通过脉冲放电裂化液态烃物质的方法和其实施设备

摘要

本发明涉及一种方法，其包括将载气射流注入液态烃物质中以形成液态烃-气体混合物；使所述液态烃-气体物质流过放电室的电极间间隙，所述电极间间隙由一对隔开的电极限定，所述电极被连接至电容器；对所述电容器充电至所述载气的击穿电压；在所述电极间间隙中产生火花放电；并且回收包括分子量低于所述液态烃物质的烃的烃馏分。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年6月25日提交的美国临时专利申请号61/839,279的 优先权，所述临时专利申请出于任何和所有目的以全文引用的方式并入本文 中。

技术领域

本技术大体涉及使用火花放电用于裂化原油和轻质烃馏分中的其他液 态重质烃物质的方法。

背景技术

目前，用于原油加工的一些技术是已知的。其中，热裂化被认为是最有 效的，并且它被广泛用于将较高分子量的重质烃转化成较低分子量的轻质馏 分。最常使用的裂化技术是流化催化裂化、延迟焦化装置和加氢裂化。所有 这些裂化方法都具有特定的优点，以及显著的缺点。一般优点包括能够产生 不同类型的燃料，范围从轻质航空煤油到重质燃料油，以及基于烃馏分的沸 点提供其分离。

然而，目前用于从原油合成轻质燃料的方法的显著缺点是与技术实现相 关的高财务成本。对于这些方法，资金和操作成本通常都非常高。特别是， 现有技术是在工作介质的高温和高压下实现的，并且其因此需要用于制造化 学反应器和其他专用设备的特殊材料。例如，所述反应器通常是由特级合金 钢制造的。另外，对于加氢裂化技术的实施，有必要使用高达600℃的温度 和高达150巴的压力。蒸汽裂化方法需要高达850℃的更高温度，其中通过 反应区的蒸汽流速可能达到音速。这样的特殊要求显著增加资金成本。

最有效的石油精炼技术中的一些使用基于催化剂的裂化方法。特别是， 流化催化裂化(FluidCatalyticCracking，FCC)是目前在石油精炼厂使用的最 重要的转化方法之一，因为催化裂化产生更多具有较高辛烷值的汽油。使用 FCC将原油的高沸点高分子量烃馏分转化为汽油、柴油和其他产品中的更有 价值的低分子量烃。现代的FCC催化剂是细粉末，并且FCC方法的质量在 很大程度上取决于催化剂的化学和物理性能。在重整过程中使用的催化剂通 常从反应器中除去，并且进一步需要再生。与这类催化剂的制造和/或再生相 关的成本构成这些方法的操作成本的一大部分。

此外，FCC方法中使用的催化剂对原油中的各种杂质的含量非常敏感。 特别是，硫在原油中的存在导致催化剂的催化性能快速降低。因此，有必要 预处理原料以除去硫(即脱硫)。此外，存在于FCC原料中的镍、钒、铁、铜 和其他污染物都对催化剂活性和性能具有有害作用。其中，镍和钒特别麻烦。 虽然FCC原料的加氢脱硫除去一些金属并降低FCC产物中的硫含量，但这 是一个非常昂贵的选择。此外，取出一些循环催化剂作为废催化剂，并且用 新鲜催化剂替换它以维持FCC技术的所需活性水平，增加了所述方法的操 作成本。

等离子体化学方法使用各种类型的放电来产生等离子体。这类石油裂化 和重整方法在各种专利和出版物中已有描述。例如，美国专利公开No. 2005/0121366公开了通过使放电直接通过液体来重整石油的方法和装置。这 种方法的缺点是低资源电极和这些电极之间的点火火花故障的相关高概率。 由于石油的高电阻，需要电极之间的距离非常小。例如，所述距离可以是约 1mm。然而，由于电极侵蚀导致电极间距离迅速增大，从而导致系统的终 止和/或击穿。此外，所述电极之间使用这样小的间隙允许在任何给定时间加 工仅非常小的样品尺寸。

美国专利No.5,626,726描述了一种石油裂化方法，其使用液态烃物质与 不同气体的异质混合物，例如电弧放电等离子体的处理。这种方法具有与上 述小放电间隙相关的相同缺点，并且需要用于混合气体与液体的特殊装置， 以及所得异质悬浮液。通过连续电弧放电加热混合物导致显著能量损失、烟 灰形成增加和低效率。

俄罗斯专利No.2452763描述了如下方法，其中在水中进行火花放电， 并且将来自放电的冲击经由膜转移至气体和液态烃或油的异质混合物。这增 加了电极放电间隙，从而增加了电极寿命，但降低了火花放电冲击对烃或石 油的有效性。这是因为排除了等离子体放电与烃介质的大量直接接触。另外， 通过使用用于从产生火花放电的水中分离被处理的介质的异质混合物制备 装置和设备，使得使用高电压脉冲发生器的已经复杂的结构进一步复杂化。

美国专利公开No.2010/0108492和美国专利No.7,931,785描述了具有从 重油到轻质烃馏分的高转化效率的方法。在这些方法中，使异质油-气体介 质暴露于电子束和非自持放电。然而，所提出方法的实际使用具有挑战性， 因为除了复杂的异质混合物制备系统之外，需要在气体-液体高压混合物中 具有加速器真空室的设备输出电子束的电子加速器。所述电子加速器是复杂 的技术设备，其显著增加了资金成本和操作成本。另外，任何快速电子束的 使用都伴随着韧致辐射X射线。因而，整个设备需要适当的生物保护，从而 进一步增加了成本。

发明内容

在一个方面，提供用于裂化液态烃物质的方法，其中所述方法包括将液 态烃物质引入放电室中；使所述液态烃-气体物质流过所述放电室的电极间 间隙，所述电极间间隙由隔开的正电极(阳极)和负电极(阴极)限定，两个电 极都连接至电容器；在所述电极间间隙中将载气注入所述液态烃物质中以形 成液态烃-气体混合物；对所述电容器充电至所述载气的击穿电压；在所述 电极间间隙中产生火花放电；和回收包含分子量低于所述液态烃物质的烃的 烃馏分。

在另一个方面，提供用于裂化液态烃物质的装置，其中所述装置包括放 电室；入口，其被配置以传送液态烃物质至所述放电室；出口，其被配置以 从所述放电室传送烃馏分；正电极，其包含第一端和第二端；空心负电极， 其包含第一端和第二端；其中所述正电极的所述第一端与所述负电极的所述 第一端间隔一段距离，所述距离限定电极间放电间隙，并且所述空心电极包 含限定从所述负电极的第一端到所述负电极的第二端的开放通道的壁，所述 第二端远离所述第一端；并且所述负电极被配置用于向所述电极间放电间隙 中通入载气；连接至所述电极的存储电容器；和电源，其被配置以在所述放 电间隙中产生火花放电。

附图说明

图1示出根据一个实施方案用于裂化液态烃物质的设备的示意图。

图2示出图1中所示的用于裂化液态烃物质的设备的一部分的透视图。

图3是示出在轻油裂化之前和之后的烃馏分分布的图。

图4是示出在矿物油裂化之前和之后的烃馏分分布的图。

图5示出从其加工产生的Alberta轻油的沸点曲线。

具体实施方式

本技术涉及将含有重质烃分子的液体加工成轻质液体和/或气态馏分的 领域。本技术可以用于将液态重油裂化成轻质烃馏分，其通过使用所述注入 液态重油中的载气流以形成混合物，接着通过放电电离所述混合物来实现。 本技术可以有效地用于实现有效重油转化。

在一个方面，提供一种通过使用火花放电将液态烃物质裂化成轻质烃馏 分的方法。所述方法包括使液态烃物质流过放电室并且进入所述放电室内的 电极间间隙中，其中所述电极间间隙形成在彼此隔开的一对电极之间。所述 方法还包括随着载气进入所述电极间间隙而将其注入所述液态烃物质中，从 而形成气体-液态烃混合物。所述一对电极包括正电极和负电极，所述负电 极被连接至电容器。所述电容器被充电至等于或大于所述电极间放电间隙中 的载气的击穿电压的电压。随着气体-液态烃混合物形成，在足以实现火花 放电的电压下使其经受电极之间的电流。所述方法还包括回收由脉冲火花放 电对气体-液态烃混合物的影响而产生的轻质烃馏分。

如本文所用的术语“液态烃物质”是指在大气条件下呈液体状态的那些 烃化合物和其混合物。所述液态烃物质可任选地在其中悬浮有固体。所述液 态烃物质可含有其他常规添加剂，包括(但不限于)流动改进剂、抗静电剂、 抗氧化剂、蜡抗沉降剂、腐蚀抑制剂、无灰洗涤剂、抗爆剂、点火改进剂、 去雾剂、再添味剂、管道减阻剂、润滑剂、十六烷值改进剂、火花辅助剂、 阀座保护化合物、合成或矿物油载体流体和消泡剂。说明性液态烃物质包括 (但不限于)矿物油；石油产品如原油、汽油、煤油和燃料油；直链和支链石 蜡烃；环石蜡烃；单烯烃烃；二烯烃烃；烯烃烃；和芳族烃如苯、甲苯和二 甲苯。

当液态烃物质包括原油时，所述原油可含有广泛多种分子量和形式的 烃。例如，所述烃可包括(但不限于)石蜡、芳烃、环烷、环烷烃、烯烃、二 烯和炔烃。所述烃的特征可能在于碳原子(C)的总数和/或碳原子之间的单键 (C-C)、双键(C＝C)或三键(C≡C)的量。由于原油中存在的各种化合物，因此 它是非常适合于所述方法的原料。它可用于容易地产生轻质馏分如汽油和煤 油，或重质馏分如柴油和燃料油。使用本技术的方法，将原油中数百种不同 的烃分子转化成可以用作燃料、润滑剂和在其他石油化学方法中用作原料的 组分。

不希望受理论束缚，在上述方法或实施方案中的任一个中，将具有高碳 含量的液态烃物质裂化成具有较低碳含量的分子，以形成平均起来比原料中 的重质液态烃物质更轻(在分子量和沸点方面)的烃馏分。此外，不希望受理 论束缚，认为经由C-C键的切断发生重分子的分裂。对于这些分子，打破 C-C键所需的能量为约261.9kJ/mol。这种能量显著小于打破C-H键所需的 能量(364.5kJ/mol)。

烃的自由基吸引氢原子。因此可在过程中提供载气以充当氢原子源。合 适的载气可包括(但不限于)含氢原子的气体。说明性载气可包括(但不限于) 氢、甲烷、天然气和其他气态烃。在上述实施方案中的任一个中，可使用这 些说明性载气的混合物。

随着方法被连续操作，所述方法的不同阶段或步骤可同时或依次发生， 以使得液态烃物质随着产物烃馏分离开腔室而连续馈送至放电室。

如上所述，所述方法包括在电极间放电间隙中的气体射流中产生火花放 电等离子体。因此，所述载气的击穿电压将小于液体的击穿电压，因此，气 体射流的使用可以在相同电压水平下使用以产生较长的放电间隙。增加电极 间放电间隙，同时降低所述方法对电极的腐蚀作用，这增加了等离子体放电 与经过处理的液态烃物质之间的直接接触面积。不希望受任何特定理论束 缚，认为在放电等离子体与液态烃物质在电极间放电间隙中接触后，所述液 态烃物质迅速加热并蒸发以形成蒸气。因此，液态烃物质的分子与载气分子 和其中形成的等离子体粒子混合。等离子体电子与烃分子碰撞，从而将它们 分解成具有一个不饱和键并且基本上是自由基的较小分子，即具有自由键的 分子片段。由于快速移动的电子与在电极之间建立的等离子体通道周围形成 的液体壁的直接相互作用也出现自由基。

如上所述，本领域中已知的各种载气可以用于本技术的方法和装置中。 示例性载气包括(但不限于)氦气、氖气、氩气、氙气和氢气(H₂)以及其他气 体。在一些实施方案中，载气是含氢气体，例如(但不限于)水、蒸汽、纯氢 气、甲烷、天然气或其他气态烃。任何两种或更多种这类含氢气体的混合物 可用于任何所述实施方案中。此外，非含氢气体如氦气、氖气、氩气和氙气 可用作任何含氢气体的稀释气体，或者它们可与液态烃物质一起使用，从而 允许自由基彼此封端而非用来自载气的氢原子封端等。从用于形成一个游离 氢原子的能量成本观点来看，为了选择合适的载气，有必要比较各种载气或 含氢气体的离解能。因此，例如，为了打破H₂分子中的氢原子之间的键， 将需要约432kJ/mol。对于水蒸气，释放氢原子所需的能量为约495kJ/mol， 而对于氢原子从烃分子如甲烷的去除，需要约364.5kJ/mol。

根据一些实施方案，载气是甲烷。使用甲烷或天然气，不仅在打破键所 需的能量方面，而且由于其相对低的成本，都是有利的。通过使用甲烷，确 保打破C-H键以产生氢基和甲基，在封端步骤中所述氢基和甲基中的任一个 可与较大的烃基组合。在一些实施方案中，所述载气是甲烷，或甲烷与惰性 气体如氦气、氩气、氖气或氙气的混合物。

各种类型的放电可用于在气体射流中产生等离子体。这些放电可以呈连 续模式，或呈脉冲模式。例如，在一些实施方案中，使用连续放电如电弧放 电或辉光放电是有效的。然而，使用这种类型的放电来裂化重质烃可受到以 下事实的限制：通过连续电流加热气态介质可导致放电室内部的温度不合需 要的增加。这种温度增加可能导致焦化和烟灰产生增加。此外，当使用连续 放电时，烃馏分产物连续地暴露于放电直至它们离开等离子体。相比之下， 对于从重油馏分产生轻质烃馏分的目的，可能需要使用脉冲放电、特别是脉 冲火花放电，因为脉冲之间的时间间隔允许自由基封端并允许产物轻质烃离 开等离子体的时间。

在另一个方面，提供用于将液态烃介质转化成烃馏分产物的装置。所述 装置可包括用于容纳提供火花放电以引起转化的元件的放电室。所述放电室 和因此所述装置包括被配置以将所述液态烃物质传送至所述放电室的入口、 被配置以从所述放电室传送烃馏分产物的出口、具有第一端和第二端的负电 极，和具有第一端和第二端的正电极。在所述放电室中，所述负电极的第一 端与所述正电极的第一端间隔一段距离，所述距离限定电极间放电间隙。为 了提供将液态烃物质与载气混合的方式，如上所述，所述放电室还可包括被 配置以最接近于放电间隙引入所述载气的气体射流。换句话说，所述载气在 注入放电间隙时或在注入放电间隙之前立即注入所述液态烃物质中。将负电 极的第二端和正电极的第二端连接至电容器，并且提供电源并将其配置以在 电极间放电间隙中产生火花放电。

在放电室中，当施加至电极的电压(V)等于或大于电极间间隙的击穿电 压(V_b)时，在电极间放电间隙中形成火花放电。通过自由电子起始火花放电， 所述自由电子通常通过场发射或通过其他电子发射方法而出现在正电极上。 所述自由电子被加速进入横跨间隙的电场中，并且随着间隙中的气体被电离 而产生火花等离子体通道。在形成火花放电通道后，放电电流流过等离子体。 等离子体通道内的电压(V_d)低于击穿电压(V_b)。如果电源足以允许放电通道 中的电流以连续模式流动，则产生电弧放电。在火花放电中也发生等离子体 的加热。然而，不仅可以通过调节放电电流的强度，而且可以通过控制放电 的持续时间来控制温度。在某些实施方案中，由于气体中产生的等离子体通 道，气体温度可以达到几千℃。

可选地，可使用不同的功率方案来产生火花放电。在一些实施方案中， 使用大量的各种不同的脉冲发生器来点火火花放电。例如，可使用在负载上 使预充电存储电容器放电的电路。通过存储容量以及整个放电电流的参数来 确定脉冲电压在负载上的参数。能量损失将取决于放电电路的特性，特别是 在开关中的损耗。

在本技术的一些实施方案中，火花开关直接用作负载，即等离子体反应 器，从而降低放电电路中的能量损耗。此外，存储电容器可以与具有最小电 感的电路上的火花间隙并联连接。当存储电容器上的电压达到击穿电压时发 生间隙的击穿，并且在电容器的放电期间发生能量向等离子体火花中的输 入。因此，电路中的能量损耗较低。

根据上述实施方案中的任一个，正电极可被成形为平板电极，呈薄片、 叶片或扁平端子形式，而负电极是管状的，即空心的。空心负电极是中空电 极，载气可通过所述中空电极注入电极间间隙处的液态烃物质中。因此，空 心负电极可充当载气管道。当负电极是空心时，套管通道将在管开口处具有 曲率半径。通常从连接点的底部至顶部来测量放电电极的高度或长度。在一 些实施方案中，阴极的曲率半径与高度或长度的比率可能大于约10。

如上所述，电极间放电间隙(即两个电极之间的距离)影响方法的效率。 所述电极间放电间隙是适合于基于例如馈送至放电室的特定烃物质、所注入 的载气和所施加的电压和/或电流进行优化的特征。然而，可阐述电极间放电 间隙的一些范围。例如，在上述实施方案中的任一个中，电极间放电间隙可 为约1-3至约100毫米。这可包括约3至约20毫米的电极间放电间隙，通 过使用30-50kV的工作电压，最佳间隙长度将为8至12毫米。所述负电极 和所述正电极都可突入放电室中。

如所述，存储电容器可充电至等于或大于载气的击穿电压的电压，以便 产生火花放电。在一些实施方案中，所述放电发生在正电极与最接近于正电 极的第一端的载气之间。在一些实施方案中，所述放电是连续的。在其他实 施方案中，所述放电是脉冲式。在一些实施方案中，通过存储电容器的充电 电路中的电阻值来调节放电速率。

将电源连接至整个系统以提供驱动放电所必须的能量输入。在一些实施 方案中，在本文所述的设备中可使用工作电压为15-25kV的DC电源。所述 电源取决于用于加工烃液体的间隙数目，取决于其长度、脉冲重复率、通过 反应器的液体流速、通过每个间隙的气体流速。本文描述了使用12个间隙 的设备的实例。例如，所述设备可包括利用3.5mm长度的放电间隙、100pF 容量电容器、18kV工作电压和5Hz脉冲重复率的反应器。所消耗的电源范 围可以是1至2瓦特，而等离子体可以直接在放电中吸收约0.97瓦特的功率。 剩余的能量可能耗散在充电系统电容器中。

转向附图，用于将液态烃物质转化为烃馏分产物的装置的一个实施方案 的示意图示于图1中。在图1中，在放电室103的外壳中布置的正电极101(阳 极)与负电极102(阴极)之间发生放电。放电室103还可包括接地金属凸缘104 和介电绝缘体凸缘105。液态烃物质可通过入口106馈送至放电室103。在 液态烃物质转化为烃馏分产物后，所述产物通过第一出口107从放电室103 离开。在这种情况下，入口106和第一出口107流体地连接至液体泵(未示 出)。所述泵用于向腔室103递送液态烃物质并用于除去产物。载气可通过 中空的喷射套管108、即通过负电极102内部的孔递送至放电室103。可包 括第二出口109以使气态烃馏分产物或过量载气从腔室离开。将正电极101 和负电极102连接至存储电容器111，使用通过触点112连接的电源将所述 存储电容器111通过限流电阻器110充电至工作电压。

可将负电压施加至阴极102，从而在电极顶端提供负极性。这有利于由 于场致电子发射而在负电极102的顶端附近引起自由电子，和引起气体射流 自击穿成气体流的过程。当电极之间的电压(V)达到击穿值(V_b)时，气体间隙、 即两个电极阴极与阳极之间出现自击穿，并且所述电极之间出现等离子体。 在电容器111完全放电和电极间放电间隙中的介电强度恢复后，能量存储电 容器111在特征性电容器充电时间t＝RC内再次充电(对于包含电容器C和 电阻器R的电路，电容器充电时间t等于RC的乘积)至自击穿电压(Ud)。

可通过改变电阻器110中的电阻值来调节脉冲放电频率。

在图1中，示出具有单一放电间隙的反应器来展示设备操作原理。，对 于本文所述的原油处理(减粘裂化)原理的工业应用，所述反应器示出大量的 火花间隙。对于加工大量的原油，整厂设备的设计必须含有大量的串联和并 联连接的这类通道。

图2示出具有6个火花间隙的本技术装置的一部分的透视图。反应器包 含通过焊接由矩形钢管3形成的气体通道2而固定的接地平台1。将具有小 直径的内通道的细管4安装在钢管3的顶部。这种管中的每个具有尖顶并充 当用于形成放电间隙的阴极。固体电极5充当阳极并且设置在与阴极4相同 的轴上并固定在绝缘罩6中。所述罩6通过隔板7密封并安装在液体通道9 的壁8上。壁8借助于垫圈10紧固至平台1。配件12被安置在液体通道的 端壁11以确保所处理液体的进料和泵送。通过配件13提供在气体通道2中 流动的载气，使载气馈送通过阴极4中的开口进入用于形成气体射流的液体 中。配件14在罩6的顶部上以排出用过的载气。将脉冲电容器15通过底板 设置在平台1上以确保火花放电的形成和供给(进料)。将电容器15的另一端、 即上板经由电流导线16个别地连接至阳极5。

在通道9通过喷嘴12用加工流体填充后，通过将载气吹入气体通道1 中来操作设备。例如，所述流体或液体可能是原油。这种动作次序防止流体 散布到气体通道2中。在阴极4与阳极5之间形成气体射流后将电压施加至 电流导线16，并且将电容器15充电至击穿电压。在放电间隙的电极之间达 到击穿电压后形成火花。石油裂化过程发生在周边等离子体通道中的原油 中。这个过程是全部类似的。通过电容器C的值和如在单一间隙反应器中的 电阻值充电电阻器R来确定这个设备中的重复击穿频率(图1)。

在这种多火花反应器中，可能发生的是，虽然已经在一个间隙中形成火 花通道，但是由于火花间隙击穿的统计学特性，在下个间隙中尚未发生击穿。 在这些情况下，在相邻的阳极管脚17之间，即在相邻的电流导线16之间出 现电压降。通常这种降低等于充电电压的振幅值。绝缘器6经过构建以提供 相邻的阳极管脚17之间以及电流导线16之间的电绝缘，以避免相邻阳极之 间的击穿。

其他组件也可包括在装置中。例如，储集器或管道系统可将入口连接至 液态烃物质源，并且可将储集器或管道系统连接至第一出口以用于收集烃馏 分产物。所述烃馏分产物可通过蒸馏分离较低分子量组分来进行进一步加 工，其中较高分子量组分返回入口以实现在放电室中的可能进一步加工。气 体捕捉系统可连接至装置上的出口，从而允许捕捉低分子量烃气体和/或载 气，后者作为载气再循环用于再次注入，并且前者被收集用于其他用途。

所述装置可适于液态烃物质的任何特定处理模式。这种适应灵活性提供 对于原油加工的容易控制，其可在宽泛范围的组成和杂质上改变。可能通过 仅改变一些操作参数来控制用于裂化液态烃物质的工艺条件。例如，这些参 数可包括放电间隙长度和/或施加电压(V)的变化。电压增加可导致存储在电 容器111上的能量以平方成比例程度增加W＝CV²/2。改变电容器111的值 与改变放电能量输入W线性成比例。可经由电路的电容和电阻的操纵来实 现脉冲重复率的控制。在一些实施方案中，脉冲重复率是每秒约1至约10 次脉冲。在其他实施方案中，脉冲重复率是每秒约2至约7次脉冲。在上述 实施方案中的任一个中，脉冲重复率是每秒约3至约5次脉冲。

供应电路的电特性改变不是使用所述装置的裂化方法改变的唯一原因。 可通过改变载气和液态烃物质的泵送速度以及控制液态烃和烃馏分产物在 腔室内的加工时间来进行火花放电的调节。其他条件保持相同，载气进入液 态烃物质中的流速对烃馏分产物具有显著影响。取决于气体流速和流体粘 度，可以在电极间空隙中形成不同直径的载气流或射流。如果在高气体流速 下形成大直径气体射流时，通过所述大直径气体射流，火花放电等离子体不 与液体直接接触。在低气体流速的情况下，气体射流直径与通道火花的直径 相当。在这些情况下，放电等离子体与周围液体之间存在强烈的相互作用。 所述强烈的相互作用表明，等离子体通道与液体之间的接触面积被最大化。

本文所述的装置和方法提供优于其他已知方法的若干优点。例如，如美 国专利No.5,626,726中所公开的目前已知的方法利用液体与其中产生电弧 的气体的异质混合物。在本技术中，将在液体中传播的气体射流用于实施火 花放电。此外，放电间隙在异质混合物中的击穿需要高电场强度，为此在'726 专利中使用短的放电间隙。所述短的放电间隙和所产生的延长的放电操作导 致放电间隙的电极磨损，伴随着间隙长度和击穿电压的增加。对于固定的工 作电压，随着长度增加，间隙中的放电减少并且最终停止。相反地，在本技 术中，由于具有远低于流体(例如石油)的击穿电场的气体中发生电击穿，因 此对于相同的工作电压值可以使用较长的放电间隙。由于使用较长间隙的可 能性，电极不会受到击穿电压增加的过多影响，因此放电点火在固定的工作 电压下是稳定的。

因此将通过参考以下实施例来理解上文一般描述的装置和方法，所述实 施例并不旨在以任何方式限制上述装置或方法。

实施例

下文描述使用图1和图2中所示的装置或设备进行的裂化方法的研究结 果。

实施例1：各种载气的评估。在这个实验中，在1大气压(atm)下和在室 温下研究作为载气的氢气、甲烷和氮气。通过每个阴极的气体流速为0.025 至1升/小时并且阴极内部的孔直径等于0.1mm。实验指出，通过使用氢气 获得最好的结果，并且使用甲烷获得类似的结果。随后，由于甲烷的低成本， 使用甲烷作为载气来进行所有实验。

实施例2：各种烃源的评估。评估作为烃源的矿物油、气油、原油、纯 十五烷(C₁₅H₃₂)和含有单一液体馏分的饱和烃(C₁₅)。在实验操作期间，使用 图1中所示的设备，改变以下参数：电容(C)、间隙长度(d)、电压(V)、甲烷 流速(h)和液体处理时间(T)。研究了液态烃物质的馏分组成。能量参数，特 别是用于生产汽油馏分的能量成本，被视为所得C₇-C₁₂馏分的体积馏分的总 和。表1列出实验的条件。

表1：用于评估烃源的条件

参数 量 被处理液体的体积 30ml 放电间隙 5mm 加工时间 30分钟 CH₄流速 0.3升/小时(l/h) 存储电容 190pF 充电容量 20kV 放电脉冲重复率 3Hz

图3示出在对使用图2中所示的设备制造的轻质原油处理后的液态烃物 质馏分的分布。图3显示，随着轻质馏分产生，在裂化处理期间的重质烃馏 分体积降低。

图4示出在作为重油的矿物油加工之前和之后的馏分变化。在所有情况 下，观测到轻质馏分如汽油C₇至C₁₂的浓度增加。

在放电间隙值设置为12的示范工厂中实施图1和图2中所述的设备的 结构。工作体积是60mL。图5示出由其加工产生的Alberta轻油的典型沸 点曲线。在该实施例中，使用如下电容器，其中每个电容C＝100pF，火花 脉冲重复率为2-5Hz，石油的流速等于3.75mL/min，并且气体流速为12.0 L/h。样品粘度从101cSt变为84cSt，并且参数API从18变为21度。

所述实验揭示出所研究的烃所共有的转化模式。一般来说，在较低流速 下合成汽油馏分时的能量消耗降低。因此，放电室内的烟灰形成减少。然而， 值得注意的是，在非常低的气体流速下，烟灰增加。例如，烟灰形成最集中 发生在小于0.2升/小时通过矿物油中的每个边缘的流速下。烟灰形成过程以 及石油裂化过程与油当与流体通道接触时被等离子体火花加热直接相关。在 高气体流速下，在油中形成大直径的气体射流。在气体射流内部形成的火花 通道与液体的直接接触较弱。在这种情况下，等离子体通道的能量主要消耗 在加热周围气体，此后气体加热液体。气体射流直径随着气体流动而降低并 且周围液体的加热更强烈。在非常低的气体流速下，等离子体与液体直接接 触，在这种情况下可能发生流体过热，特别是阴极附近。在这种情况下，烟 灰形成过程在可能发生流体局部过热的地方非常密集地进行。最佳气体流速 和引入等离子体中的能量对于不同烃源是不同的。通常通过形成汽油(或其 他)馏分的能量效率来确定最佳气体流速。在一些实施方案中，最佳气体流 速可能取决于初始粘度。例如，对于从Alberta油产生汽油的过程，在室温 和大气压力下通过孔径为0.1mm的每个尖端的甲烷气体的最佳消耗是0.2 升/小时。裂化过程的最佳参数取决于烃的单独的组成，并且因而流速适合于 被放电设备的操作者优化。

在形成期间观测到在液态烃物质的特定馏分产生期间的特定能量消耗。 图3、图4和图5示出用于将重油转化为轻质燃料的这种方法的工业应用潜 力。所述方法以能量有效方式进行，并且示出由于温和操作条件和无需催化 剂而造成的生产规模系统的资金成本较低的潜力。表2呈现上文关于汽油馏 分生产所述的实施例的功率输入的实验值。

表2：进料转化的能量需求

对于本公开的目的并且除非另外说明，否则“一个”是指“一个或多个”。

如本文所用，“约”将为本领域普通技术人员所理解并且将根据其使用 情形而在一定程度上改变。如果存在本领域普通技术人员不明确的术语使 用，则考虑到其使用情形，“约”将意味着特定术语的至多±10％。

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本文说明性描述的实施方案可适当地在不存在本文未特定公开的任何 一种或多种要素、一种或多种限制的情况下实施。因此，例如，术语“包含”、 “包括”、“含有”等应广义地和不加限制地理解。另外，本文使用的术语 和表达已经作为描述性而非限制性术语使用，并且在这些术语和表达的使用 中不旨在排除所示和所述特征或其部分的任何等效形式，但人们认识到各种 修改可能在所要求保护的技术的范围内。另外，短语“基本上由……组成” 将被理解为包括特定叙述的那些要素和不会显著地影响所要求保护的技术 的基本和新颖特征的那些额外要素。短语“由……组成”排除任何未说明的 要素。

本公开不会在本申请中所述的特定实施方案方面进行限制，所述实施方 案旨在作为各种方面的说明。如本领域技术人员所显而易见的是，可以在不 偏离其精神和范围的情况下做出许多修改和变化。根据前述描述，除了本文 所列举那些之外在本公开范围内的功能上等效的组合物、装置和方法将是本 领域技术人员所显而易见的。这些修改和变化旨在落在所附权利要求书的范 围内。本公开仅由所附权利要求书的术语以及这些权利要求书所授权的等效 物的完全范围进行限制。应理解，本公开不限于特定方法、试剂、化合物组 合物或生物系统，其当然可以改变。此外应理解，本文使用的术语是仅出于 描述特定实施方案的目的，而非旨在具限制性。

另外，当本公开的特征或方面以马库什组(Markushgroup)形式描述时， 本领域技术人员将认识到本公开也从而以马库什组的任何单独成员或成员 亚组形式进行描述。

本领域技术人员应理解，对于任何和所有目的，特别是在提供书面描述 方面，本文公开的所有范围也涵盖任何和所有可能的子范围和其子范围的组 合。任何列出的范围可以容易公认为充分描述和能够实现被分成至少相等两 份、三份、四份、五份、十份等的相同范围。作为非限制性实例，本文讨论 的每个范围可以容易地分成下部三分之一、中部三分之一和上部三分之一 等。如本领域技术人员通常所理解，所有语言如‘至多’、‘至少’、‘大 于’、‘小于’等包括所述数字并且是指可以随后分成如上文所讨论的子范 围的范围。最后，如本领域技术人员所理解，范围包括每个单独的成员。

虽然已经说明和描述了特定实施方案，但应理解，可以根据本领域中的 普通技术在不偏离如以下权利要求书中所限定的其最宽泛方面的技术的情 况下在其中作出改变和修改。