸地位于噴嘴18的后面，它用于進一步冷卻氣流和對反應進行猝滅。反應器室16、噴嘴18和同軸冷卻部分20的壁都用冷卻水流冷卻。
反應的最終產物可以在旋風分離器(未圖示)中收集。下游的液體阱如液氮阱可在氣流進入真空泵之前用來冷凝收集氣流中的反應產物如氯化氫和超細粉末。
現在試看圖2，本發明另一個實施方案的裝置50一般具有火炬/注射部分52、注射器部分54、絕緣反應器室56和冷卻部分58。應明白的是，大部分部件如上面裝置10所述的一樣。
對獲得本發明此實施方案的積極效果來說，發現上面所述的各種改進使噴嘴18是不必要的。因此，沒有了噴嘴組件，代替的是與后面管道具有相同內徑的冷卻直管部分。盡管圖中未示，但需要避免固體物料阻塞時，本發明也可以使用與縮-擴噴嘴18的會聚部分24相類似的會聚部分來代替噴嘴組件18。若沒有此要求，則從反應器室56到冷卻部分58的突然過渡還是合適的。
本發明此實施方案還有的一個特征是有個陽極注射器64作為火炬/注射部分52的一部分。將陽極注射器64放置在較為靠近等離子弧的地方，就可以減少熱損失，因而混合效率就較高。然而，此實施方案還說明了也可以在火炬/注射部分后面有一個或多個注射器孔60，提供與注射通道62相連的分開的反應物注射孔。
本發明此實施方案的反應器室56，在其內表面上有絕緣襯里66。
現在試看圖3，本發明的另一個實施方案的裝置100一般包括火炬/注射部分102、絕緣反應器室104和冷卻部分106。此實施方案具體取消了上述實施方案中使用的注射器部分。應明白的是，大部分組件仍如裝置10所述的一樣。
裝置100包括陽極注射器110，但沒有其后面的注射器。這樣，陽極注射器110就靠近等離子弧，它具有能在進入反應室之前提供徹底混合的空間，并且它還較為靠近反應室，以免過分冷卻。然而，可以看出火炬部分102仍包括直徑減小的注射通道112，以產生湍流從而確保反應物進入反應器室104之前與等離子體徹底混合。
正是由于在反應器室104內壁上有絕緣層108，有注射通道112并且妥當地將陽極注射器110放置在較為靠近等離子弧的地方，裝置100就能以高的效率達到所需的反應，即使沒有縮-擴噴嘴。
盡管本文所披露的內容主要集中在從甲烷制造乙炔，但本領域的技術熟練者應當明白，也可以采用本發明的方法和裝置來制備其它的材料。這些材料包括(僅作為例子)鈦、釩、鋁和鈦/釩合金。
給出下面的一些實施例說明本發明，但它們并不限制本發明的范圍。
實施例在試驗過程中，除了氣相色譜法(GC)外，下述實施例中使用的所有儀器都直接連接到連續記錄體系參數的數據獲得系統上。一旦達到指定的過程功率、壓力和氣體流量后，采用氣相色譜法連續地對氣流進行取樣7分鐘的時間，以便確保獲得代表性的樣品，然后正式取樣進行氣相色譜分析。這個7分鐘的取樣時間大致上是完全清洗樣品管道所需時間的三倍。用機械真空泵和流動控制閥控制驟冷噴嘴后面的壓力。試驗壓力可以獨立地調節為大氣壓力至約100乇之間，視試驗條件而異。過了1分鐘或更短的時間，試驗達到穩定的狀態。用連續讀數的剩余氣體分析器(RGA)確定穩定操作狀態的到達。對所有的冷卻水流量以及入口和出口溫度加以監控記錄，以便計算整個體系的能量衡算。
所用的等離子氣體是Ar和H2的混合物；在受限通道的橫向噴射注射器的后面注入甲烷或天然氣。所用的DC等離子炬若使用純氫氣，就無法長時間操作而不產生嚴重的陽極腐蝕，所以使用至少含某些量Ar的等離子氣體來獲得所有的試驗數據。使用惰性的不參與過程化學反應的Ar，其優點是它能提供體系內的參照物，用來確認整個過程的物料衡算。通過形成揮發性碳化鎢發生的鎢陰極嚴重腐蝕，就避免了甲烷在放電過程中的直接處理。試驗的兩個最關鍵方面是產物流的化學分析和整個物料衡算。
進行了兩組實施例試驗系列，這兩組之間的主要區別是用或不用縮-擴驟冷噴嘴。當安裝驟冷噴嘴時，下游閥是打開的，真空泵的容量確定了下游壓力。這種類型試驗的下游壓力通常為100-200乇。在這種結構中，流動在縮-擴噴嘴咽喉的位置受到限制，反應器的壓力決定于噴嘴咽喉直徑、反應器溫度以及等離子體氣體和反應物氣體的質量流量。在這些條件下，在上游與下游的壓力比為4-6時，反應器壓力通常為600-800乇。相應的馬赫數為1.6-1.8。假設反應器溫度為2000℃，氣動驟冷會將溫度快速降至1100-1300℃。視氣體混合物的種類和流量情況，測得的等離子炬的熱效率為80-90％。對等離子炬的功率加以調節，達到進入等離子氣體中恒定的60kW。由于等離子炬電壓主要是由氬氣與氫氣之比決定的，所以通過調節電流就可以調節功率，以獲得進入等離子體所需的60kW。注射器環、反應器部分和噴嘴組件的能量衡算表明，在這些部件中損失大約14.6kW的功率給冷卻水。這些能量損失的分布列于下表1中表1
結果是，大約有45kW的功率可用于天然氣向乙炔的轉變。對體系再行仔細沒計，包括在火炬體內放置注射器功能的部件并使反應器的長度最佳化(縮短)，這些損失可能減少70％或更多。圖4是一張在標稱操作條件下在目前的結構中可以轉變成乙炔的甲烷的理論最大量的圖。標稱操作條件定義為對于等離子炬氣體是160標準升/分鐘(slm)Ar，100slm H2，進入等離子體的功率為60kW。反應器的目標溫度為2000℃。在此標稱條件下，可以轉變成乙炔的甲烷的最大理論量約為145slm。
純甲烷注射時，轉化效率定義為|CE=1-[CH4]Q·STPQ·CH4=1-yCH4]]>其中[CH4]是由GC獲得的產物流中甲烷的摩爾分數，QCH4是甲烷的注射流量。
乙炔的產率(對于純的甲烷注射)定義為
yC2H2=2[C2H2]Q·STPQ·CH4]]>其中[C2H2]是由GC測得的產物流中乙炔的摩爾分數，轉換成標準條件(1大氣壓和0℃)的實際測得的氣體流量是QSTP。
實施例1在此實施例中，給出的是在縮-擴噴嘴存在下進行試驗的結果。轉化效率隨甲烷注射流量變化的情況示于圖5中。在獲得此組數據的過程中，進入等離子體中的功率保持為恒定的60kW，等離子氣體的流量恒定為160slm的Ar和100slm的H2。測得的反應器壓力較為恒定，視甲烷的注射流量情況，該壓力在約670-730乇之間變化。甲烷的轉變基本上完全，即在甲烷的進料流量高達約100slm時，轉化效率為100％。在進料流量高于100slm時，轉化效率開始下降，在進料流量約為120slm時，轉化效率降至低于約95％。估算的反應器中的整體氣體溫度和在反應器中相應的停留時間繪于圖6中。這種估算是從測得的體系能量衡算，等離子氣體和甲烷的流量，并假定乙炔產率為100％情況下獲得的。在甲烷流量約為145slm時所達到的目標溫度約為2000℃。對于甲烷的注射流量小于145slm的情況，估算的反應器溫度高于2000℃。若反應器的溫度不均勻(事實并非如此)，并且若過程按圖4所示圖中的平衡圖進行，則預計在溫度比2000℃低得多(甲烷進料流量大于約145slm)時，轉化效率將開始下降。
這種情況的另一種圖示在圖4中，其中將理論上可能的對甲烷轉化的最大量描繪成與可用能量(功率)的關系。對于進入等離子氣體的60kW減去15kW左右在注射器、反應器和噴嘴組件中的損失，凈量約為45kW的標稱操作條件，可以轉化的甲烷的最大量約為145slm。對于注射流量超過145slm，可用的能量不足以使注入的甲烷分解并以100％的效率轉變成乙炔，結果使產物流的溫度為2000℃。在注射環和反應器中存在不可避免的冷邊界層，也會使某些量的氣體通過反應器而不分解。在較低的流量和相應較高的溫度時，甲烷幾乎完全轉變，轉化效率達到100％。在120slm(該值略低于145slm的預期值)時，觀察到轉化效率下降。這可能是由于存在冷邊界層流動，或由于分解時的停留時間不夠造成的。觀察圖6中的停留時間曲線，可見反應器中的停留時間較為恒定，并且與甲烷注射流量無關。質量流量和預期的速度隨甲烷注射流量增加的增大由于也隨著甲烷注射流量提高而發生的氣體混合物冷卻所抵銷。
用與下游管道的內徑相匹配的直徑截面恒定的直管代替縮-擴噴嘴，來評價停留時間對轉化效率可能的影響。拆去了縮-擴噴嘴，可以控制反應器的壓力，而與流量無關。而安裝了縮-擴噴嘴時，在噴嘴咽喉處流動受到限制(達到音速)。在這種條件下，反應器壓力與下游壓力無關，它僅由質量流量和溫度確定。拆去了縮-擴噴嘴時，反應器壓力由下游閥的位置控制。降低反應器壓力就提高了反應器中的速度并縮短了停留時間。對于此系列的試驗，壓力在300-700乇之間變化，反應器中的停留時間縮短到2.3分之一，即從約3.25ms縮短到1.4ms。如圖7所示，在較低壓力下，觀察到轉化效率有略微的降低，降低約2個百分點。盡管這表明對停留時間有輕微的依賴性，但這不足以說明圖5中看到的轉化效率的下降。這表明冷邊界層的存在實際上對所看到的轉化效率下降起主要的作用。在反應器中的停留時間應足以使甲烷分解，并如下文所述，也應足以形成乙炔。
乙炔的產率隨甲烷注射流量變化的情況示于圖8中。觀察到的產率數據的變化趨勢與圖5所示的轉化效率的變化趨勢類似。甲烷注射流量小于約100slm時，乙炔產率約為95％。甲烷注射流量進一步提高會導致產率下降。當注射流量為145slm(即可以使轉化效率和產率接近100％時進行處理的理論最大進料流量)時，實際測得的產率降至75％。在圖9中，對測得的產率進行歸一化來說明測得的轉化效率的下降。
這種歸一化是簡單的。
此歸一化的產率是轉變成乙炔的選擇性的度量。如圖9所示，這種歸一化說明了所觀測到的乙炔產率下降的主要部分。提高轉化效率會使產率曲線明顯變平。這說明，通過改進熱設計而使冷邊界層減至最薄會導致體系整體性能上的改進，并且乙炔的固有產率在很寬的反應物流量(反應器溫度)范圍內都提高。
測得的產率下降不能用來說明轉化效率的降低，這是由于形成了其它含碳的物質。這些物質包括其它的烴和炱。圖10和11中是所觀測到的其它烴的碳基產率隨甲烷注射流量而變化的圖。給出的產率表示成隨甲烷引入體系的碳的百分數。除了圖11坐標尺度不同并且不存在甲烷外，這兩個圖是一樣的。在圖10中，在甲烷產率提高的過程中，明顯地看到轉化效率隨甲烷注射流量的提高而下降。圖11是以放大的尺度描繪的同樣數據。所看到的歸一化產率下降是由于其它含碳物質的產率提高。在該圖上表示的物質僅僅是那些氣相色譜能觀察到的物質。足夠有趣的是，在烯烴+C6和較重(C5＝/C6+)烴類的產率開始提高后，在甲烷注射流量較高時相對量略有下降。隨后采用GCMS分析這些較重的烴類，確定其幾乎全部都是苯。所看到的其它含碳物質即乙烯、丙二烯和t-2-丁烯隨甲烷注射流量的提高而穩定地增加。將Ar與H2之比減小二分之一后，檢測轉化率、產率和其它烴類的產率對Ar與H2之比相對量的依賴性。結果對產物流的轉化效率或組成沒有明顯的影響。因為產物流的特征總是富含H2，所以存在的Ar似乎對動力學很少或沒有影響，并且不會改變產物流的平衡。
除了使用甲烷作為反應物氣體進行試驗外，還使用了管道天然氣進行了有限的試驗。所觀測到的轉化效率、乙炔產率和其它烴的產率與先前使用純甲烷作為原料時的結果相同。對天然氣和產物流的分析結果列于表2中。
除了有基本上是惰性的N2和CO2轉變成CO外，結果實際上與純甲烷試驗中的相同。在富含碳的體系中，在大約1000℃的較中等溫度時，CO-CO2的平衡趨向于CO。
表2.以摩爾百分數表示的天然氣反應物和產物流的氣相色譜分析，60kW等離子功率，140slm的Ar，100slm的H2和98.5slm的天然氣
實施例2在此實施例中給出的是不使用縮-擴噴嘴時的試驗結果。所得出的此方法的產率轉化效率(～100％對70％)和選擇性(95％對51％)似乎略微優于原來的Huels法。這可能是由于混合較好、溫度均勻或驟冷更快的緣故。Huels產物流的分析以及實驗室規模的結果總結于表2中。
為了評價快速氣動驟冷的效果，進行了與實施例1所述相同的一系列試驗，但不使用縮-擴噴嘴。在這些試驗中，體系壓力保持在700-900乇，與實施例1系列試驗中的反應器壓力大致上相同。轉化效率、產率和歸一化產率的結果總結于圖12-14中。其它烴的產率總結于圖15中。
在沒有縮-擴噴嘴和超聲波氣動驟冷情況下獲得的產率和轉化效率結果，事實上與存在噴嘴時獲得的先前結果相同。當存在噴嘴時，在較高的甲烷注射流量時在產率上似乎有某些較小的改進，但偏差在不可確定性的估算范圍內，并且誤差范圍明顯重疊。如圖15所示，對其它烴產率的檢測結果表明，在不用噴嘴和用噴嘴(圖11)所得的結果之間，乙烯的產率存在統計學上明顯的差別。顯然，由噴嘴提供的高的驟冷速度具有抑制乙烯形成的效果，將乙烯的產率削減約30％。乙烯形成的精確機理至今仍然不清楚；然而，CH2自由基的動力學和數目可能起著重要的作用。
在不用縮-擴噴嘴的情況下，反應器壓力可以用閥獨立控制。這種結構能夠研究壓力對產率的影響。如圖7所示，先前已經證實了壓力和停留時間對轉化效率僅有很小的影響。將測得的乙炔產率隨反應器壓力變化的情況描繪于圖16中。進入氣體的功率恒定在60kW，流量保持在160slm的Ar、100slm的H2和98.5slm的CH4。乙炔產率似乎隨壓力提高略有下降，但這個效果并不大。如圖17所示，在乙炔產率下降的同時，苯的產率也略有下降，而乙烯的產率提高。通常，在300-700乇范圍內的壓力變化不會有很大的影響。
表2.以摩爾百分數表示的產物流分析
*也包含33.3摩爾％的氬氣實施例3在下表3-5中給出一個試驗的全面數據。此試驗在沒有縮-擴噴嘴的情況下進行。表3列出了流量、功率、測得的火炬熱效率、噴嘴幾何形狀以及反應器和出口的壓力的總結情況。
表3
表4列出了此試驗中乙炔和氫氣的產率、體積流量、能量消耗率(SER)和相對產率。縱列和橫列的標題通常已足以說明所包括的數據。具體來說，標為產率％的縱列Qt meas.提供的是得自甲烷原料的乙炔和氫氣的產率以及測得的轉化效率。乙炔產率是生成乙炔的甲烷原料中碳的百分數，氫氣產率是生成元素氫的甲烷原料中氫的百分數。Qt代表基于下游渦輪流量計的測量結果。標為產率％的縱列Qt At std.提供的是得自甲烷原料的乙炔和氫氣的產率以及測得的轉化效率。Q Ar std代表基于氬氣輸入流量和氣相色譜數據的測量結果。
標為體積流量(slm)的縱列提供的是從甲烷原料產生的乙炔和氫氣的體積流量。Qt代表基于下游渦輪流量計的測量結果。Q Ar std代表基于氬氣輸入流量和氣相色譜數據的測量結果。
接下來的四個縱列提供的是能量消耗率。Qt代表基于下游渦輪流量計的測量結果。Q Ar std代表基于氬氣輸入流量和氣相色譜數據的測量結果。
標為R產率的縱列提供的是相對產率。該產率數字已對轉化效率進行了歸一化。
表4
表5列出了本試驗中各種物質的流量和物料衡算數據。對本領域的熟練技術人員來說，縱列和行列的標題通常足以說明其中包括的數據。具體來說，標為[conc％]的縱列提供的是用氣相色譜法測定的以摩爾百分數表示的濃度。
表5由于其篇幅很大而分兩部分列出。
表5.部分A
表5.部分B
在此實施例1和2中所述的實驗室反應器體系中測得的轉化效率和乙炔產率通常比文獻中報道的略微更好；證實轉化效率(CE)接近100％，產率在90-95％的范圍內，所產生的炱為2-4％。這似乎比Huels法(CE＝70.5％，C2H2產率＝51.4％，碳炱2.7％)和DuPont法(CE-未報道，C2H2產率＝70％)有些改進。在此報道的方法似乎對乙炔也具有略微更好的專一性。在轉化效率、產率和專一性上的改進主要是由于注射器設計和混合(較好的“攪拌式”反應器)上的改進和使溫度梯度和冷邊界層降至最小的緣故。通過壁上熱傳遞所致的冷卻速度似乎足以猝滅產物流，防止乙炔進一步分解成炱或防止進一步反應生成較重的烴產物。通過縮-擴噴嘴快速膨脹產物流而明顯提高驟冷速度，僅在產物流的組成上勉強有所改進，主要是降低了乙烯的產率。
單位數量(kg)產生的乙炔所消耗的能量(kW-hr)最終決定了該方法的經濟效益。據報道Huels法消耗了12.1kW-hr/kg產生的C2H2。盡管沒有測量，但估計DuPont法的能量消耗率為8.8kW-hr/kg產生的C2H2。后一數值比在2000℃的溫度、轉化效率和產率為100％并且沒有電損失或熱損失時制得的產物流的理論最小值約7.9kW-hr/kg-C2H2較好。將在此研究的實驗室規模的方法中測得的能量消耗率描繪于圖18中。測得的最小能量消耗率約為16kW-hr/kg產生的C2H2。估計通過改進熱設計可將此數值改進到大約13kW-hr/kg-C2H2。這個改進包括將注射移入火炬體中，就能避免注射器環中的熱損失并降低反應器部分中的熱損失。過程熱量的回收可將能量消耗率再進一步減少20％左右，達到大約10kW-hr/kg-C2H2的范圍。這些數值比Huels和DuPont法報道的能量消耗率較好，而同時轉化效率和產率也較高。
在不偏離其精髓或主要特征的情況下，本發明可以以其它具體的方式表現出來。應當認為所描述的實施方案在所有的方面僅是說明性的，而非限制性的。因此，本發明的范圍由所附的權利要求書而非前面的描述所指明。在權利要求書等同內容的含義和范圍內作出的所有改變都包括在其范圍內。
權利要求
1.將一種或多種反應物轉變成至少一種所需產物的方法，它包括將反應物流與一熱氣體接觸，產生湍流狀態，從而將反應物流與熱氣體基本上徹底地混合；讓基本上徹底混合的反應物流軸向通過一軸向反應器的反應區，同時使該反應區在其整個長度范圍保持基本上均勻的溫度，軸向反應器的操作條件應足以將反應物流加熱到所選定的反應溫度，使包括至少一種所需產物的物流在至少靠近軸向反應器出口端的位置上產生。
2.如權利要求1所述的方法，其中反應物流包含甲烷，至少一種所需的產物包含乙炔。
3.如權利要求1所述的方法，其中反應物流包含甲烷或一氧化碳，至少一種所需的產物包含氫。
4.如權利要求1所述的方法，其中反應物流包含鈦化合物，至少一種所需的產物包含鈦或二氧化鈦。
5.如權利要求1所述的方法，其中反應區的溫度保持在約1500-4000℃。
6.如權利要求5所述的方法，其中反應區的溫度保持在約1700-2000℃。
7.如權利要求1所述的方法，其中熱氣體包含等離子體，所述方法還包括在包括至少一對位于靠近軸向反應區入口端的電極的等離子炬電極之間通入等離子弧氣流，同時使電極接受選定的等離子輸入功率，能在與反應區相連的注射通道內產生等離子體。
8.如權利要求7所述的方法，它還包括將至少一種反應物注入注射通道中，使反應物流徹底地混入等離子體中，獲得徹底的混合，然后引入反應區，此時保持反應區在其整個長度范圍內基本上均勻的溫度，使至少一種反應在反應區內達到平衡。
9.如權利要求1所述的方法，它還包括在包含至少一種所需產物的物流離開軸向反應區的出口端后將其冷卻，其辦法是降低該物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高的速率除去熱能；將至少一種所需的產物與留在冷卻流中的氣體分離。
10.如權利要求9所述的方法，其中在包括所需產物和所殘留氣體的物流離開軸向反應區時對其冷卻并降低其速度的方法是將驟冷氣體加到該物流中，其加入流量應能冷凝至少一種所需的產物并在物流離開反應區時抑制其它平衡產物的形成。
11.如權利要求1所述的方法，它還包括讓包含在反應區中產生的至少一種所需產物的物流通過位于接近軸向反應器出口端的一個同軸縮-擴噴嘴，對其快速冷卻。
12.如權利要求1所述的方法，它還包括選擇噴嘴中的受限開口咽喉的尺寸，來控制在軸向反應器中基本上徹底混合的反應物流的停留時間和反應壓力。
13.如權利要求11所述的方法，它還包括使包含至少一種所需產物的物流的壓力超快地下降，其辦法是使該物流沿噴嘴的擴張部分平穩地加速并膨脹，從而進一步降低其動力溫度并防止不需要的副反應或逆反應進行。
14.如權利要求1所述的方法，它還包括在反應物流反應或熱分解之前對該反應物流進行選擇，使其包含選自四氯化鈦、四氯化釩、三氯化鋁、甲烷和天然氣中的至少一種反應物。
15.如權利要求1所述的方法，其中熱氣體包含等離子體，所述等離子體從包含惰性氣體、氫氣或其混合物的氣體產生；反應物流包含選定金屬的氣態或揮發化合物操作軸向反應器，包括形成一平衡混合物，所述混合物包含至少一種選定金屬或其氧化物或合金形式的所需產物，此選定金屬、金屬氧化物或金屬合金在所選定的反應溫度下是熱力學穩定的；所述方法還包括在包含至少一種所需產物的物流離開軸向反應器的出口端時將其冷卻，其辦法是降低該物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高的速率除去熱能；將至少一種所需的產物與留在冷卻流中的氣體分離。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述選定金屬的氣態或揮發化合物是氣態和可揮發的鹵化物。
17.如權利要求15所述的方法，其中所述選定的金屬是鈦、釩或鋁。
18.如權利要求15所述的方法，其中所述選定金屬的化合物是四氯化鈦、四氯化釩或三氯化鋁。
19.如權利要求15所述的方法，其中所述反應物流還包含能在反應溫度下反應形成包含選定金屬的氧化物或合金的平衡混合物的至少另一種物質。
20.如權利要求19所述的方法，其中該方法形成鈦和第二種金屬的合金，所述反應物流包含氯化鈦和該第二種金屬的氣態或可揮發化合物。
21.如權利要求20所述的方法，其中第二種金屬是釩。
22.如權利要求19所述的方法，其中該方法形成選定金屬的金屬氧化物，所述反應物流還包含氧氣。
23.如權利要求22所述的方法，其中該方法形成氧化鈦，所述反應物流包含四氯化鈦和氧氣。
24.如權利要求1所述的方法，其中熱氣體包含等離子體，所述等離子體從包含惰性氣體、氫氣或其混合物的氣體產生；所述反應物流包含氣態或揮發的烴操作軸向反應器，包括形成包含至少一種所需產物的平衡混合物，該平衡混合物在反應溫度下是熱力學穩定的；所述方法還包括在包含至少一種所需產物的物流離開反應器的出口端時將其冷卻，其辦法是降低該物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高的速率除去熱能；將至少一種所需的最終產物與留在冷卻物流中的氣體分離。
25.如權利要求24所述的方法，其中反應物流包含天然氣或甲烷。
26.如權利要求24所述的方法，其中至少一種所需產物包含乙炔。
27.一種用于將一種或多種反應物熱轉變成至少一種所需產物的裝置，該裝置包括軸向反應器，它包含入口端、出口端和在它們之間的反應區，將軸向反應器構造成使反應區在其整個長度范圍保持基本上均勻的溫度，其中軸向反應器的操作條件足以將反應物流加熱到所選定的反應溫度，使包括至少一種所需產物的物流在至少靠近軸向反應器出口端的位置上產生；火炬部分，將其構造成能在軸向反應器前面產生熱氣體；注射器部分，它的位置和構造能將一種或多種反應物送入熱氣體，產生流向軸向反應器入口端的物流。
28.如權利要求27所述的裝置，它還包括縮-擴噴嘴，該噴嘴與軸向反應器的出口端相連，并構造成能快速冷卻包含至少一種所需產物的物流，其辦法是在熱氣流軸向流過噴嘴時產生絕熱和等熵膨脹將熱能轉變成動能。
29.如權利要求28所述的裝置，其中縮-擴噴嘴具有會聚部分和擴張部分，該會聚部分通向受限開口咽喉，而該擴張部分由受限開口咽喉延伸，該擴張部分具有沿軸向反應器的軸為中心的圓錐形構造。
30.如權利要求29所述的裝置，其中噴嘴擴張部分的圓錐形構造的夾角小于約35E。
31.如權利要求28所述的方法，其中縮-擴噴嘴具有長寬比大的會聚部分，其構造能快速將包含至少一種所需產物的物流加速進入噴嘴咽喉，同時保持其層狀流動。
32.如權利要求28所述的裝置，它還包括縮-擴噴嘴后面的冷卻部分。
33.如權利要求32所述的裝置，其中冷卻部分構造成能降低包含至少一種所需產物的物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高并在其中保留至少一種所需產物的速率除去熱能。
34.如權利要求27所述的裝置，它還包括與軸向反應器的出口端相連的冷卻部分。
35.如權利要求34所述的裝置，其中冷卻部分構造成能降低包含至少一種所需產物的物流的速度，同時以足以防止其動力溫度升高并在其中保留所需產物的速率除去熱能。
36.如權利要求34所述的裝置，它還包括插在軸向反應器出口端和冷卻部分之間的會聚部分。
37.如權利要求27所述的裝置，它還包括位于注射器部分或火炬部分中的多孔道注射器。
38.如權利要求27所述的裝置，其中火炬部分包括陽極注射器。
39.如權利要求38所述的裝置，其中陽極注射器包含多孔道注射器。
40.如權利要求27所述的裝置，其中熱氣體包含等離子體，火炬部分包括等離子炬，該等離子炬具有將等離子弧氣流引入等離子炬的等離子弧入口，從而在延伸至其出口端的軸向反應器中產生等離子體。
41.如權利要求40所述的裝置，其中火炬部分包括等離子炬，該等離子炬包括至少一對位于反應區入口端前面的電極。
42.如權利要求41所述的裝置，其中等離子弧入口位于用于將等離子弧氣流以選定的等離子氣流量引入電極之間的電極的前面，同時對電極施加選定的等離子輸入功率。
43.如權利要求27所述的裝置，它還包括至少一個位于入口端前面的反應物入口，用于在反應物流進入反應區之前將其徹底地混入熱氣體中。
44.如權利要求43所述的反應器，其中反應物入口包括位于注射部分中的多孔道注射器和位于火炬部分中的陽極注射器中的至少一個。
45.如權利要求43所述的反應器，其中反應物入口包括靠近火炬部分中的等離子炬的多孔道注射器。
46.如權利要求27所述的裝置，其中火炬部分包括一個或多個激光器或用于從合適燃料產生氧化火焰的結構。
47.如權利要求27所述的裝置，其中注射器部分包括直徑比反應區直徑小的注射通道，注射通道完全位于火炬部分中、部分位于火炬部分中并部分位于火炬部分和軸向反應器的入口端之間、或者位于火炬部分和軸向反應器的入口端之間。
48.如權利要求27所述的裝置，它還包括包圍在軸向反應器的反應區周圍的絕緣層。
49.如權利要求48所述的裝置，其中絕緣層包含選自碳、氮化硼、氧化鋯、碳化硅和其組合的材料。
50.如權利要求48所述的裝置，它還包括包圍在絕緣層周圍的冷卻層。
51.如權利要求50所述的裝置，其中冷卻層包含一個水層。
52.如權利要求28所述的裝置，其中縮-擴噴嘴構造成能使反應區在大氣壓力或更高的壓力下操作，同時冷卻部分保持真空狀態。
全文摘要
一種用于將一種或多種反應物熱轉變成所需最終產物的裝置，它包括絕緣的反應器室，所述反應器室具有在其入口端的高溫加熱器如等離子炬，裝置還可以包括在其出口端的受限縮－擴噴嘴。在熱轉變法中，在反應器室的前面注入反應物，使其在進入反應器室之前與等離子流徹底地混合。反應器室具有保持基本均勻溫度的反應區。使所得的熱氣流通過噴嘴而快速冷卻，這就“凍結”了處于加熱平衡反應階段的一種或多種最終產物，熱氣流或者在沒有縮－擴噴嘴的情況下通過出口管道排出。然后從氣流中分離出所需的最終產物。
文檔編號B01J19/26GK1491740SQ0214693
公開日2004年4月28日 申請日期2002年10月25日 優先權日2002年10月25日
發明者J·R·芬克, B·A·德特林, J R 芬克, 德特林 申請人:柏克德Bwxt愛達荷有限責任公司