[发明专利]甲烷转化设备

说明书

交叉引用

本申请要求2012年2月1日提交的美国申请号61/593765和2012年2月16日提交的美国申请号13/398,724的权益，所述申请通过引用完整并入于此。

技术领域

易燃/易爆气体对于能源产业的几乎每个层面而言都有严重危害，比如炼炭、石油与天然气工业中的甲烷，以及石油化工中的乙烯和乙炔。这些易爆气体在空气中具有低爆炸极限，一般为3-30％，这使得这些曝炸危害非常容易形成，但不能经济地得到处理。能源产业是万亿美元级的产业。全球每年有数以千计的工人死于与爆炸相关的事故。

发明内容

一方面，本发明提供用于甲烷转化的光催化反应器，其包含螺旋形间隔翅片、圆筒形腔室套管和紫外灯。

另一方面，本发明提供一种甲烷转化设备，其包含用于除去非气体材料或减少非气体材料的量的过滤装置(例如，一个或多个过滤器)、用于在气体转化设备中使过滤气体(例如，甲烷)循环和/或将气体(例如，甲烷)输送到反应装置的循环装置(例如，一个或多个循环泵)、湿润器、用于在适合甲烷转化的条件下使甲烷反应的反应装置(例如，一个或多个反应器组件)以及冷凝器/收集器，可选地包含用于集成和/或控制所有其它装置以提供合适的反应条件的装置(例如，中央处理单元、热控制单元、紫外线控制器，等等)。

在一些实施方式中，反应器组件(例如，光催化反应器或单独的光催化氧化(PGO)系统)是金属圆筒，紫外线(UV)灯管位于其内并与之同心。由于螺旋形间隔翅片的存在，强制气流以螺旋方式通过紫外灯与金属圆筒之间的间隙空间。翅片的表面和圆筒的内侧涂覆有催化剂纳米颗粒，所述催化剂纳米颗粒包含，例如二氧化钛(TiO₂)或其它合适的催化剂，比如WO₃、NiO等。在一些实施方式中，反应器组件包含多个反应器管，所述反应器管的气流路径通过弯管串行地和并行地互相连通。在一些实施方式中，包含反应器组件的该设备在环境条件下运行，并且所有电子元件是防爆的，适合地下应用。

另一方面，提供了甲烷转化方法，包括向包含一个或多个光催化反应器的反应器组件内吸入含有甲烷的气体。一方面，气体沿着紫外灯表面沿着螺旋形路径以螺旋方式流过光催化反应器。另一方面，圆筒形套管的内表面和螺旋形间隔翅片的表面涂覆有包含TiO₂的光催化剂颗粒。

援引并入

本说明书中所提到的所有出版物、专利和专利申请均通过引用以同样的程度并入本文，犹如每个单独的出版物、专利或专利申请被特别地和单独地指出通过引用而并入。

附图说明

在所附的权利要求书中具体阐述了本发明的新特征。通过参考以下对其中利用了本发明原理的说明性实施方式进行阐述的详细描述和附图，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，在附图中：

图1为光催化系统的流程图。实线箭头线表示气流流动的方向。虚线箭头线表示控制信号和感测反馈回路。

图2A-C示出了示例性的反应器组件。图2A是示例性的反应器组件(例如，单个的光催化氧化(PCO)系统100)的剖视图。该系统包含同心地位于较大的圆筒(例如，PCO室103)内的紫外灯管102。灯管102与圆筒之间的间隙空间被螺旋形间隔翅片104分隔开(参见图2B)，该间隙空间引导气流沿灯管表面以螺旋方式流动。气流通过位于圆筒一端的进气孔流入并通过位于另一端的出气孔105流出。该圆筒的内表面和翅片的表面涂覆有催化剂纳米颗粒106。图2B显示了PCO反应器的两个半边的展开图。图2C显示了该反应器组件的俯视图。中心孔用于紫外灯的插入。可以看到气槽的螺旋形路径。

图3是PCO系统的示例性反应器组件的透视图，其中多个反应器管通过弯管串行地和并行地互相连通。(1)入口气流分配管线；(2)温度感测和热电偶单元；(3)组件容器；(4)紫外灯管；(5)弯曲连接管；(6)出口气流管线。

图4说明了PCO系统的示例性运行机制。

图5A-B示出了示例性的催化剂涂层(例如，TiO₂)的表面的SEM显微照片。图5A显示可以在大面积上获得光滑涂层。图5B提供了内嵌的大孔的近视图。单个P25纳米颗粒之间的纳米孔隙度在照片中是非常明显的。