ES2954251T3 - Antorcha de plasma con electrodos de grafito - Google Patents
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Abstract
Avances en el diseño para mejorar el rendimiento de una antorcha de plasma. El uso de uno o más de los diversos avances descritos en el presente documento puede mejorar la eficiencia y eficacia del soplete, el reactor y el proceso de fabricación. También se describe el uso del soplete con gas plasma de hidrógeno, materia prima de gas natural y producción de negro de humo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Antorcha de plasma con electrodos de grafito
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de los Estados Unidos n. ° 61/934,184 presentada el 31 de enero de 2014.
Campo técnico
El campo de la técnica al que generalmente pertenece esta invención consiste en métodos y aparatos para utilizar energía eléctrica para afectar cambios químicos.
Antecedentes
Hay muchos procesos que se pueden utilizar y se han utilizado a lo largo de los años para producir negro de humo. Las fuentes de energía utilizadas para producir tales negros de humo a lo largo de los años han estado, en gran parte, estrechamente relacionadas con las materias primas utilizadas para convertir materiales que contienen hidrocarburos en negro de humo. Los aceites residuales de refinería y el gas natural han sido durante mucho tiempo un recurso para la producción de negro de humo. Las fuentes de energía han evolucionado con el tiempo en procesos químicos como, por ejemplo, la producción de negro de humo, desde la simple llama hasta el horno de aceite y el plasma, por nombrar algunos. Como en toda fabricación, existe una búsqueda constante de formas más eficientes y efectivas de producir dichos productos. Variar los caudales y otras condiciones de las fuentes de energía, variar los caudales y otras condiciones de las materias primas, aumentar la velocidad de producción, aumentar los rendimientos, reducir las características de desgaste de los equipos de fabricación, etc., han sido y siguen siendo parte de esta búsqueda a lo largo de los años.
Ejemplos de soluciones conocidas en el estado de la técnica se describen en los documentos US 5 105 123, US 2013/092525 A1 y FR1249094A. Además, el documento JP-S59 87800 A describe una antorcha de plasma con dos electrodos de grafito cilíndricos anidados uno dentro del otro y alineados coaxialmente, en donde uno de los electrodos tiene una punta, y en donde la antorcha de plasma también comprende un generador de campo magnético capaz de proveer un campo magnético en la punta del electrodo.
Los sistemas descritos en la presente memoria cumplen con los desafíos descritos más arriba y, además, logran un proceso de fabricación más eficiente y efectivo.
Breve compendio
La presente invención provee una antorcha de plasma como se define en la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas de la presente invención se definen en las reivindicaciones dependientes.
La antorcha de plasma según la invención incluye al menos dos electrodos de grafito cilíndricos anidados uno dentro de otro y alineados coaxialmente, en donde al menos uno de los electrodos tiene una punta y tiene un diseño de duela de barril, y en donde la antorcha comprende además un componente generador de campo magnético capaz de proveer un campo magnético en dicha punta con un componente axial de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 100 mT.
Preferiblemente, en esta antorcha de plasma, el electrodo interior es hueco; preferentemente, el electrodo interior es un cilindro sólido; la antorcha de plasma descrita más arriba se puede utilizar con gas de plasma que tiene al menos aproximadamente un 60 % de H2 en volumen; la antorcha de plasma descrita más arriba se puede utilizar con gas de plasma que contiene al menos uno de CO, C2H2 , HCN, CH4 , C2H6 , N2 , hidrocarburos aromáticos policíclicos, hidrocarburos monoaromáticos y/o gas Ar; presente en al menos 10 ppm (partes por millón); preferiblemente, en la antorcha de plasma descrita más arriba, el espacio entre los electrodos concéntricos no es inferior a aproximadamente 4 mm y no es superior a aproximadamente 20 mm; la antorcha de plasma descrita más arriba contiene preferiblemente una punta en donde la distancia del espacio, el grosor del electrodo y/o el área superficial de la punta permanecen sustancialmente constantes durante el uso; preferiblemente, la antorcha de plasma descrita más arriba contiene además al menos un anillo entre electrodos particularmente adaptado para el flujo de gas de plasma; preferiblemente, la antorcha de plasma descrita más arriba contiene además un anillo superior y un anillo inferior entre electrodos en donde el anillo superior es más ancho que el anillo inferior; preferiblemente, la antorcha de plasma descrita más arriba contiene además una fuente de alimentación capaz de suministrar un voltaje operativo de aproximadamente 300 a aproximadamente 1500 V y un voltaje de circuito abierto de hasta aproximadamente 4500 V; preferiblemente, la antorcha de plasma descrita más arriba contiene un cátodo superior y un cátodo inferior y un ánodo superior y un ánodo inferior, en donde el cátodo superior está conectado al cátodo inferior para formar un electrodo eléctricamente conductor y el ánodo superior está conectado al ánodo inferior para formar un electrodo eléctricamente conductor y cada una de estas conexiones se lleva a cabo en una unión de electrodos eléctricamente conductores; preferiblemente, en la antorcha de plasma descrita más arriba, se utilizan roscas cónicas para conectar los electrodos superior e inferior; preferiblemente, la antorcha de plasma descrita más arriba contiene un anillo entre electrodos en donde el electrodo inferior tiene un anillo más estrecho que el electrodo superior; preferiblemente, en la antorcha de
plasma descrita más arriba, los electrodos inferiores se consideran consumibles; preferiblemente, en la antorcha de plasma descrita más arriba, se unen múltiples electrodos consumibles a un electrodo superior; la antorcha de plasma descrita más arriba contiene preferiblemente grosores de anillo donde el grosor de anillo de los electrodos inferiores está dentro del 10 % entre sí; la antorcha de plasma descrita más arriba incluye preferiblemente un área de punta de electrodo donde el área de superficie de la punta del electrodo es mayor que 2:3 pero menor que 4:1 cuando el área de superficie del electrodo externo se compara con el área de superficie del electrodo interno; preferiblemente, en la antorcha de plasma descrita más arriba, se utilizan al menos 5 duelas para crear un anillo concéntrico hueco; la antorcha de plasma descrita más arriba contiene preferiblemente ranuras axiales cortadas en los electrodos para proveer alivio del estrés térmico y/o proveer craqueo térmico controlado; la antorcha de plasma descrita más arriba incluye preferiblemente un área de punta de electrodo en donde los electrodos cilíndricos comprenden varillas cilíndricas capaces de mantenerse al mismo potencial eléctrico que se aproxima a un cilindro hueco en la punta; preferiblemente, en la antorcha de plasma descrita más arriba, el electrodo interno comprende un diseño de cabezal de ducha; la antorcha de plasma descrita más arriba incluye preferiblemente un anillo para el flujo de gas protector; la antorcha de plasma descrita más arriba incluye preferiblemente al menos un canal para el flujo de gas de plasma a través de uno o más de uno de los siguientes: un anillo, un canal de gas protector, un cabezal de ducha en un electrodo central, a través del cuerpo de electrodos concéntricos huecos y/o a través del centro de electrodos concéntricos huecos; la antorcha de plasma descrita más arriba incluye preferiblemente al menos un imán para generar y adaptar un campo magnético; y la antorcha de plasma descrita más arriba incluye preferiblemente un conector mecánico conductor que conecta el ánodo al cátodo y provee una trayectoria conductora para el inicio del arco.
Realizaciones adicionales de la descripción que no están cubiertas por las reivindicaciones incluyen: un reactor de plasma que contiene una cámara de plasma donde las paredes del reactor incluyen canales de flujo de gas que pueden transportar calor fuera de la cámara de plasma; el reactor de plasma descrito más arriba, donde los canales están diseñados para permitir que al menos parte del gas calentado sea redirigido como gas de plasma; el reactor de plasma descrito más arriba incluye la antorcha descrita donde las paredes del reactor se estrechan después de la sección de antorcha para formar una sección de garganta y luego las paredes divergen después de la sección de garganta; el reactor de plasma descrito más arriba incluye inyectores de materia prima de hidrocarburos en la sección de garganta; el reactor de plasma descrito más arriba incluye inyectores de materia prima de hidrocarburos dentro de 5 diámetros de la garganta en dirección ascendente o descendente.
Breve descripción de los dibujos
Las Figuras 1, 2 y 3 muestran representaciones esquemáticas de antorchas de plasma típicas como se describe en la presente memoria.
Descripción detallada
Los detalles que se muestran en la presente memoria son a modo de ejemplo y con fines de discusión ilustrativa de las diversas realizaciones de la presente invención únicamente y se presentan con el fin de proveer lo que se cree que es la descripción más útil y fácilmente comprensible de los principios y aspectos conceptuales de la invención. En este sentido, no se intenta mostrar los detalles de la invención con más detalle del necesario para una comprensión fundamental de la invención, haciendo evidente la descripción para las personas con experiencia en la técnica cómo se pueden llevar a la práctica las diversas formas de la invención sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones anexas.
La presente invención se describirá ahora con referencia a realizaciones más detalladas. Sin embargo, esta invención puede realizarse de diferentes formas y no debe considerarse limitada a las realizaciones aquí expuestas. Más bien, estas realizaciones se proveen para que esta descripción sea minuciosa y completa, y transmita plenamente el alcance de la invención a las personas con experiencia en la técnica.
A menos que se defina lo contrario, todos los términos técnicos y científicos utilizados en la presente memoria tienen el mismo significado que entiende comúnmente una persona con experiencia en la técnica a la que pertenece esta invención. La terminología utilizada en la descripción de la invención en la presente memoria es para describir realizaciones particulares únicamente y no pretende ser limitante de la invención. Tal como se utilizan en la descripción de la invención y en las reivindicaciones anexas, las formas singulares "un", "una" y "el", “la” pretenden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Todas las publicaciones, solicitudes de patente, patentes y otras referencias mencionadas en la presente memoria se incorporan expresamente por referencia en su totalidad.
A menos que se indique lo contrario, se debe entender que todos los números que expresan cantidades de ingredientes, condiciones de reacción, etc., utilizados en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones están modificados en todos los casos por el término "aproximadamente". Por consiguiente, a menos que se indique lo contrario, los parámetros numéricos establecidos en la siguiente memoria descriptiva y en las reivindicaciones anexas son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas que se busca obtener mediante la presente invención. Como mínimo, y no como un intento de limitar la aplicación de la doctrina de los equivalentes al alcance de las reivindicaciones, cada parámetro numérico debe interpretarse a la luz del número de dígitos significativos y de los métodos de redondeo ordinarios.
Sin perjuicio de que los rangos numéricos y los parámetros que establecen el alcance de la invención son aproximaciones, los valores numéricos establecidos en los ejemplos específicos se informan con la mayor precisión posible. Cualquier valor numérico, sin embargo, contiene inherentemente ciertos errores que necesariamente resultan de la desviación estándar encontrada en sus respectivas mediciones de prueba. Cada rango numérico proporcionado a lo largo de esta memoria descriptiva incluirá cada rango numérico más estrecho que caiga dentro de dicho rango numérico más amplio, como si dichos rangos numéricos más estrechos estuvieran expresamente escritos en la presente memoria.
Ventajas adicionales de la invención se expondrán en parte en la descripción que sigue, y en parte serán obvias a partir de la descripción, o podrán aprenderse mediante la práctica de la invención. Debe entenderse que tanto la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son únicamente a modo de ejemplo y explicativas y no limitan la invención, tal como se reivindica.
Las Figuras 1,2 y 3 son representaciones bidimensionales esquemáticas de variantes de antorchas típicas descritas en la presente memoria. Por ejemplo, la Figura 1 muestra gas de plasma que fluye a través de entradas (103) de gas de plasma entre un electrodo (108) interno, típicamente el cátodo y el electrodo (107) externo, típicamente el ánodo. Cada electrodo está compuesto de una sección (104) de electrodo superior y una sección (106) de electrodo inferior que están conectadas en la unión (105) de los electrodos. La unión de los electrodos puede utilizar roscas cónicas para garantizar que la distribución del peso del electrodo inferior sea uniforme a lo largo de la unión y que se minimicen las fracturas por tensión inducidas térmicamente. También podrían emplearse otros métodos para unir los electrodos superior e inferior, incluidos ganchos y pestillos, machihembrados y pernos mecánicos, como ejemplos no limitantes. El anillo es el espacio entre los electrodos concéntricos por donde pasa parte, pero no necesariamente todo, del gas de plasma antes de llegar a la región (111) de plasma. El ancho del anillo se describe como la distancia promedio entre el ánodo y el cátodo y el espacio o distancia de la punta se describe como la distancia más cercana en la punta del cátodo a la punta del ánodo. Los soportes (101) de electrodos están conectados a los electrodos superiores en la unión (102) soporte/electrodo. Los soportes de electrodos permiten el aislamiento eléctrico tanto del ánodo como del cátodo y además suministran las conexiones eléctricas al ánodo y al cátodo. La conexión de la fuente de alimentación a uno o ambos del ánodo y cátodo, se puede lograr a través de otros medios, pero es conveniente cuando se logra con los soportes de electrodos que cumplen múltiples funciones. El uso de diversos materiales en los soportes de electrodos, incluido el polímero Teflon™ y diversas cerámicas, entre otros, se incluye para proveer un adecuado aislamiento térmico y eléctrico. Estos materiales permiten además que el gas de plasma precalentado fluya muy cerca de los soportes de electrodos que, opcionalmente, pueden enfriarse con agua. El gas de plasma se transporta a través del arco (110) y sirve como disipación del calor hacia la zona o región (111) de plasma, que idealmente es la parte más caliente del reactor. El anillo superior más ancho en la Figura 1 (en la sección de electrodo superior por encima del anillo (109) inferior permite una probabilidad reducida de formación de arco entre los electrodos en esta área de la antorcha. Además, el electrodo inferior está diseñado para ser de naturaleza consumible y permitir un reemplazo fácil, rápido y económico sin necesidad de reemplazar los electrodos superiores y los soportes de electrodos.
La Figura 2 muestra varias trayectorias de flujo posibles diferentes para el gas de plasma. El gas de plasma puede fluir alrededor del electrodo exterior para actuar como gas (204) protector. Esto protegerá los electrodos, proveerá una vida útil más larga y maximizará la utilidad de la carga de calor suministrada por la antorcha. Los electrodos también pueden tener un diseño (202) de cabezal de ducha en donde el electrodo interior no es un anillo hueco, sino más bien un electrodo sólido con ejes huecos que permiten la disipación (203) del calor en el electrodo interior y la maximización de la utilidad de la carga de calor de la antorcha. Además, el gas de plasma puede fluir a través del anillo (201) o puede fluir a través de las paredes de los electrodos internos y externos huecos concéntricos representados en la Figura 1, por ejemplo, a través de ejes tubulares perforados axialmente a través de los electrodos.
La Figura 3 muestra la antorcha y la zona de reacción en sentido descendente. El gas (301) de plasma fluye en sentido descendente de la zona de plasma a través del electrodo (302) interno y el electrodo (303) externo hacia una región (304) convergente o que se estrecha y hacia la garganta (305) y luego fuera de la garganta hacia un reactor (306) divergente. Esto crea una gran cantidad de turbulencia y esta configuración proveerá una mezcla óptima con la materia prima de hidrocarburos. La figura también muestra gas (307) de plasma reciclado que fluye alrededor de la parte inferior y media de la zona de plasma para cumplir dos funciones (1) - enfriar las paredes de la zona de plasma y (2) - precalentar el gas de plasma antes de entrar en la cámara de plasma para utilizar de manera más efectiva la carga de calor de la antorcha de plasma y prolongar la vida útil de la cámara de plasma.
Si bien todas estas figuras muestran la antorcha/reactor en un estado vertical con flujo descendente, también es posible tener un flujo ascendente o un reactor horizontal. Para los diseños particulares de antorcha/reactor mostrados, se prefiere la orientación vertical del reactor con flujo descendente.
El negro de humo se ha elaborado a partir de diversos procesos a lo largo de los años; sin embargo, el desarrollo comercial de un proceso basado en plasma nunca ha tenido éxito. En el pasado, los diseños de generadores de plasma para la producción de negro de humo no poseían velocidades de calentamiento adecuadas, resistencia a la corrosión, gas de plasma económico, mezcla rápida y economía de fabricación suficiente para sobrevivir cuando se enfrentaban al proceso del horno actual. La antorcha de plasma descrita en la presente memoria permite la operación y producción continuas de negro de humo de alta calidad a partir del proceso de plasma donde otros han fallado.
Los chorros de plasma para diversos procesos industriales se producen normalmente mediante generadores de plasma que comprenden una cámara de descarga y electrodos aislados entre sí. En la cámara de descarga entre los electrodos, en el flujo de un medio, se inicia una descarga de arco eléctrico. El medio, normalmente un gas, se calienta en la descarga hasta alcanzar el estado de plasma y sale del generador en forma de chorro de plasma.
De todos los componentes del generador de plasma, los electrodos, o más bien sus superficies expuestas al arco eléctrico, los "puntos de arco", son los que están expuestos al flujo térmico más extremo. El flujo térmico en estas zonas puede superar los 105 W/cm2 (vatios por centímetro cuadrado) y este ambiente derretirá o erosionará todos los metales conocidos. El enfriamiento de los componentes del plasma se logra típicamente mediante técnicas de enfriamiento encamisadas con agentes de intercambio térmico.
En el reactor de plasma descrito en la presente memoria, la fuente de alimentación, el control de la colocación del arco, la distancia entre los electrodos, el caudal de gas, entre otros factores, se controlan con alta precisión para garantizar el rendimiento. La fuente de alimentación está conectada a los electrodos y provee un voltaje de circuito abierto muy alto para hacer frente a picos de alto voltaje. La fuente de alimentación puede ser capaz de suministrar 500-1500 V (voltios) o un voltaje de funcionamiento típico más alto. La fuente de alimentación tiene un voltaje de circuito abierto que puede ser de 1,5 a 3,0 veces el voltaje de funcionamiento. Se ha descubierto que estos rangos de voltaje son óptimos para la fabricación de negro de humo a velocidades de flujo de gas de plasma específicas en combinación con velocidades de flujo de materia prima de hidrocarburos, un gas de plasma compuesto de más del 60 % de hidrógeno y una distancia de separación de entre 4 y 20 mm (milímetros).
Para la distancia de separación, el voltaje, los caudales de gas de plasma y el área de superficie de las puntas de los electrodos dados, una densidad de potencia óptima de la punta del electrodo es de 0,1 a 2 kW/cm2 (kilovatios por centímetro cuadrado). Por debajo de este rango, la potencia de salida sería demasiado baja para una producción eficiente de negro de humo y por encima de este rango, la antorcha se descompondría rápidamente, lo cual daría como resultado una producción ineficiente de negro de humo debido al desgaste de los electrodos.
El gas de plasma es el gas que ha pasado a través de la región de antorcha de plasma y puede haber interactuado lo suficiente como para considerarse en estado de plasma. El gas de plasma tal como se utiliza en la presente memoria puede significar el gas excitado y también puede significar cualquier gas que pase a través del área de antorcha de plasma y que podría haber sido inducido al estado de plasma, pero que por alguna razón no ha sido inducido.
Los componentes del gas de plasma para los reactores de plasma altamente eficientes descritos en la presente memoria están compuestos de al menos aproximadamente 60 % de hidrógeno hasta aproximadamente 100 % de hidrógeno y pueden comprender además hasta aproximadamente 30 % de nitrógeno, hasta aproximadamente 30 % de CO, hasta aproximadamente 30 % de CH4 , hasta aproximadamente un 10 % de HCN, hasta aproximadamente un 30 % de C2H2 , y hasta aproximadamente un 30 % de Ar. Además, el gas de plasma también puede estar compuesto de hidrocarburos aromáticos policíclicos como, por ejemplo, antraceno, naftaleno, coroneno, pireno, criseno, fluoreno y similares. Además, el gas de plasma puede contener benceno y tolueno o componentes de hidrocarburos monoaromáticos similares. Una composición más típica puede comprender 90 % o más de hidrógeno y 0,2 % de nitrógeno, 1,0 % de CO y 1,1 % de CH4 , 0,1 % de HCN, 0,1 % de C2H2 , o por ahí. El gas de plasma también puede comprender aproximadamente un 80 % de hidrógeno y el resto puede comprender alguna mezcla de los gases antes mencionados, hidrocarburos aromáticos policíclicos, hidrocarburos monoaromáticos y otros componentes.
El material de construcción de los electrodos debe tener una alta conductividad térmica superior a 100 W/m-K (vatios por metro kelvin) y una resistividad eléctrica inferior a 10e-2 ohm-m (metro). Los materiales que se ajustan a esta descripción incluyen grafito y carburo de silicio. El material debe ser resistente a la erosión química en una atmósfera de radicales libres de hidrógeno altamente reactivos. Por consiguiente, la antorcha de plasma de la presente invención comprende electrodos de grafito.
El uso de roscas cónicas para unir electrodos reduce la concentración de tensiones y se puede emplear el potencial de agrietamiento de los electrodos. Los estrechamientos preferibles comprenden aquellas con un ángulo de aproximadamente 1 en 3, aunque también se pueden usar estrechamientos hacia abajo desde aproximadamente 1 en 2 hasta aproximadamente 1 en 20. Para evitar que los electrodos se desenrosquen debido a la vibración, se puede perforar un orificio a través de la sección roscada y se puede insertar un pasador.
La distancia de separación ideal entre electrodos concéntricos es de aproximadamente 4 milímetros a aproximadamente 20 milímetros (mm) según el voltaje de funcionamiento, la corriente y el desgaste de los electrodos deseados. El tamaño del espacio puede cambiar el voltaje de funcionamiento desde aproximadamente 500 V hasta aproximadamente 1200 V. Un espacio de aproximadamente 8 milímetros a aproximadamente 14 milímetros es el tamaño de espacio preferido que provee un arco óptimo en este rango de voltaje con un desgaste mínimo del electrodo, una transferencia térmica óptima, un arco eléctrico mínimo no deseado y una explosión mínima debido al "despegue" del arco (pérdida de arco).
Además, la longitud del electrodo se puede controlar para controlar la distribución del calor en el electrodo. Un aumento en la longitud del electrodo para reducir las pérdidas en soportes enfriados por agua. Por ejemplo, un rango preferible de longitud para una antorcha de 750 kW es de entre aproximadamente 600 mm y aproximadamente 1500 mm, en
donde la longitud del electrodo de 1500 mm proveerá la distribución térmica más gradual. Las personas con experiencia en la técnica pueden darse cuenta fácilmente de que la longitud aumentada no sólo distribuirá el calor, sino que también proveerá más superficie para permitir la pérdida de calor por radiación y la pérdida de calor por convección del electrodo al gas que fluye dentro o alrededor del anillo. Por supuesto, esto se equilibrará con los requisitos de carga de peso para obtener una ventaja óptima tanto en la gestión del calor como en la integridad del electrodo (reducción de grietas, etc.).
Métodos adicionales para controlar u optimizar la carga de peso versus el estrés térmico es hacer anillos concéntricos a partir de electrodos cilíndricos con puntas en contacto que permiten el paso de la electricidad a través de tubos concéntricos que aún permiten un anillo entre el ánodo y el cátodo. Los electrodos en este tipo de realización también podrían ser de naturaleza rectangular con conexiones tipo ranura y lengüeta para permitir la conductividad eléctrica y el soporte de carga de peso.
Para abordar el agrietamiento por tensión térmica en electrodos cilíndricos huecos de diámetro muy grande, el uso de un diseño de duela de barril donde las secciones se mantienen juntas con características comúnmente empleadas en dicho diseño que permiten que diferentes secciones se flexionen según el gradiente térmico, o el uso de una pieza de material sólido que tiene ranuras axiales cortadas para aliviar el estrés térmico. Las ranuras axiales pueden denominarse diseño de duela de barril. En el diseño de duelas de barril, se necesitarían al menos 5 duelas o secciones para crear el anillo o barril concéntrico.
Otra alternativa sería el uso de piezas distintas para simular un cilindro, por ejemplo, un anillo de varillas sólidas. Esta configuración también posee ventajas en cuanto a disponibilidad de material y facilidad de reemplazo. Sin embargo, la presente invención se limita a antorchas de plasma con al menos un electrodo de grafito que tiene un diseño de duela de barril.
Alargar la vida útil de los electrodos depende en gran medida de la capacidad de minimizar el efecto térmico del arco eléctrico sobre los electrodos, así como de la protección adecuada de la superficie del electrodo contra el medio erosivo. Esto se puede lograr parcialmente aplicando un campo electromagnético para reducir los efectos de los puntos de arco moviendo los puntos de arco rápidamente sobre la superficie del electrodo, mediante lo cual se reduce la densidad del flujo térmico medio en las áreas de contacto entre los electrodos y el arco eléctrico. El campo magnético se provee mediante el uso de una bobina magnética anular ubicada fuera de los electrodos. El campo también puede proveerse mediante el uso de un imán permanente siempre que el campo esté orientado de tal manera que el arco gire alrededor del eje central de la antorcha, lo cual facilita la rotación del arco alrededor de dicho eje.
Además, el campo magnético empujará el plasma fuera de los límites del espacio inmediato entre los dos electrodos. Esto significa que el medio erosivo (H2 sobrecalentado y radical hidrógeno) se separará en gran medida del propio electrodo. En una realización, el método incluye el uso de una descarga de arco giratorio creada mediante la aplicación de un campo magnético a los electrodos, medido en el anillo en la punta de la antorcha, de aproximadamente 20 militesla (mT) a aproximadamente 100 militesla, medido en la dirección axial, en lo sucesivo denominado componente axial. Normalmente se puede utilizar un valor de aproximadamente 30 militesla a aproximadamente 50 militesla. El componente radial típico del campo magnético puede estar entre aproximadamente 3 y aproximadamente 15 mT.
Se pueden emplear una o más bobinas magnéticas para adaptar la forma del campo utilizado para manipular el comportamiento del arco. Por ejemplo, un diseño de bobina puede producir un campo magnético divergente con un componente radial de 6 mT y un componente axial de 40 mT en la punta de la antorcha. No es posible cambiar uno de ellos sin el otro usando una bobina; sin embargo, mediante el uso de varias bobinas, el arco se puede adaptar a un componente radial y axial específico. Esto puede reducir aún más el coste de capital de la bobina magnética y optimizar la forma del campo magnético para maximizar la vida útil del electrodo.
Como se ha descrito anteriormente, los electrodos pueden estar formados por porciones superior e inferior, en donde la porción inferior puede sustituirse de una manera extremadamente rápida con piezas de grafito de bajo coste. La definición de consumible en este contexto significa que se produce más de 1 tonelada de negro de humo pero menos de 100 toneladas de negro de humo por cada pulgada de erosión de grafito orientada axialmente. Además, se pueden conectar varios electrodos consumibles al electrodo superior, p. ej., 3 o 4 o más electrodos consumibles que se retiran o se permite que se consuman en el lugar durante los ciclos de producción de negro de humo. Esto permite un tiempo de inactividad limitado de la antorcha y provee un electrodo de sacrificio que es económico y se reemplaza rápidamente.
El uso de diferentes trayectorias de flujo de gas para afectar el enfriamiento de los electrodos y cambiar el perfil de flujo en la región del arco se muestra, por ejemplo, en la Figura 2. El gas puede pasar a través del anillo (trayectoria de flujo por defecto), a través de una trayectoria (201) interna que consiste en orificio(s) perforado(s) en el electrodo central, a través de la trayectoria hueca dentro del electrodo interno, o a través de una trayectoria (204) externa alrededor del electrodo externo (denominado gas protector). En la Figura 2, esta trayectoria exterior pasa a través de un anillo de orificios en el electrodo superior, pero esta entrada de flujo también podría ser una ranura anular. Las trayectorias de flujo interior y exterior ayudan a enfriar los electrodos y transferir más calor al gas. También permiten mayores caudales de gas que podrían "explotar" el arco si se dirigen completamente a través del anillo. Y la trayectoria de flujo exterior actúa como gas protector, ayudando a confinar la región de plasma y proteger el refractario
circundante. Una división de flujo típica podría ser aproximadamente un 50 % a través del anillo y aproximadamente un 25 % a través de cada una de las otras dos trayectorias. Cualquier combinación de divisiones de flujo podría usarse para lograr diferentes regímenes operativos y optimizarlos para diferentes objetivos (p. ej., reducir el desgaste, aumentar el voltaje operativo, etc.).
De mayor interés es la utilización de medios mecánicos para establecer contacto eléctrico entre los electrodos e iniciar un arco. Esto elimina la necesidad de un arrancador de alto voltaje y los equipos asociados y los riesgos de seguridad. Puede consistir en una varilla móvil hecha de un material conductor de electricidad como, por ejemplo, grafito o cobre, que tocaría los electrodos simultáneamente y, por consiguiente, permitiría que la corriente fluya antes de ser retirada. La varilla del arrancador podría ser un émbolo que entra a través del electrodo exterior y golpea el arco en el anillo o podría ser un brazo giratorio que golpea el arco en las puntas de los electrodos.
Como se describe en la presente memoria, el reactor se separa en dos secciones o zonas, una zona de plasma y una zona de reactor, teniendo lugar la inyección de gas natural u otra materia prima en el área intermedia. La garganta se utiliza no sólo para separar las dos regiones sino también para acelerar el gas de plasma de modo que pueda tener lugar una mezcla más intensa en una región más pequeña. Por tanto, la garganta se define como la sección más estrecha entre la zona de plasma y la zona del reactor. La longitud de la garganta puede ser de varios metros o tan pequeña como de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2 milímetros. El punto más estrecho de la garganta se define como el diámetro más estrecho de la garganta 20 %. Cualquier sección transversal que esté dentro de aproximadamente el 10 % de la sección transversal más estrecha se considera dentro del alcance de la garganta.
Los puntos de inyección preferibles en el reactor están a aproximadamente 5 diámetros en sentido ascendente de la garganta y aproximadamente 5 diámetros en sentido descendente de la garganta. Un diámetro se define como el diámetro de la garganta en el punto más estrecho de la garganta. Opcionalmente, la inyección puede ocurrir dentro de aproximadamente /- 2 diámetros o aproximadamente /- 1 diámetro de la garganta.
La materia prima de hidrocarburos aceptable incluye cualquier producto químico con fórmula CnHX o CnHXOy. Por ejemplo, se pueden utilizar hidrocarburos simples como, por ejemplo: metano, etano, propano, butano, etc. Materias primas aromáticas como, por ejemplo, benceno, tolueno, metilnaftaleno, aceite combustible de pirólisis, alquitrán de hulla, carbón, aceite pesado, aceite, bioaceite, biodiésel, otros hidrocarburos de origen biológico o similares. Asimismo, también se pueden utilizar materias primas de hidrocarburos insaturados como, por ejemplo: etileno, acetileno, butadieno, estireno y similares. Hidrocarburos oxigenados como, por ejemplo, etanol, metanol, propanol, fenol y similares también son materias primas aceptables. Estos ejemplos se proveen como ejemplos no limitantes de materias primas de hidrocarburos aceptables que además pueden combinarse y/o mezclarse con otros componentes aceptables para la fabricación. La materia prima de hidrocarburos a la que se hace referencia en la presente memoria significa que la mayoría de la materia prima es de naturaleza hidrocarbonada.
El alcance de la invención quedará definido por las reivindicaciones anexas.
Claims (13)
1. Una antorcha de plasma que comprende al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilindricos anidados uno dentro del otro y alineados coaxialmente, en donde al menos uno de los electrodos tiene una punta, en donde al menos uno de los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos tiene un diseño de duela de barril, y en donde la antorcha de plasma contiene además un componente generador de campo magnético capaz de proveer un campo magnético en la punta del electrodo con un componente axial de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 100 mT.
2. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, en donde los al menos dos electrodos de grafito cilíndricos incluyen un electrodo (108; 302) interno y un electrodo (107; 303) externo, y en donde el electrodo interno es un cilindro hueco o sólido.
3. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, en donde los al menos dos electrodos de grafito cilíndricos son concéntricos, y en donde un espacio entre los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) concéntricos de grafito cilíndricos no es inferior a aproximadamente 4 mm y no es superior a aproximadamente 20 mm.
4. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, que contiene además un anillo superior y un anillo (109) inferior entre los al menos dos electrodos de grafito cilíndricos, en donde el anillo superior es más ancho que el anillo (109) inferior.
5. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, que contiene además una fuente de alimentación capaz de suministrar un voltaje operativo de aproximadamente 300 a aproximadamente 1500 voltios (V) y un voltaje de circuito abierto de hasta aproximadamente 4500 V.
6. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, en donde los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos incluyen un electrodo (108; 302) interior y un electrodo (107; 303) exterior, y en donde un área de superficie de una punta del electrodo (107; 303) exterior es mayor que 2:3 pero menor que 4:1 en comparación con un área de superficie de una punta del electrodo (108; 302) interior.
7. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, que contiene ranuras axiales cortadas en al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos para proveer alivio del estrés térmico o para proveer craqueo térmico controlado.
8. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, en donde al menos uno de los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos comprende varillas cilíndricas que se aproximan a un cilindro hueco en la punta.
9. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, que incluye un anillo para un flujo de gas fuera o alrededor de un electrodo (107; 303) exterior entre los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos para actuar como gas protector.
10. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, que incluye al menos un canal para el flujo de gas de plasma a través de los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos, entre los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos, y/o fuera o alrededor de uno o más de los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos para actuar como gas protector.
11. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, en donde cada uno de los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos contiene un electrodo (104) superior y un electrodo (106) inferior, en donde el electrodo (106) inferior es consumible, y en donde los electrodos superior e inferior están conectados en una unión (105) de electrodos.
12. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, en donde los al menos dos electrodos (107, 108; 302, 303) de grafito cilíndricos tienen una conductividad térmica superior a 100 vatios por metro kelvin y una resistividad eléctrica inferior a 10e-2 ohm-metro.
13. La antorcha de plasma de la reivindicación 1, que está configurada para funcionar con una densidad de potencia en la punta de entre 0,1 y 2 kW/cm2.
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