[发明专利]具有气固分离的微波反应器系统

说明书

公开了具有微波等离子体反应器和多阶段气固分离系统的微波化学处理系统。微波能量源具有波导、反应区和被配置成能够接收输入材料的入口，并且输入材料被转化成分离的组分。分离的组分包含氢气和碳颗粒。多阶段气固分离系统具有用于从分离的组分中过滤碳颗粒的第一旋风分离器，以及反脉冲过滤系统，所述反脉冲过滤系统被耦合到第一旋风分离器的输出以从第一旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。

相关申请

本申请要求以下优先权：1)2016年10月6日提交的题为“Microwave ReactorSystem”的美国临时专利申请号62/404,851；和2)2016年10月11日提交的题为“Bio-GasSystem”的美国临时专利申请号62/406,745；所述专利全部通过引用并入本文。

背景技术

微波等离子体用于气体的工业化学处理。这通常通过使待反应的气体流过细长容器，同时将微波能量耦合到容器中以产生等离子体来完成。等离子体将气体分子裂化成组分物质。微波化学处理系统是有效的，因为微波等离子体在低离子能量下以相对高的功率耦合效率工作，并且能够支持各种气体反应(诸如甲烷转化为氢气和碳颗粒、二氧化碳转化为氧气和碳)以及将颗粒和其他种子材料与其他层一起涂覆用于功能化以及复杂的层状材料和聚集体处理。

用于化学气体处理的典型系统包括处理材料流过的石英反应室，以及通过波导耦合到反应室的微波磁控管源。输入的微波能量可以是连续波或脉冲。系统被设计成能够控制微波能量有效耦合到反应室中，以及反应室内的气体流动以改善流动气体的能量吸收。通常，系统包括位于微波波导与石英反应室相交的位置的楔形物，以将电场集中在小区域内，并且波导导电壁不暴露于待处理的气体。

在产生气体和微粒的微波化学处理系统中，使用气固分离系统完成微粒过滤。气固分离系统可包含旋风过滤器、反脉冲过滤器或其他过滤器。例如，从微波化学处理系统中产生的氢气中过滤含碳颗粒是具有挑战性的。在一些情况下，产生的含碳颗粒非常小(例如，中值粒径小于100nm)，这使颗粒过滤更有挑战性。用于从气流中分离含碳颗粒的一些气固分离系统使用反脉冲过滤器。在一些情况下，反脉冲过滤器采用加热的过滤器(例如，加热的滤棒)。在这些系统中的一些中，通过将气体吹过滤棒以逐出含碳颗粒来定期地清洁反脉冲过滤器(即，使用使气体沿与过滤方向相反的方向流动的反脉冲)。用于从氢气中分离含碳颗粒的其他气固分离系统使用旋风分离器。在一些情况下，旋风分离器也是加热的。

发明内容

在一些实施方案中，材料处理系统包括含有烃类气体的输入材料；微波等离子体反应器；和耦合到微波等离子体反应器的多阶段气固分离系统。在一些实施方案中，微波等离子体反应器包括微波能量源；波导；反应区，其中微波能量源通过波导耦合到反应区，并且微波能量在反应区中产生等离子体；和入口，其被配置成能够接收输入材料，其中输入材料通过入口流入反应区。等离子体将输入材料分离成分离的组分，分离的组分包括氢气和碳颗粒。在一些实施方案中，多阶段气固分离系统包括具有输出的第一旋风分离器，其中第一旋风分离器从分离的组分中过滤碳颗粒；和耦合到第一旋风分离器的输出的反脉冲过滤系统，其中反脉冲过滤系统从第一旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。

在一些实施方案中，用于产生碳颗粒的过程包括提供包含烃类气体的输入材料；使用微波等离子体反应器将输入材料处理成分离的组分，其中分离的组分含有氢气和碳颗粒；以及使用多阶段气固分离系统从氢气中过滤碳颗粒。

在一些实施方案中，多阶段气固分离系统包括具有输出的第一旋风分离器；和反脉冲过滤系统，其中第一旋风分离器从分离的组分中过滤碳颗粒；并且反脉冲过滤系统从第一旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。

附图说明

图1A-1D是本领域已知的碳同素异形体的示意图。

图1E是根据一些实施方案的理想化连接的多壁球形富勒烯的示意图。

图2A是根据一些实施方案的微波化学处理系统的示意图。