[发明专利]一种用于低温等离子体协同催化制氨的新型高效反应装置

说明书

本发明提供了一种用于低温等离子体协同催化制氨的新型高效反应装置，包括反应管、绝缘柱、接地电极、高压螺旋电极以及催化剂，所述反应管包括两端开口且内部中空的管体以及分别盖接于所述管体首尾两端的前端盖和后端盖，所述前端盖贯穿设有安装孔，所述绝缘柱穿过所述安装孔并固设于所述前端盖，所述接地电极安装于所述管体上，所述高压螺旋电极一端连接高压电源，另一端穿过所述绝缘柱并插入所述反应管内以在所述高压螺旋电极与所述接地电极之间形成反应区，所述催化剂容置于所述反应管内并位于所述反应区。本发明的有益效果如下：通过设置高压螺旋电极，显著提升了产氨速率。

技术领域

本发明涉及高压等离子体科学技术与材料化学技术领域，尤其涉及一种用于低温等离子体协同催化制氨的新型高效反应装置。

背景技术

氨气作为一种重要的化工原料，需求量呈现上涨的趋势，2020年全国氨气总需求量达到1.13亿吨。工业制备氨气主要依靠Haber-Bosch工艺，尽管Haber-Bosch法产量高，但Haber-Bosch工艺的反应条件分别是200-400个大气压和400-600℃温度范围，在大量消耗能源的同时，不可避免的造成了环境污染以及温室气体的影响；而且该反应所需高温高压的条件，也极大限制了降低资金成本的可能性。因此开发一种能在常温常压反应条件下，且对环境无污染的制氨方法就极为重要。

等离子体作为物质第四态，具有电子密度和能量高等特点，因此等离子体自从被发现以来，一直是研究的热点，且在工业中已成功实现应用于臭氧合成、表面改性以及辅助燃烧等。等离子体中存在的电子、离子、原子和自由基，使得一些反应条件很苛刻的化学反应，即使在室温和大气压下也能够有效进行。研究人员发现，在等离子体的辅助下，氮气和氢气合成氨气也能在常温常压下进行，而且整个过程对环境无污染，能够有效地降低制氨成本，近几年得到了广泛研究。

等离子体介质阻挡放电的应用的相关专利中，中国发明专利200610200563.0(申请公布号CN 1861519 A)公开了一种氨分解制氢的等离子体催化方法，其特征在于氨分解反应在一个介质阻挡放电和非贵金属负载催化剂共存的等离子体催化反应器中进行。该等离子体催化反应器通过向反应器壳体内沿轴线插入金属丝线作为反应器高压放电电极，此发明应用于氨气分解制氢，且采用金属丝线作为高压电极。我们的前期专利201910719287.6(申请公布号CN 110372006 A)披露了一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化剂制氨的方法和装置，其特征在于高压电极采用了最原始的高压电极棒，高压电极棒直接插入绝缘管内。本发明的有益效果是通过采用新型螺旋电极装置替换原有高压电极棒作为高压电极，相比传统棒电极装置，反应时，局部放电场强增强，放电更剧烈，氨合成反应速率提高，在同等条件下，本文所述专利反应装置氨气产量更高，能量产量更高。

中国发明专利200620115717.1(授权公告号CN 200956366 Y)公开了一种螺旋电极介质阻挡放电装置，其特征在于将铜丝电极采用螺旋形式紧密环绕在电介质外表面上，在电介质管内形成放电腔产生放电。该专利电极设置方式和本文所述专利有明显的区别，该专利旨在产生等离子体射流，如应用到本文所述专利，空腔内没有填充催化剂的地方，等离子体空载制备氨气产量很低。

螺旋电极的应用还出现在中国发明专利202010434745.4(申请公布号CN111559789A)中，该专利公开了一种旋转螺旋鼓泡介质阻挡放电污染物处理装置，所述螺旋状电极棒采用圆柱型片状、网状导电材料，其外表面包裹一层绝缘介质。其特征在于设置了螺旋电极棒作为高压电极进行放电，由于旋转螺旋体的扰动和曝气作用，加速了放电产生的活性物质的均匀、快速扩散。和本文所述专利相比，该专利应用于污水以及废气处理领域；该专利的螺旋电极棒是空心结构，是采用采用圆柱型片状、网状导电材料弯曲制成。

发明内容