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较轻质的液体和/或气态馏分的领域。通过使用注入到液态重油中的载气流以形成混合物，然后通过放电使混合物电离，本技术可用于将液态重油裂化为较轻质的烃馏分。该技术可以有效地应用于实现有效的重油转化。

在一个方面，提供了一种通过使用火花放电将液态烃材料裂化为轻质烃馏分的方法。该方法包括使液态烃材料流过放电室并进入放电室内的电极间间隙，其中电极间间隙形成在彼此隔开的两个或更多个电极之间。该方法进一步包括当载气进入电极间间隙时将载气注入到液态烃材料中，从而形成气-液烃混合物。电极包括一个或多个正电极和一个或多个负电极，负电极连接到电容器。电容器被充电至等于或大于电极间放电间隙中的载气的击穿电压的电压。当形成气-液烃混合物时，其在电极之间以足以实现火花放电的电压下经受电流。该方法还包括回收由于脉冲火花放电对气-液烃混合物的影响而产生的轻质烃馏分。

在某些实施方式中，在炼油厂中进行处理之前，可以使用等离子体放电来部分地对原油提质。等离子体放电可以在具有电阻器-电容器(RC)电路且火花间隙与电容器并联的设备中产生。在不同的版本中，使用的电源可以是电压源(图1a)或电流源(图1b)。下表1中提供了这些电路中使用的术语，下表2中提供了适用于恒定电压和恒定电流场景的电路方程。如本文中所使用的，术语“恒定电流”是指受控电流水平，使得电流由于一个或多个电路元件而被保持在基本恒定的水平或以其他方式在可变性方面相对受限。

表1

表2

为了便于进行对应于图3至图5的讨论，可以假设将电路元件保持恒定，即C＝200pF，R＝10MΩ，以及V_br＝20kV(设置间隙距离等)。另外，只要有可能(即，当V和I不变时)，可以认为平均功率被设置成是相等的。该情况也使两个电路的脉冲频率相等，因为两个电路的每脉冲能量相同(P_avg＝E_{per pulse}f_pulses)。

图3中针对两个脉冲示出了图1的电路的代表性时间响应。在这些示例中，恒定电压电路具有指数行为，其中随着电容器被充电，电流下降。恒定电流电路通过电阻的恒定压降，使对于彼此偏移的电容器和电源两者电压线性上升。在图3d和图3h中可见在每个部件上的瞬时功率，其中在放电事件期间存在不连续性。恒定电压电路的电阻器上功率降低，而电容器的行为更为复杂，首先增大随后减小。由于恒定电流和电容器上的线性功率下降，恒定电流电路在电阻器上具有恒定的瞬时功率。

代表性电路的效率可以在图4和图5可见，其中恒定电压电路的最大效率显示为50％。当电压恰好设置为击穿电压时，就会发生这种情况。这意味着输入到系统中的大部分能量(即50％或更多)将被电阻器消耗掉。然而，随着电流趋于零，恒定电流电路的最大效率显示为100％。仅当电阻上的电压下降最小化到基本上为零时(也可以通过R→0实现)，才能达到该效率。

从图5的表示中可见，脉冲频率与输入功率成比例。由于在恒定电流电路中电流和输入功率成比例，因此增大电流会导致功率成比例地增加。在恒定电压电路中，该行为不是线性的，而是对数的。

对于对应于图6的讨论，在保持其他电路元件恒定的同时改变电阻，即C＝200pF，V_br＝20kV以及P_avg＝12.43W。从电源输送的平均输入功率为与时间相关曲线图相同的平均输入功率(参见图3)，这两个电路的脉冲频率均为310.7Hz。因此，电源电压也会发生变化，以保持输入功率恒定。随着电阻的减小，效率接近最大效率，在恒定电压电路中仅为50％，而在恒定电流电路中为100％。

外部参数(例如，火花放电中的化学因素、气泡动力学等)会影响每脉冲的最佳能量、击穿电压和脉冲频率。这是因为在这些表示形式中，每脉冲能量仅取决于电容和击穿电压，这两者都会影响放电的性质并进而影响油中发生的化学反应。脉冲的频率可以部分地根据油的流速以及气泡动力学和其他因素设置，从而可以实现更均匀的油处理。通常，如果频率太低，则可能会处理较少的油，而频率太高可能意味着油可能会被过度处理且混合不好。

通过外部参数设置击穿电压、电容和频率，可以确定平均功率，该平均功率确定了电源所需的电压或电流。这留下电阻作为要为电路选择的参数。在代表性的恒定电压电路中，如脉冲频率对电阻值的依赖性所见，电阻的选择并不独立于电源电压的选择(参见例如图6)，但是在代表性的恒定电流电路中，电阻仅影响效率，因此电阻的选择与输送到火花间隙的功率无关。

实际电源并不完美，因为它们具有内部电阻和输出电容。然而，在各种实施方式中，系统一旦设计，就不会具有变化的功率，因此，可以进行设计以设置最佳条件，该最佳条件与理想电路的相差很小。此外，在各种实施方式中，可以使用具有非常低的输出电容的电压源来实现电流源，该电压源表现得更像电流源。

在各种实施例中，如以上分析所建议，电路的优选选择将是恒定电流电源，而不管等离子体条件的参数如何。在此类实施例中，选择恒定电流源可以实现这里考虑的两个选项中的最高效率。也就是说，虽然在上述表示中恒定电压系统的理论最大效率为50％，但恒定电流系统的效率却更高，理论上接近100％。对于电源的某些理想化电路分析可能会稍微降低效率，但是具有较高理论效率的恒定电流源可能会更可取。因此，在各种实施方式中，相对于恒定电压操作，当以恒定电流模式操作高压充电电容器火花间隙电路时，可以具有高电效率。

在某些实施例中，在标准可用线路功率(例如60Hz，120至480VAC)下操作的高压等离子体发生器可以实现例如70％或更高的效率。如下所述，在各种实施方式中，例如，可以使用由升压变压器供电的Cockcroft Walton发生器。

串联有镇流电阻器和电容器以及与电容器并联的火花间隙的RC充电电路可用于产生火花放电。由于以上提供的原因，当以恒定电流模式操作时，此类电路可能更有效。然而，该电路中的镇流电阻器可能是耗散元件，其功率损耗等于P_R＝I²R。因此，在一些实施方式中，在不降低镇流电阻(需要电源保护)的情况下提高该电路效率的唯一方法是让充电电流I(与脉冲频率成比例)变得非常小。同样，具有恒定电流设置的市售电源可能并未针对效率进行优化。

为了解决这些问题，在一些实施方式中，Cockcroft-Walton发生器(CWG)可以用作替代的高压DC火花电路。参照图7，该电路使用二极管和电容器的组合，以油转化所需的高电压(约30kV)将AC输入整流为DC输出。在一些版本中，该类型的单级电路(1级＝2个电容器和2个二极管)可以串联组装为较大的多级CWG，以便根据等式V_o＝N_stagesV_pp线性增加输出电压，其中V_pp是峰值到峰值AC输入电压，N_stages是级数，V_o是输出DC电压。由于CWG没有耗散元件，因此效率可以很高(理想情况下为100％)。主要功率损耗可能是由于非理想二极管的欧姆加热所致。在某些实施方式中，对于为此类电路供电所需的AC高压输入，可以使用直接连接到线路功率的升压变压器，该升压变压器也没有耗散元件，并且通常也非常有效。

在各种实施方式中，可以修改此类电路以便为多个火花间隙并联供电。此类实施方式对于要规模化扩大的应用可能是有利的。在某些情况下，将多个并联火花间隙连接到单个高压DC输出可能无法实现预期的操作，因为功率输出可能不会在多个间隙之间均匀分布，从而有可能唯一地在单个间隙上产生火花。然而，在某些实施方式中，包括由例如单个AC输入供电的多个Cockcroft-Walton子电路的电路(如图8所示)可用于规模化扩大到大量由CWG供电的火花间隙，其中升压变压器被配置为提供足够的功率。

现在将提供对应于四个平行的单级CWG供电火花间隙的效率分析，以说明潜在的效率增益。具体地，将讨论图8所示电路的电效率，其中用单个120VAC至12kVAC变压器为四个独立的Cockcroft-Walton发生器火花间隙子电路(T+4CWG)供电。虽然下面的效率分析适用于向任何类型的介质中输出基于等离子体的功率，但使用空气中的火花间隙进行了实验，其中使用在油-气混合物上火花间隙的预期应用。因此，图8、图14、图17和图19中的成对的箭头(→←)应当解释为一般情况：非特定介质上的火花间隙。本节中给出的实验数据的主要自变量是火花间隙间距。使用物理垫片手动调整每个火花间隙，以使所有四个火花在测量前尽可能相似。测试了2.7mm、3.2mm、4.6mm和5.0mm的间隙间距。在图8中，最右边的CWG子电路包括围绕火花间隙的附加电路。这是一种按脉冲充电的装置，旨在计算每脉冲能量和平均功率输出。在测量之间将该装置移至其他三个火花间隙中的每个火花间隙，每个任务产生四个相似的数据集。由于针对四个平行火花间隙测试了四个不同的间隙间距，因此收集并分析了总共十六个数据集(参见表3)。

效率计算的示例性方法取决于在放电事件期间施加在等离子体中的平均能量的量化。为此，开发了一种电气诊断方法来测量每个火花移动的电荷总量，如图8所示，该子电路附接到最右边的火花间隙。根据每脉冲电荷，可以计算每脉冲能量。通过在火花事件发生之前和之后立即记录V_Q的值(如图7中定义)来进行计算每脉冲能量的该过程：ΔV_Q＝V_Q,after–V_Q,before。然后可以通过E_pulse＝1/2·C_Q·ΔV_Q·V_b来计算每脉冲能量，其中V_b是通过获得击穿之前的V_g值(如图7中定义)来测量的。在一秒钟的测量间隔内针对每个火花事件重复此过程，并计算出平均E_pulse。图9提供了针对单个数据集的作为V_b的函数的E_pulse的曲线图，其与二次函数E_pulse＝1/2·C_equiv·V_b ²(使用C_equiv作为最小二乘拟合参数)非常好地拟合。在该实验中，发现C_equiv在所有数据集上的平均值为240pF，这与单个CWG中的两个C1电容器针对单个火花事件并行加和的情况相当，C_equiv≈C₁+C₁＝220pF。然后可以通过P_out＝E_pulse·f_avg计算平均输出等离子体功率P_out，其中f_avg是测量间隔内的平均火花频率。

还与上述计算的P_out测量值一起测量了P_w、P_probe1和P_RQ的平均值，以便确定效率。P_w是通过手动观察Kill-A-Watt壁式功率计来测量的，而P_probe1和P_RQ是通过P_R＝<V²/R>确定的。如图10所示，在获取用于每脉冲能量分析的电压数据之前，首先测量了不同负载的P_w(通过改变并行运行的CWG子电路的数量N_CWG)。从该图可以看出，函数P_w＝f(N_CWG)在每种情况下都具有很强的线性度，平均截距为P_w＝f(N_CWG＝0)＝约19.0W，平均斜率为dP_w/dN_CWG＝约2.5W/#。假设该关系保持线性，则当为更多的CWG设置并行供电时，变压器将变得更加高效。虽然这对于低功率应用(例如P_w<50W)可能并不经济，但该电路设计的示例性实施方式对于规模化扩大的高功率版本的反应器(例如P_w为约900W)可能非常有用。上述假设还意味着，每个CWG设置会从变压器接收等于dP_w/dN_CWG的平均输入功率，这是通过对图11中所示数据进行线性回归得出的。

使用上述数据，可以将完整设置的差分效率定义和计算为η_total,diff＝(P_out+P_probe1)/(dP_w/dN_CWG)，如表3所列和图12中所绘。通常，CWG可能非常有效，仅由于非理想二极管的电阻而损失功率。此处讨论的实验已证明，η_total,diff＝约68％，对于较高的击穿电压(较大的间隙间距)，效率会略有下降，这是由于通过电晕放电到周围空气的漏电流增加而引起的(该问题可通过例如灌封电路、最小化裸露的金属等来解决)。

量化该设置的总差分效率的替代方法是绘制总输出功率(P_out+P_probe1+P_RQ)作为输入壁式功率的函数，如图13所示。可以预期，该曲线图是强线性的。所得拟合线的斜率dP_out,tot/dP_w等于整个设置的差分效率，发现其为64.9％。该值与通过(P_out+P_probe1)/(dP_w/N_CWG)得出的总差分效率值非常吻合，如下表3(提供了表列的实验结果)和图13所示。

表3

现在将提供对全波CWG供电的火花间隙的示例性效率分析。为了确定效率，使用全波单级Cockcroft-Walton发生器(参见图14)进行了类似的功率和每脉冲能量测量。该示例性电路包括两个连接的Cockcroft-Walton子电路，这些子电路由来自同一变压器的相反极性输入供电，从而允许整个AC循环有助于电容器充电。这些结果(图15和图16)与图9和图13中详述的半波电路结果直接相当，表明全波电路(图14)和半波电路之间的差分效率差异很小(<5％)。

在替代图8和图14所示配置的示例性配置中，所公开的生成用于烃转化的高压脉冲的技术涵盖T+CWG电路的所有变型，例如图17和图18所示的那些。主要设计参数包括：(1)与单个变压器并联运行的CWG供电的火花间隙的数量；每个CWG中存在的级数(2个电容器+2个二极管)(V_DC＝N_stagesV_pp)；以及(3)全波或半波配置。在各种实施方式中，可以使用以上参数的任何组合和变型。

为了产生成本有效的烃转化方法，需要有效的电气电路。此类电路优选地损失最小的输入能量，例如热量(耗散损耗)或不想要的电荷泄漏(电荷转移损耗)，从而通过化学过程将其大部分能量施加在两个放电电极之间的材料上。例如，在烃转化的情况下，该材料可以是重质烃和所选择的氢供体气体(例如，H₂、CH₄)的两相组合。在各种实施例中，为了靶向特定化学反应，其将以最小的烟灰产生实现期望的转化，使用相对较小的脉冲能量(约30mJ或更小)。在各种实施方式中，电路还可以相对紧凑以易于实施到完整的反应器系统中，并且可以具有自重复设计以帮助扩大反应器。关于效率，在一些实施方式中，当提高电路的电效率时，可以预期收益递减效应。例如，效率从30％增加到50％可能比从70％增加到90％对烃转化过程的成本效益的贡献更大。对于此处讨论的某些实施方式而言，可以假定约60％或更高的电路效率将是合适的。

返回图1，可以用于该应用的电路的基本示例是简单的RC电路，该电路使用电压控制(a)或电流控制(b)的DC电源对单个高压电容器进行充电，直到电容器的电压超过火花间隙的电流击穿电压为止，此时将发生火花事件并使电容器均衡。镇流电阻器通常与DC电源串联在一起，以减轻火花引起的损坏。该电路的计算模型表明，即使在使用小的镇流电阻和最小的过电压的限制下(V_overvoltage＝V_s–V_b，其中V_s是恒定的电源电压，而V_b是击穿电压)，使用电压控制的电源，当改变RC电路时可达到的最大能量效率为50％。然而，在各种实施方式中，在小充电电流(或小输入功率)和小镇流电阻的限制下，使用电流控制的电源能够有接近100％的能量效率(参见图5)。对于非理想的RC火花放电电路(图2)，该结果也成立。

在一些实施方式中，以效率最大化的这些极限参数运行的RC电路在实际应用中并不可行，因为脉冲频率与充电电流成正比(根据其I_s是设定的充电电流和并且C₁是充电电容)。而且，市售的高压电流控制的电源通常没有针对效率进行优化。然而，该结果对于所有可能的高效电路设计都具有重要意义，这些设计通过释放电容器中存储的能量进行工作。通常，潜在复杂的火花放电电路可以被视为具有一些等效电容，等效电容为每个火花事件提供能量，以及一些等效电阻，等效电阻会导致耗散损耗。因此，基于上述计算模型的结果，任何火花放电电路的电流控制版本在本质上都比其电压控制版本更高效。这也适用于功率限制电路，当电压控制的电路达到其功率极限时，功率限制电路近似于电流限制电路。

接近各种应用要求的示例性电路配置是上面讨论的CWG。该电路使用“梯形”高压二极管和电容器对AV输入进行整流，以产生可以直接连接到火花间隙的高压DC输出(图7)。在这种情况下，该整流电路中的电容器构成了在具有能量E_spark的火花事件期间放电的总电容C_equiv，根据其中V_b是击穿电压(等于紧接在火花事件之前存储在总整流子电路上的电压)。在理想情况下，该电路中的二极管和电容器的耗散损耗为零(通过欧姆加热)，因此效率可达到100％。同样，在各种应用中，对于CWG，最大可能的脉冲频率等于AC输入的驱动频率(例如，在使用线路输入情况下为60Hz)。当电路在该频率下以的每脉冲平均能量火花放电时，其平均输出功率根据P_out＝E_pulsef来限制。因此，CWG电路受益于电流控制和功率限制的火花放电电路的上述优点。本公开中提供的实验证据支持该权利要求，表明此类CWG火花放电电路的差分效率大于50％，这在电压控制的系统中是不可能的。在一些实施方式中，根据以下关系式V_out＝N_stagesV_pp,in，可以将多个单级CWG并联组合，以进一步增加所得到的多级梯的最终DC输出电压V_out，其中N_stages是级数，并且V_pp,in是AC输入的峰值到峰值值电压。例如，以10kVAC(20千伏峰值到峰值)输入电压工作的理想两级CWG将产生40千伏直流输出电压。

尽管在某些实施方式中，Cockcroft-Walton梯可能由标准线路输入(例如120VAC)供电，但整流该输入所需的CWG级数达到烃转化所需的高DC电压(约30kV)会比较大。例如，将120VAC转换为30kVDC将需要125级(N_stages＝V_out/V_pp,in)，不考虑损耗或电压下降。为了解决这个问题，在各种实施方式中，可以使用升压变压器。通常，升压变压器可以从AC输入中以高效率产生较高电压(可能为千伏)的AC输出(也是由于缺少表现出欧姆加热的元件)。通过使用来自变压器的该输出千伏交流电压作为CWG梯(T+CWG)的输入，与直接线路输入相比，使用明显更少的CWG级可以达到约30千伏直流，同时仍保持高效率。该概念暗示了具有各种不同变压器匝数比和CWG级数的可能T+CWG配置的参数空间。同样，值得注意的是，可按该方式使用的Cockcroft-Walton发生器的替代的全波配置(图14)，其中正极性和负极性峰值均有助于电荷转移，但需要变压器具有相反极性的双路输出。

在各种实施例中，为单个火花间隙供电的单个升压变压器和单个CWG梯的T+CWG配置暗示了使用单个T+CWG电路为多个火花间隙供电的规模化扩大的可能性。然而，仅将单个CWG连接到多个火花间隙将无法在各种应用中实现预期的效果；此类系统将仅以最低的击穿电压在整个火花间隙上产生火花。在某些实施方式中，解决该问题的T+CWG电路的配置包括为多个CWG梯(每个火花间隙1个CWG梯)供电的单个升压变压器。该配置(T+NCWG)中的每个CWG都提供独立的高压DC输出，而无需其自己的专用变压器，并且能够为单个火花间隙供电，而不受同一电路上其他火花间隙的击穿电压的影响。通常，升压变压器在接近其功率极限时会更有效地工作，因此，相对高功率的变压器(例如约1kW)可以潜在地与线路输入功率并行地为数百个CWG火花间隙供电(每个火花间隙约2W)。此外，在各种版本中，也可以使用三相线路输入为该电路供电(先前的讨论集中在单相线路输入上)。通过使用三相输入，可以使用上述电路设计创建一个三变压器系统，其中一个变压器连接到三相输入的每相，从而导致三个T+NCWG电路以三分之一周期的相位延迟同时运行。同样，在某些实施方式中，由于CWG梯的相对简单性和紧凑性(2个电容器和2个二极管，可能装配在1.5”×2.5”×0.5”的边界体积之内)，整个电路可以在完整的反应器系统中容易地实现并且可以容易地规模化(每个火花间隙一个CWG梯)。

T+NCWG电路提供了火花放电电路的各种可能的实施例，非常适合烃转化中的不同应用(效率、紧凑性、易扩展性、低脉冲能量、>30千伏直流输出电压、电流控制)。然而，在各种替代实施方式中，如本文所公开的，可以使用其他电路设计。

应注意，低输出电容是所公开方法的示例性实施例的重要特征。典型的高压电源具有相对较高的输出电容(例如约1nF)，以减少纹波。然而，对于各种化学处理实施方式，纳法拉输出电容可能过高，这可能对电路纹波不敏感。在使用脉冲放电进行处理的特定应用中，电容至关重要。电容线性地影响每脉冲能量，并且高电压下较低的每脉冲能量对于等离子体化学过程是有利的。因此，在某些实施方式中，应将电路的总电容(取决于电源的总输出电容)最小化。例如，在击穿电压为20kV的间隙中，电容为100pF的电路产生的火花放电将具有20mJ的脉冲能量。对于某些应用来说，这可能就足够了，但是理论上，通过减小电容，每脉冲能量仍然可以进一步降低。这通常是通过选择具有较小电容的市售高压电容器来完成的，但是也有可能构造利用杂散电容的该电路的实施例(CWG或其他方式)，针对这种规模的电路，该杂散电容通常为数十皮法的数量级。

在示例性版本中，以上讨论的示例性电路可以在脉冲等离子体系统(例如，纳秒持续时间的火花放电)中用于处理原油。电路对电容器进行充电，然后通过火花间隙将存储的电能释放到原油中，同时气体鼓泡通入电容器。火花破坏了原油中的某些键合，使一些长碳链变短。所公开的方法可以用作原油的部分提质剂(即，它可以用于开始加工原油并将其转化成其他有用的产品例如汽油的过程)。该设备可以例如用于降低原油的粘度，这使其更易于流动。结果，将油放入管道并进行运输所需的稀释剂较少或可能不需要稀释剂，这将降低原油成本。

尽管本公开内容集中于烃及其混合物的转化，但是所公开的方法也适用于其他化合物的处理。在各种实施方式中，公开的系统和方法可以应用于其他混合物和化合物的处理，以例如对水和/或食物进行去污。

术语待处理的烃材料或混合物可以指在大气条件下为流体的那些烃化合物及其混合物。液态烃材料可以是任选地具有悬浮在其中的固体的液体。液态烃材料可以包含其他常规添加剂，包括但不限于流动改进剂、抗静电剂、抗氧化剂、蜡防沉剂、腐蚀抑制剂、无灰清净剂、抗爆剂、点火改进剂、除雾剂、除臭剂、管道减阻剂、润滑剂、十六烷值改进剂、火花助剂、阀座防护化合物、合成或矿物油载液和消泡剂。示例性的液态烃材料包括但不限于矿物油；石油产品，例如原油、汽油、煤油和燃料油；直链和支链石蜡烃；环烷烃；单烯烃；二烯烃；烯烃；以及芳族烃，例如苯、甲苯和二甲苯。

在液态烃材料包括原油的情况下，原油可以包含广泛范围的分子量和形式的烃。例如，烃可包括但不限于链烷烃、芳族化合物、环烷、环烷烃、烯烃、二烯和炔烃。烃的特征可以是碳原子总数(C)和/或碳原子之间单键(C-C)、双键(C＝C)或三键(C≡C)的数量。由于原油中存在各种化合物，因此它是非常适合上述方法的原料。其可用于容易地生成轻质馏分，例如汽油和煤油，或重质馏分，例如柴油和燃料油。通过使用本技术的方法，可以将原油中的数百种不同的烃分子转化成可以用作燃料、润滑剂和其他石化工艺中的原料的组分。

在不受理论束缚的情况下，在以上任何过程或实施例中，可以将具有高碳含量的液态烃材料裂解成具有较低碳含量的分子，以形成平均而言要比原料中的较重液态烃材料更轻的烃馏分(就分子量和沸点而言)。同样，在不受理论束缚的情况下，认为重分子的分裂是通过切断C-C键而发生的。对于这些分子，打破C-C键所需的能量为约261.9kJ/mol。该能量明显小于破坏C-H键所需的能量(364.5kJ/mol)。

烃的自由基吸引氢原子。载气因此可以在该过程中提供以用作氢原子源。合适的载气可以包括但不限于含氢原子的气体。示例性载气可以包括但不限于氢气、甲烷、天然气和其他气态烃。在以上任何实施例中，可以采用此类示例性载气的混合物。

在该过程将不断进行的情况下，该方法的各个阶段或步骤可以同时发生或依次发生，使得随着产物烃馏分从该室中排出，液态烃材料被不断地进料到放电室中。

如上所述，示例性过程可以包括在电极间放电间隙中将火花放电等离子体生成为气体射流。载气的击穿电压将小于液体的击穿电压，因此，可以在相同的电压水平下使用气体射流来产生更长的放电间隙。通过增大电极间放电间隙，与此同时减少该过程对电极的腐蚀作用，会增加等离子体放电和处理过的液态烃材料之间的直接接触面积。在不期望受任何特定理论的束缚的情况下，认为在放电等离子体与电极间放电间隙中的液态烃材料接触时，液态烃材料可以迅速加热并蒸发以形成蒸气。因此，液态烃材料的分子可以与载气分子和其中形成的等离子体的颗粒混合。等离子体电子可以与烃分子碰撞，从而将其分解为具有一个不饱和键的较小分子，并且基本上是自由基，即具有自由键的分子的片段。自由基还可以由于快速移动的电子与在电极之间建立的等离子通道周围形成的液壁的直接相互作用而产生。

如上所述，本领域已知的各种载气可用于本技术的方法和设备中。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。在一些实施例中，载气是含氢气体，例如但不限于水、蒸汽、纯氢、甲烷、天然气或其他气态烃。任何两种或更多种此类含氢气体的混合物可以用于任何所述的实施例中。此外，非含氢气体，例如氦气、氖气、氩气和氙气，可以用作任何含氢气体的稀释气体，或者其可以与液态烃材料一起使用，从而使自由基能够彼此终止而不是由载气中的氢原子终止。从形成一个游离氢原子的能量成本的角度来看，为了选择合适的载气，可以比较各种载气或含氢气体的离解能。因此，例如，破坏H₂分子中氢原子之间的键合可能需要约432kJ/mol。对于水蒸气，释放氢原子所需的能量为约495kJ/mol，而对于从诸如甲烷的烃分子中除去氢原子，则需要约364.5kJ/mol。

根据一些实施例，载气是甲烷。甲烷或天然气的使用，不仅在破坏键合所需的能量方面是有益的，而且由于其相对较低的成本，因此是有益的。通过使用甲烷，确保C-H键断裂以产生氢自由基和甲基自由基，在终止步骤中，氢自由基和甲基自由基均可与较大的烃自由基结合。在一些实施例中，载气是甲烷或甲烷与诸如氦气、氩气、氖气或氙气之类的惰性气体的混合物。

各种类型的放电可用于在气体射流中产生等离子体。这些放电可以是连续模式，也可以是脉冲模式。例如，在一些实施例中，使用连续放电是有效的，例如电弧放电或辉光放电。然而，由于通过连续电流加热气态介质可能导致放电室内的温度不期望地升高，因此限制了使用这种类型的放电来裂解重质烃。温度的这种升高可能导致焦化和烟尘产生增加。此外，在使用连续放电的情况下，烃馏分产物可以连续暴露于放电直到它们从等离子体中出来。相比之下，出于从重油馏分生产轻质烃馏分的目的，可能需要使用脉冲放电，特别是脉冲火花放电，因为脉冲之间的间隔可以允许自由基的终止并为产物轻质烃离开等离子体留出时间。

在另一方面，提供了一种用于将液态烃介质转化为烃馏分产物的设备。该设备可以包括放电室，该放电室用于容纳元件以提供用于引起转化的火花放电。放电室以及由此该设备包括被配置为将液态烃材料输送到放电室的入口、被配置为从放电室输送烃馏分产物的出口、具有第一端和第二端的负电极，以及具有第一端和第二端的正电极。在放电室中，负电极的第一端可以与正电极的第一端隔开一定距离，该距离限定了电极间放电间隙。为了提供混合液态烃材料与载气的方式，如上所述，放电室还可以包括气体射流，该气体射流被配置为将载气从近侧引入放电间隙。换言之，载气可以在注入放电间隙时或之前注入到液态烃材料中。负电极的第二端和正电极的第二端可以连接到电容器，并且可以提供电源并将其配置为在电极间放电间隙中产生火花放电。

在放电室中，当施加到电极上的电压(V)等于或大于电极间间隙的击穿电压(V_b)时，可以在电极间放电间隙中形成火花放电。火花放电可以由自由电子引发，自由电子通常通过场发射或其他电子发射过程出现在正电极上。自由电子可以被加速进入跨越间隙的电场，并且当间隙中的气体被电离时可以产生火花等离子体通道。在形成火花放电通道之后，放电电流可以流过等离子体。等离子体通道内的电压(V_d)可以低于击穿电压(V_b)。如果电源足以使放电通道中的电流以连续模式流动，则可以产生电弧放电。等离子体的加热也可以发生在火花放电中。然而，温度不仅可以通过调节放电电流的强度来控制，而且也可以通过控制放电的持续时间来控制。在某些实施例中，由于气体中产生的等离子体通道，气体温度可以达到数千摄氏度。

可替代地，可以使用不同的功率方案来产生火花放电。在一些实施例中，可以使用各种不同的脉冲发生器来点燃火花放电。例如，可以使用在负载下使预充电存储电容器放电的电路。负载处的脉冲电压参数由存储容量以及整个放电电路的参数确定。能量损耗将取决于放电电路的特性，特别是开关损耗。

在本技术的一些实施例中，火花开关可以直接用作负载，即等离子体反应器，从而减少放电电路中的能量损耗。此外，可以以最小的电感将存储电容器并联连接到电路上的火花间隙。当存储电容器上的电压达到击穿电压时，可能会发生间隙的击穿，并且在电容器放电期间可能会发生输入等离子体火花的能量。因此，电路中的能量损耗较低。

根据各种实施例，正电极和负电极可以成形为扁平电极，可以是片、叶片或扁平端子，和/或是管状电极(即空心的)。空心的电极是中空电极，通过其可以将载气在电极间间隙处注入液态烃材料中。因此，空心的电极可以用作载气的导管。在负电极是空心的情况下，管道的通道在管的开口处可以具有一定曲率半径。放电电极的高度或长度通常从作为连接点的底部到顶部进行测量。在一些实施例中，曲率半径与阴极的高度或长度的比率可以大于大约10。

如上所述，电极间放电间隙，即电极之间的距离，影响方法的效率。电极间放电间隙是能够基于例如馈送到放电室的特定烃材料、注入的载气以及所施加的电压和/或电流进行优化的特征。然而，可以提出电极间放电间隙的一些范围。例如，在以上任何实施例中，电极间放电间隙可以为大约1-3毫米至大约100毫米。这可以包括约3至约20毫米的电极间放电间隙，通过使用30至50kV的工作电压，最佳间隙长度可以为8至12毫米。负电极和正电极两者都可以伸入放电室中。

如上所述，可以将存储电容器充电至等于或大于载气的击穿电压的电压，从而产生火花放电。在一些实施例中，放电发生在正电极与邻近正电极的第一端的载气之间。在一些实施例中，放电是连续的。在其他实施例中，放电是脉冲的。在一些实施例中，放电速率由存储电容器的充电电路中的电阻值来调节。

电源可以连接到整个系统，以提供驱动放电所需的能量输入。在一些实施例中，可以在本文描述的装置中使用具有15至25kV的工作电压的DC电源。电源可以取决于用于处理烃液体的间隙的数量，取决于其长度、脉冲重复频率、通过反应器的液体流速、通过每个间隙的气体流速等。使用12个间隙的设备示例可以包括利用3.5mm长度的放电间隙的反应器、容量为100pF的电容器、18kV的工作电压和5Hz的脉冲重复频率。消耗的电源范围可以为1到2瓦，而等离子体可以直接在放电中吸收约0.97瓦的功率。剩余的能量可以消散在充电系统电容器中。

通过参考以下示例，可以更好地理解以上整体上描述的设备和方法的实施例，这些示例并不旨在以任何方式限制上述设备或方法。

示例

示例1：T+4CWG：升压变压器(P_max＝900W)为四(4)个具有相似击穿电压的空气间隙上并联的四(4)个半波CWG供电。

为了证明上述T+CWG设置能够有效地为单个线路输入的多个火花间隙供电的能力，构造了图8所示的电路，并使用脉冲能量测量诊断方法对其进行了评估，以便计算效率。通过使用图8的第四火花间隙上所示的子电路量化在单个火花事件期间传输的电荷，可以针对各个火花事件估计脉冲能量。该方法用于生成脉冲能量和频率统计数据(图12)，从中计算出平均能量输出。考虑到诊断设备(高压探头、电荷测量子电路)的功率计算以及变压器输出的差分功率(其中P_w是输入壁式功率且N_CWG是并联工作的CWG火花放电电路的数量)，图5电路的差分效率值定义为其中P_out＝E_pulse,avgf_avg，以及这些结果列于表3中，并绘制在图12中。发现平均差分效率差值η_A＝68.3％。该电路的另一种差分效率定义为代表针对输入功率的增量增加可用输出功率的增量增加。前述数据(在表3中详细列出)足以用于绘制作为P_W的函数P_out+P_probe+P_RQ的曲线图，如图13所示。该图是强线性的，可以通过线性回归找到该数据的平均斜率来计算η_B。这样得出的差分效率值为η_B＝64.9％，与考虑实验不确定性时的计算结果η_A非常吻合。基于这些效率计算，可以合理地得出以下结论：该电路满足上述要求，并且如果以上述方式应用于氢转化，将是足够的。

示例2：T+CWG(FW)：在空气间隙上为全波CWG供电的升压变压器(P_max＝900W)。

与示例1中详述的实验相似，对单个全波CWG火花间隙系统在空气中进行了效率分析，以比较全波和半波T+CWG方案之间的效率。通过使用差分效率定义该分析的结果(图15和图16)可与图9和图13中详细描述的半波电路结果直接相当；对于全波T+CWG情况，计算得出差分效率η_B＝70.9％。该结果表明，全波电路(图14)和半波电路之间的差分效率差异很小(<5％)。

通过以下实施例来进一步限定本发明：

实施例A.一种设备，包含：油处理反应器，其用于接收气体和液体的两相混合物，其中所述混合物包括要转化的烃；多电极火花放电电路，其用于进行烃转化，所述火花放电电路具有两个或更多个火花间隙电极，所述两个或更多个火花间隙电极在所述油处理反应器中暴露于所述两相混合物；以及至少一个高压整流器电路，其可操作地耦合到所述火花放电电路；其中所述设备被配置为在跨电极产生放电火花时向所述火花放电电路提供功率控制的输入。

实施例B.根据实施例A所述的设备，其中所述整流器电路被配置为从较低电压的AC输入生成较高的DC电压。

实施例C.根据实施例A或B所述的设备，其中所述整流器电路包括至少一个Cockcroft-Walton发生器(CWG)。

实施例D.根据实施例A至C中任一项所述的设备，其中所述整流器电路与升压变压器并联运行。

实施例E.根据实施例A至D中任一项所述的设备，其中所述线路输入是120VAC60Hz输入和240VAC 60Hz输入中的至少一者。

实施例F.根据实施例A至E中任一项所述的设备，其中单个升压变压器为多个火花间隙并联供电。

实施例G.根据实施例A至F中任一项所述的设备，所述设备具有多个变压器和多个火花间隙，其中每个火花间隙具有一个变压器，并且每个火花间隙电路被完全电隔离。

实施例H.根据实施例A至G中任一项所述的设备，其中所述整流器电路包括CWG，并且其中所述升压变压器连接到多相线路输入，以便分离不同相的输入AC电压，并且将一个或多个完整的CWG变压器设置附接到每个输入。

实施例I.根据实施例A至H中任一项所述的设备，其中所述整流器电路包括半波单级CWG。

实施例J.根据实施例A至I中任一项所述的设备，其中所述整流器电路包括多级CWG。

实施例K.根据实施例A至J中任一项所述的设备，其中所述整流器电路包括全波CWG。

实施例L.根据实施例A至K中任一项所述的设备，其中所述整流器电路中的至少一个电容器的电容影响用于放电火花的每脉冲能量。

实施例M.根据实施例A至L中任一项所述的设备，其中所述整流器电路与第一电源和第二电源并联地操作，所述第二电源与所述第一电源相结合地操作，其中所述第一电源将标准AC线路输入转换为低压DC输出，并且其中所述第二电源以任何频率将低压DC输入转换为高压AC输出。

实施例N.根据实施例A至M中任一项所述的设备，其中所述整流器电路被配置为具有范围为1pF至1nF的输出电容，从而潜在地利用所述电路的任何固有杂散电容。

实施例O.根据实施例A至N中任一项所述的设备，所述设备被配置为产生范围为3kV至50kV的电压。

实施例P.一种设备，包含：处理反应器，其用于接收待处理混合物；至少一个多电极火花放电电路，所述至少一个火花放电电路通过将两个火花间隙电极暴露于所述混合物而在所述处理反应器中实现；以及至少一个高压发生器，其可操作地耦合到所述至少一个火花放电电路，所述发生器被配置为在跨电极产生放电火花时向所述至少一个火花放电电路提供电流控制的输入。

实施例Q.根据实施例P所述的设备，其中所述发生器是可操作地耦合到所述火花放电电路的Cockcroft-Walton发生器(CWG)，所述CWG被配置为与升压变压器并联运行。

实施例R.根据实施例P或Q所述的设备，其被配置用于对食物和水中的至少一者进行去污。

实施例S.一种烃转化设备，包含：放电室，其具有两个或更多个被间隙隔开的电极；放电电路，其被配置为在所述电极之间产生放电；入口，其用于将烃材料输送到所述放电室，从而使得所述烃材料到达所述电极之间的所述间隙；出口，其用于从所述放电室输送烃馏分，当所述烃材料位于所述间隙中时，所述烃馏分在跨所述电极放电之后形成；以及电压倍增器，其被配置为在通过所述电极向所述烃材料施加电脉冲时向所述放电电路提供电流控制的输入。

实施例T.根据实施例S所述的设备，其中所述电压倍增器是Cockcroft-Walton发生器。

实施例U.根据实施例S或T所述的设备，其中所述Cockcroft-Walton发生器是单级Cockcroft-Walton发生器。

实施例V.根据实施例S至U中任一项所述的设备，其中所述Cockcroft-Walton发生器是多级Cockcroft-Walton发生器。

实施例W.根据实施例S至V中任一项所述的设备，其中所述Cockcroft-Walton发生器是半波Cockcroft-Walton发生器。

实施例X.根据实施例S至W中任一项所述的设备，其中所述Cockcroft-Walton发生器是全波Cockcroft-Walton发生器。

实施例Y.根据实施例S至X中任一项所述的设备，其中所述Cockcroft-Walton发生器被配置为产生用于烃转化的高压电容器放电脉冲。

实施例Z.根据实施例S至Y中任一项所述的设备，进一步包括升压变压器。

实施例AA.根据实施例S至Z中任一项所述的设备，其中使用高压AC电源为所述设备供电。

实施例BB.根据实施例S至AA中任一项所述的设备，其中所述电压倍增器是第一电压倍增器，并且其中所述设备进一步包括第二电压倍增器，所述第二电压倍增器被配置为与所述第一电压倍增器并联地操作。

实施例CC.根据实施例S至BB中任一项所述的设备，进一步包括升压变压器，所述升压变压器可操作地耦合到所述第一电压倍增器和所述第二电压倍增器，其中所述第一电压倍增器和所述第二电压倍增器可操作地耦合到单个升压变压器。

实施例DD.根据实施例S至CC中任一项所述的设备，其中使用直接线路功率输入为所述设备供电。

实施例EE.一种烃转化设备，包含：a.放电室；b.入口，其用于将烃材料输送到所述放电室；c.出口，其用于从所述放电室输送烃馏分；以及d.并联运行的多个电压倍增器，其中所述多个电压倍增器被配置为向所述放电室中的所述烃材料施加电脉冲以进行烃转换，其中所述电脉冲通过提供有电流控制的输入的放电电路施加。

实施例FF.根据实施例EE所述的设备，其中所述多个电压倍增器是Cockcroft-Walton发生器。

实施例GG.根据实施例EE或FF所述的设备，其中所述多个电压倍增器与单个升压变压器并联运行。

实施例HH.一种烃转化方法，包含：a.通过入口将烃材料输送到放电室；b.使用一个或多个Cockcroft-Walton发生器向所述放电室中的所述烃材料施加高压电容器放电电脉冲以进行烃转换，其中所述脉冲是通过提供有电流控制的输入的两电极火花放电电路施加的；以及c.通过出口从所述放电室输送烃馏分。

实施例II.根据实施例HH所述的方法，其中使用所述一个或多个Cockcroft-Walton发生器包含使用并联运行的多个电压倍增器。

实施例JJ.根据实施例HH或II所述的方法，其中所述Cockcroft-Walton发生器是由使用直接线路功率输入的升压变压器供电的设备的一部分。

实施例KK.一种系统，包含单级半波Cockcroft-Walton发生器，所述发生器用于产生用于烃转化的高压电容器放电脉冲，并由使用直接线路功率输入的升压变压器供电。

实施例LL.一种系统，包含一组单级半波Cockcroft-Walton发生器，这些发生器与单个升压变压器并联运行，所述单个升压变压器使用直接线路功率输入以用于进行烃转化。

实施例MM.一种系统，包含单级全波Cockcroft-Walton发生器，所述发生器用于产生用于烃转化的高压电容器放电脉冲，并由使用直接线路功率输入的升压变压器供电。

实施例NN.一种系统，包含一组单级全波Cockcroft-Walton发生器，这些发生器与单个升压变压器并联运行，所述单个升压变压器使用直接线路功率输入以用于进行烃转化。

实施例OO.一种系统，包含多级半波Cockcroft-Walton发生器，所述发生器用于产生用于烃转化的高压电容器放电脉冲，并由使用直接线路功率输入的升压变压器供电。

实施例PP.一种系统，包含一组多级半波Cockcroft-Walton发生器，这些发生器与单个升压变压器并联运行，所述单个升压变压器使用直接线路功率输入以用于进行烃转化。

实施例QQ.一种系统，包含多级半波Cockcroft-Walton发生器，所述发生器用于产生用于烃转化的高压电容器放电脉冲，并由使用高压AC电源的升压变压器供电。

实施例RR.一种系统，包含一组多级半波Cockcroft-Walton发生器，这些发生器与使用高压AC电源的单个升压变压器并联运行，以用于进行烃转化。

为了本公开的目的并且除非另有说明，否则“一”或“一个”表示“一个或多个”。

如本文所使用的，“约”可以被本领域普通技术人员理解，并且可以在一定程度上根据其使用的背景而变化。如果存在本领域普通技术人员不清楚的术语使用，则鉴于使用其的背景，“约”表示特定术语的加减10％。

本说明书中提及的所有出版物、专利申请、授权专利和其他文献均通过引用并入本文，就如同每个单独的出版物、专利申请、授权专利或其他文献均被明确地并单独地指出通过引用整体并入本文一样。在与本公开中的定义相抵触的程度上，排除通过引用并入的文本中包含的定义。

本文示例性地描述的实施例可以在不存在本文未具体公开的任何一个或多个元件、一种或多种限制的情况下适当地实践。因此，例如，术语“包括”、“包含”、“含有”等应被宽泛且无限制理解。另外，本文所采用的术语和表达已被用作描述性而非限制性的术语，并且不旨在使用此类术语和表达来排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同形式，但是应当认识到在要求保护的技术范围内可以进行各种修改。另外，短语“基本上由……组成”将被理解为包括具体叙述的那些元件和不会实质性影响所要求保护的技术的基本和新颖特征的那些附加元件。短语“由……组成”排除了未指定的任何元件。

本公开不限于本申请中描述的特定实施例，这些特定实施例旨在作为各个方面的例示说明。如对于本领域技术人员将显而易见的，可以在不脱离其精神和范围的情况下进行多种修改和变型。通过前文的描述，除了本文列举的内容之外，在本公开内容范围内的功能上等效的组合物、设备和方法对于本领域技术人员将是显而易见的。此类修改和变型旨在落入所附权利要求的范围内。本公开仅由所附权利要求项以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来限制。应当理解，本公开内容不限于特定的过程、试剂、化合物组成或生物系统，它们当然可以变化。还应当理解的是，本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不旨在进行限制。

另外，在根据马库什组描述本公开的特征或方面的情况下，本领域技术人员将认识到，由此也根据马库什组的任何单个成员或成员的子组描述本公开。

如本领域技术人员将理解的，出于任何目的和所有目的，特别是在提供书面描述方面，本文公开的所有范围还涵盖任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围都可以容易地识别为充分描述并且可以将相同范围细分为至少二等分、三等分、四等分、五等分、十等分等。作为非限制性示例，可以容易地将本文讨论的每个范围细分为下三分之一、中三分之一和上三分之一等。本领域技术人员还将理解，所有语言，诸如“最多”、“至少”、“大于”、“小于”等，均包括所列举的数字，并且是指可以随后细分为上述子范围的范围。最后，如本领域技术人员将理解的，范围包括各个单独的成员。

尽管已经图示和描述了某些实施例，但是应当理解，可以根据本领域中的一般技术在其中进行改变和修改，而不会在如所附权利要求书中所限定的更宽泛的范围内偏离本技术。