可流动化合物实现热化学转化的方法和实现这种方法的转化器

摘要

将可流动的或者可在流动状态下输送的化合物—配料,特别是有机或复合的有毒化合物热化学转化成低分子有机或无机化合物的方法由一个用以产生转化反应所需能量的准备工序和至少一个后续的带有转化反应的主要工序组成。在准备工序中在混和阶段进行处于过压下的并形成放热混合物的反应物的完全搅匀,而这种混合物在混和阶段不会发生反应。只有在混和阶段的末尾两种反应物才按照过压以很高的反应速度和能量密度发生反应。在主要工序中由配料和转化物组成的第二种待转化混合物通过与处于高温和高压状态下的、第一次部分反应的反应生成物的混和得到转化所必需的能量。

说明书

本发明涉及一种可流动的或者可在流动状态下输送的化合物实现热化学反应的方法和实现这种方法的转化器。

众所周知，通过足够高的温度全部化学化合物，也包括不可烧燃的和稳定的化合物可以分解为它的原子组分，并从而消除它的原子结构。具有破坏或分解分子结构这么高温度的物质称为等离子体或者处于类似于等离子状态下的物质。因为产生等离子体需要非常多的能量，通常等离子体也非常昂贵。特别是在通过等离子体大规模地清除稳定的有机化合物，特别是有毒化合物时，它就会起重要作用。借助于等离子体用热化学方法分解稳定的有机化合物、特别是有毒化合物需要廉价地制造必要的等离子体。

由于上述理由这种热化学分子分解应该正好在必要的，但是尽可能低的温度等级下进行在这种温度下所使用材料的分子接合脱开。为了完全分解一定分子的分子接合需要大约1,923℃的温度，如果加上一个较小的安全系数，进行完全分解所必需的尽可能最低的温度等级约为2000℃。

例如通常可以用电的方法产生等离子体。但是用电的方法以约10,000℃的温度产生的等离子体不是必要的最低温度等级。在采用这种电产生的等离子体时可以毫无困难地通过混和冷的煤气体使10,000℃的温度下降。但是在任何情况下能量需求都高于必要的能量，因为人们要不是在离等离子源较大距离处依靠温度梯度达到较低的温度，直到最终达到所追求的2,000℃，要不就是把由电产生的等离子体仅仅作为热源和混合物一起运用。在第一种情况下所有离等离子源距离比较小的温度比较高的区域温度超过2,000℃，太热，用掉的能量多于所必需的，在第二种情况下对于热交换所必需的交换表面，因而还有热损失很大。在两种应用电产生等离子体的情况下原始能源消耗也高于必需的，因为首先产生电流，然后用电的方法产生等离子体效率不是很高。

因此本发明的目的在于：这样地产生可以任意使用的等离子体或者在较低的温度下可以任意使用的能量，使得达到正好所需要的工作温度，同时它的产生与尽可能低的费用联系在一起。

这个目的通过至少一个用来产生转化反应所需能量的准备工序和至少一个后续的带转化反应的主要工序来解决，其中在准备工序中在混和阶段进行处于过压状态下的和构成放热混合材料的反应物的充分搅拌，这种放热混合物在混和阶段不发生反应，只有在混和阶段的末尾两种反应物按照过压以很高的反应速度和能量密度在第一次部分反应中才相互起反应，在主要工序中由配料和转化材料组成的第二种待转化混合材料通过与处于高温高压下的在第一次部分反应中产生的反应生成物相混合从它那里得到转化所必需的能量。因此可以用非常低的费用有目的地达到对于各种物质的转化所需要的非常高的温度。现在应该是燃烧、高温分解、水解或者其他分解过程或分解反应的转化过程的能量密度可以通过本发明加以控制和确定。

在从属权利要求2至14中叙述了本发明的具体化和结构造型。

下面首先叙述按照本发明的方法。在附图中表达了实施按本发明方法的转化器。其中表示：

图1带垂直的直角形剖口的转化器的视图，

图1A按图1的带预热通道的转化器，

图1B按图1的带一个引导装置的转化器，

图2通过供料单元的剖面，

图3通过两个供料单元的垂直剖面，

图3A相应于图1剖面中圆弧内的部分的两个供料单元的放大视图。

本发明可以应用于所有可流动的或者可以在流动状态下输送的物质。特别是带微细液滴(雾)或固体颗粒(烟、灰尘)的悬浮液或气雾剂也属于此列。

首先借助于一个例子，也就是由作为唯一的能量载体的木材来制造等离子体来说明过压、可以达到的温度和反应时间之间的关系。在点燃时木材就燃烧，温度约为400℃。木材的热容量约为15MJ/kg，也就是说在木材燃烧时释放出这些热量。释放这些热量所需要的时间决定了燃烧的温度。为了让一公斤木材在一个小时内烧完，需要78公斤空气。如果不考虑向外的热损失，一公斤木材在30分钟内完全烧完，向周围释放具有约400℃的烟气。

如果人们想使上述燃烧过程的温度升高，例如400乘以7达到2,800℃，那末燃烧过程必须以同样数量的空气和木材在相应缩短的时间内进行。在燃烧时碳氢化合物，也就是木材所进行的化学转化必须在原先30分钟时间的七分之一，也就是4.2分钟之内完全结束。

把木材磨成很细的木屑，将它与空气混和并点燃，它将会爆炸。按照掺和的空气数量的不同调整这种木屑空气混合物在燃烧时由包含在木材中的热量所产生的温度。在几分之一秒之内将达到或超过2,800℃的高温，但是这个温度不持久。

下面叙述在作为能量载体的木材燃烧时具有象上述例子中所述的2,800℃这么高温度的连续过程。由此用非常低的费用可以达到对于各种材料的转化所要求的非常高的温度。转化过程，现在应该是燃烧、高温分解、水解或其他分解过程的能量密度可以借助于本发明加以控制和确定。

本发明的目标是以尽可能低的必要的能量等级和在尽可能低的必要的温度下用热化学方法产生连续的类似于等离子体的状态。为此本发明涉及两个连续的、顺序的部分化学反应的组合。

在准备工序中第一次部分反应用来产生可自由运用的能量，它可以在用来进行实质性的转化反应的主要工序中使用。这里在准备工序中一、二或多种反应物在压力下送入供料单元。在那里反应物在一个以一个非常高的流动速度流过的区域内混和(混和阶段)，并通过一个过渡区送入一个以较小的流动速度流过的区域，然后它们才在这个区域内相互发生反应。即使在以较小的流动速度流过的区域混合物也始终处于压力之下。由于在混和区特别好的搅匀反应物得到非常大的反应表面积。通过反应物所处的压力可得到非常高的能量密度。

对于准备工序如果例如采用甲烷、乙炔和空气、或者像上述例子中那样木屑形式的木材和空气作为产生能量的反应物，那末在以较小的流动速度流过的区域内点燃时混合物立即完全地，几乎像爆炸那样发生反应。通过过压在比大气压力时较小的体积内释放能量或热量，使得由反应所产生的温度相应地比较高。

通过发生反应的反应物在以非常高的流动速度流过的混和区内非常好的混和，反应物发生转化的反应表面积变得相当大。由此化学转化明显地加快。因此在反应时释放出来的全部热量在较短的时间内释放出来，由此同样温度也上升了。

通过一种或多种反应物(在我们的例子中可以是空气)的预热，混合物的可燃性以及从而反应速度明显地提高。由此同样可缩短反应时间，并且在反应时释放出来的能量在更短的时间内释放出来，这又有助于温度的进一步提高。在以非常高的流动速度流过的、在它里面组分混和在一起的混和区内在经过一段确定的路程以后它们已经完全地搅匀。在这个区域内高的流动速度防止混合物点燃，或者防止焰锋(Flammfront)或反应前沿(Reaktionsfront)回射到这个混和区。

因此在以非常高的流动速度流过的混和区内单个反应物或者混合物的流动速度必须大于可能的反应前沿向前运动的速度。因此混合物在以较小的流动速度流过的区域内的流动速度必须比较低，以便使陷锋或反应前沿可以扩展，这个以较小的流动速度流过的区域(反应区域)做成这样，使得直接和混和区相接的前面一个区域中流动着比后面一个区域、或者说离得更远的反应区低得多的流动速度。因此第一次部分反应直接发生在从混和区到反应区的过渡区域附近。混和区不能和同样以非常高的流动速度流过的区域，象气体燃烧室里那样相提并论。在气体燃烧室中以非常高的流动速度流过的区域也用来搅匀，但是这种待搅匀的气体不都处于压力之下，并且经常不与外界隔绝。因此也不会形成过压。但是在供料单元的混和区混合物处于过压之下。这种过压可能必须达到几个大气压，从而使在以较低的流动速度流过的反应区内的气体混合物也有足够的过压。

为此混和区必须对其外界气体密封并从静力学的角度设计得能承受存在的过压。高的流动速度，在必要时带紊流，在过压时具有与几乎在大气压力下工作的系统完全不同的特征参数。仅仅可能是混和区的决定性的特征值的气体摩擦这一项在它的大小和作用方面与在大气中或超过大气压力的系统中就完全不同。

在第二个准备工序中第二次部分反应首先差不多与第一次部分反应同时进行。第二次部分反应的目的在于：其分子结构应该分解的材料和支持或加速分解的另一种反应物致密地混和。

其结构应该分解的材料下面称为配料。一种或多种配料单独地或者和一种或多种用于分解或分解反应的转化物在压力下送入供料单元。在那里它们在一个以非常高的流动速度流过的混和区内进行混和。类似于在以非常高的流动速度流过的、用来产生可自由应用的热能的第一次部分反应的混和区那样各种不同的反应物也在这里混和。然后由配料和转化物组成的混合反应物进入主要工序的反应区，在这个区内具有较低的流动速度，并在那里碰上第一次部分反应的反应生成物。

如上所述，第一次部分反应的反应生成物进入具有较低流动速度的反应区，使得在极其短暂的时间内进行它的化学反应，因此正如上面同样已经讲过的，在极短的时间和很小的体积内产生非常高的温度。现在起第二次部分反应的混合物进入这个类似的等离子场。通过与第一次部分反应的那个或那些反应生成物的混和现在起由于附加地加入了第二次部分反应的转化物而发生热化学分解反应。

在这个类似等离子区域现在起第二次部分反应的反应物应该保持对于可靠的完全分解所必需的时间。因此在第二次部分反应的反应物供料时已经添入了那种转化物，它的反应生成物和配料的反应生成物以及第一次部分反应的反应生成物一起产生一种预期的化合物，例如当它们重新离开类似等离子区域时变成一种或几种天然的或人造的物质。在几乎与第一次部分反应同时进行的第二次部分反应中转化反应是否已经在混和区中进行还是仅仅是在紧接着的，以较小的流动速度流过的区域进行也许并不重要。因此在几乎所有情况下第二次部分反应的一种或几种反应物在它到达供料单元以前就已经预热或升温是有益的。由此在以较小的流动速度流过的反应区内可以花费较少的热能，因此整个反应效率更高。

如果配料是已知的，那末就可以求出配料分子结构完全分解所必需的温度。同样由第一次部分反应的反应物中所含有的热能和所选择和存在的压力可以算出预期的温度。由温度、热量和配料的材质数据，特别是它在转化或分解反应时的能量需求可以算出需要多少数量的第一次部分反应的分应物或者可以添加多少数量的配料，或者它们相互之间的最佳数量比。

其次可以预先准确地确定，在离开类似等离子体区域时形成哪些反应生成物。它们的形成来自于第一次和第二次部分反应所采用的反应物，其中这些物质可以定性和定量地以极小的偏差给定。在输入的材料不变时这些偏差大约在第一次和第二次部分反应中输入的反应物的数量的0.001％至0.0005％范围内。

通过分开成两次的供料使反应达到很高的稳定性。第一次部分反应在从混和区出来后立即开始，也就是在过渡区内，在这里混和区的几何形状这样地改变，使得流动速度可以降低，焰锋或者反应前沿可以扩展。在这个相对较小的区域内提供能量的第一次部分反应提高了稳定性。

如果第二次部分反应的反应物与第一次部分反应的反应物同时供应，那末这将导致不稳定。在转化器起动或者开始时不能立即输入第二种混合物，而只有当提供能量的第一次部分反应稳定了，同时转化器加热到它的工作温度以后才能加入第二种混合物。在这段起动时间内输入材料的体积比较小，因为第二次部分反应的反应物还没有一起供应。因此能量密度比较低，因为由于体积较小压力也比较低。但是，如前所述，由压力、反应表面积和能量密度相互之间的准确确定的比例得到高的温度。此外不可能改变反应的部分组分的体积而不对混和区内的流动情况产生直接的影响。

但是如前所述，以非常高的流动速度流过的混和区是以下的前提条件，即不是在混和区内就已经进行第一次部分反应，而是只有在紧接着的反应区内进行突然的，引起非常高温度的反应，它导致类似于等离子的状态。也就是该部分反应的分开是在紧挨着混和区的、以较小的流动速度流过的反应区内稳定和连续地产生类似于等离子体状态的前提条件。象机械学中的强制导向那样这里化学反应(第一次部分反应)用强制延迟的方法进入突然的反应。通过这种强制引导的化学反应使能量密度按预期地变化。反应的这种强制引导造成反应的能量密度的可控制性，从而也造成反应的可控制性。

通过把总的反应分成两个部分反应以低廉的费用达到这样高的配料分解率，以致以当前已知的测量方法不再可能证明还存在着没有分解的配料。这么高的分解率是通过添加转化物达到的，它在第二次部分反应时与配料混和在一起。

用一个例子来说明这一点：将甲烷与一种高热稳定性材料-配料四氟甲烷相混和。混和比选择得这样，使得存在略有过剩的、结合在与结合在四氟甲烷中的氟原子相对的甲烷中的氢原子。现在起这个混合物到达紧挨着混和区的，以较低的流动速度流过的反应区，在这里通过第一次部分反应已经产生了相应的足够高的温度，然后不仅进行热分解，而且也进行化学反应。甲烷中释放出来的氢与配料四氟甲烷中的氟发生反应。不怎么热稳定的甲烷分子在几毫秒之内在高温的、类似于等离子区域内分裂。甲烷和/或四氟甲烷在输入混和区以前附加的预热加速了这种分裂。甲烷释放出氢作为所谓的自由基。这些释放出来的氢原子基在热反应以外附带地“分解”四氟甲烷。通过第二次部分反应的两种反应物(在所举例子中是四氟甲烷和甲烷)在第二次部分反应的混和区的搅匀，使得和第一次部分反应一样，在两种反应物之间造成尽可能大的反应表面。因此当混合物进入紧挨着混和区的，里面具有非常高的温度的反应区时，甲烷中的氢和四氟甲烷中的氟之间可以在几毫秒之内进入完全的反应。

在这种压力下进行反应的过压附加地加速化学转化，因为过压意味着更高的密度，而更高的密度意味着反应物之间更小的距离。更小的距离意味着更快的反应。正如由工艺学所知道的，反应速度随压力成指数地增加。虽然氟和氢之间的上述反应消耗由第一次部分反应所释放出来的部分热能，但通过同时进行的第一次部分反应得以不断地保持类似于等离子的状态。

通过转化器的适当造型，特别是通过不同的混和区的适当结构，在第一次和第二次部分反应(的反应物)之间在以较小的流动速度流过的反应区内也形成一个尽可能大的表面。在反应区内流动速度明显低于混和区内。因此第二次部分反应的变化并不起不利影响。第一次部分反应的反应生成物，类似于等离子体区域和第二次部分反应的反应物之间大的表面积促使热量迅速地传递到第二次部分反应的反应物上。

如前所述，第一次部分反应导致具有很高温度的类似等离子状态。在类似于等离子体状态中释放出来的热能大部分作为辐射热发出，它的传播众所周知以光速进行。为了使这些发散出去的热量保持在高的温度等级上，发散到热量的体积应该非常小。

在上述过程中存在的最大困难在于：对以非常高的流动速度流过的，提供能量的第一次部分反应的混和区进行正确地造型。对于整个反应决定性的是：第一次部分反应的反应物之间的化学转化不是在混和区内就已经开始。因此释放出来的热量通过一段较长的时间，向一个较大的空间(体积)散发，这使所达到的温度的下降。因此正好是在预热、最佳地搅匀和压力迫使立即起反应的混和区必须防止例如在反应区内压力波动时的压降波及到混和区。

在下面所介绍的附图中表达了实施这种方法的一种转化器1。

图1表示带铅垂的直角形切口的转化器1，使得可以看到转化器1的内部结构。转化器1包含一个主反应腔121和一个主反应反应生成物的排出口13。在转化器1的头部11有第一种气体混合物的供料单元21、22、23、24和第二种气体混合物的供料单元31，32，33，34，35，36，37。分别给定的4或7个的供料单元仅仅看作一个例子，可以毫无困难地各自存在更多或更少的供料单元。差不多在用虚线表示的区域111内进行上述的主反应。转化器1的头部11，主要部分12和排出口13最好由一个带陶瓷防护层的金属外壳组成。

图2中以放大的比例表示供料单元21。供料单元31具有类似的结构，使得下面对于供料单元21的具体描述也同样适用于供料单元31。在图中可以看出在上面是第一种反应物，例如甲烷的输入管道211，它下面是第二种反应物，例如空气的输入管道212。第二种反应物输入在第一种反应物的供料针管214和供料单元21的壳体210之间外壳形的中间空腔213。通过一个做在针管214上或者另行固定在它上面的隔板215使两种反应物在汇聚在一起以前就产生紊流(Turbulenz)。然后这个紊流(在图2中向下地)蔓延到以非常高的流动速度流过的混和通道216内。代替隔板215也可以选用一个或几个其他装置来产生紊流。

图1a中按图1的转化器1带一个在主要部分12内的预热通道122。在预热通道122内一种或两种反应物得到预热，从而提高了反应的能力和准备程度。如果给一个供料单元21输入预热过的反应物，那末在反应物混和以前就必须已经存在紊流了。

在图2中所示的混和通道216中涉及到一个带相应表面结构的管状通道。这种管状的，以非常高的流动速度流过的混和通道在工艺性方面制造非常简单。但是在流体技术方面它受到一定限制。代替管状混和通道216也可以采用其他形状。只需保证流动具有非常高的流动速度，并且不存在这样的区域，在这个区域内在紊流或稳流区内导致必需的流动速度的下降，这种下降会导致上面已经说过的提前反应。

两种反应物的相遇发生在以非常高的流动速度流过的环状缝隙215a之内。

图3表示带以非常高的流动速度流过的混和通道216的供料单元21和它通向以较低的流动速度流过的，用于第一次部分反应的反应物的反应区217的过渡区，以及带以非常高的流动速度流过的混和通道316的供料单元31和它通向以较低的流动速度流过的、用于第二次部分反应的反应物的反应区317的过渡区。

这两个平行地画出的供料单元21、31也可以像图3a所表示的那样，相互成一个倾角地安装，这促使两个部分反应混合成主反应。象图1一样，图3表示第一和第二次部分反应的两个部分反应区217、317。在这种情况下部分反应区217、317安排成这样，使它们球扇形地通入以较低流动速度流过的主反应区111。由此在主反应或转化反应时得到更好的叠加，从而促使部分反应更好的搅匀。在这种情况下在以较低的流动速度流过的主反应区111内形成一个燃烧点，整个反应主要在这个区域内进行。

在图1B内表示带一个引导装置4的转化器1。引导装置4通过流动通道43与主反应腔121相连，并用来在启动转化器1时通过一个没有画出来的点火装置可靠地点燃通过供料单元21至24流进来的提供能量的第一种气体混合物。引导装置4由一个点火气体的输入管41、一个带至少一个没有画出来的点火装置的点火腔42和通入主反应腔121的流动通道43组成。

在转化器1工作时引导装置4可以用来从反应腔121中取出气体，以便不断地对主反应生成物进行监控。但是也可以通过引导装置4输入参与主反应的其他反应物。

在上述转化器1运行时出现恒定、稳定的转化率，它与迄今为止的技术可能性相比要高得多。同时能量消耗和装置费用低得多。这也是因为转化器1具有尽可能小的外表面，因此也具有尽可能小的由于外表面的对流和辐射造成的热损失。