RU2390493C1 - Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа - Google Patents
Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2390493C1 RU2390493C1 RU2008144433/15A RU2008144433A RU2390493C1 RU 2390493 C1 RU2390493 C1 RU 2390493C1 RU 2008144433/15 A RU2008144433/15 A RU 2008144433/15A RU 2008144433 A RU2008144433 A RU 2008144433A RU 2390493 C1 RU2390493 C1 RU 2390493C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- gas
- hydrogen
- waveguide
- concentrator
- Prior art date
Links
- 239000007789 gas Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 37
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 35
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 34
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 title claims abstract description 31
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 title claims abstract description 31
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 5
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims abstract 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 12
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 12
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 7
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 abstract 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 10
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 5
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 3
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 229910010380 TiNi Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000004587 chromatography analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004939 coking Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 229930195735 unsaturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
Изобретение относится к производству водорода и углеродных материалов нановолокнистой структуры из углеводородов. Через реактор 1 продувают азот и включают генератор 5 сверхвысокочастотного излучения, соединенный со сверхвысокочастотным волноводом 11 элементом связи 2, выполненным в виде коаксиально-волноводного перехода пуговичного типа. Разогрев частиц газопроницаемого электропроводящего вещества-инициатора 10, выбранного из группы: железо, никель, молибден, никелид титана, осуществляется создаваемым сверхвысокочастотным излучением. Затем включают генератор 6 сверхвысокочастотного излучения, который соединен с концентратором 13, изготовленным из отрезков вольфрамовой микропроволоки, с помощью элемента связи 3. Создаваемое сверхвысокочастотное излучение инициирует в области концентратора 13 высокочастотный объемный разряд. Прекращают подачу азота, замещая его смесью углеводородных газов. Газ, пройдя камеру с веществом-инициатором 10, поступает через нерадиопрозрачную газопроницаемую перегородку 12, выполненную в виде металлической сетки из нержавеющей проволоки, в концентратор 13, в зоне которого осуществляется окончательное разложение. Чистые выходные компоненты собирают в сборнике углерода и блоке отбора водородосодержащей газовой смеси. Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики устройства, повысить эффективность технологического процесса конверсии углеводородного газа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к технике переработки углеводородного газа и производства чистых продуктов - углерода и водорода.
Для эффективного использования природного и попутного газов необходимы поиск и исследование новых процессов превращения углеводородного сырья в ценные продукты. Примерами такого продукта являются углерод и водород. Углерод, как один из основных химических элементов природы, является необходимым сырьевым компонентом многих производств. Его роль возрастает не только в связи с расширением традиционных потребностей, но и с появлением новых перспектив его использования, например в нанотехнологиях. Углеродные нанотрубки и фуллерены, обладающие уникальными физическими свойствами, чрезвычайно интересны для решения широкого круга задач. Например, искусственные кристаллы на основе фуллеренов превосходят по твердости алмазы. С помощью нанотрубок создаются новые уникальные полупроводниковые материалы для микроэлектроники, разрушаются злокачественные новообразования в организме и т.д.
Важны и актуальны задачи производства водорода для развивающейся водородной энергетики. Концепции совершенствования энергоносителей все больше определяются проблемой токсичности, экологически чистых продуктов, и водород в нынешнем представлении решает ее наиболее полно. Так использование химического водородного топлива в двигателях внутреннего сгорания, в космических аппаратах обеспечивает в выхлопных продуктах преобладание чистой воды.
Таким образом, актуальность решения задачи производства углерода и водорода из углеводородного сырья, повышение эффективности их производства в крупных масштабах трудно переоценить.
Известно устройство [Патент РФ №2064889, МПК С01В 3/26, С01В 31/02, публ. 1996.08.10], реализующее способ получения углерода из углеводородного газа путем пиролиза - диссоциации молекулы углеводорода при повышенных температурах в отсутствии воздуха. Устройство содержит реактор, состоящий из корпуса, заполненного слоем катализатора, узла подачи реагента, отводящего патрубка и нагревателя. Слой катализатора в реакторе виброожижается с помощью вибропривода, подключенного к корпусу реактора. Водород и частично непрореагировавший метан выводятся из реактора через патрубок. Образовавшийся углерод остается на катализаторе и полностью удерживается в реакторе. Устройство малопроизводительное, поэтому процесс стимулируют катализаторами, а для сокращения непроизводительного расхода тепла рабочую смесь газа и катализатора ворошат вращением реактора, воздействуют ультразвуком, коротко- или микроволновым электромагнитным излучением. Недостатки устройства - низкая производительность, техническая сложность вывода чистого продукта, который адсорбируется на поверхности катализатора, закоксовывание катализатора и, следовательно, малый срок его службы.
Известно устройство получения углерода и водорода из углеводородного газа (метана), в котором используется плазменный катализ процесса диссоциации в импульсно-периодическом микроволновом (сверхвысокочастотном) СВЧ-разряде [А.И.Бабарицкий и др. Импульсно-периодический СВЧ-разряд как катализатор химической реакции. ЖТФ. - 2000. - Т.70. - вып.11. - С.36-41]. Здесь реализован процесс термической диссоциации метана на углерод и водород: 
при воздействии плазмы микроволнового импульсно-периодического псевдокоронного разряда атмосферного давления на предварительно нагретый газ (400°С-600°С). Устройство содержит плазмокаталитический реактор, выполненный в виде металлической камеры, с входом углеводородного газа и выходом водорода и углерода, расположенными на противоположных концах цилиндра. Корпус одновременно служит резонатором на основе цилиндрического сверхвысокочастотного волновода. На расстоянии четверти длины волны от «выходного» конца реактора, ортогонально оси реактора на его стенке установлена вольфрамовая игла. Недостатки устройства - низкий уровень конверсии газа на углерод и водород и, следовательно, низкий процентный выход углерода и водорода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа [Патент RU №2317943, С01В 3/26, публ. 2008.02.27]. Устройство содержит проточный реактор с раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода, источник сверхвысокочастотного электромагнитного поля, связанный со сверхвысокочастотным волноводом. Проточный реактор помещен в сверхвысокочастотный волновод, выполненный прямоугольным. Реактор выполнен в виде продолговатой цилиндрической камеры из радиопрозрачного термостойкого материала, частично заполненной газопроницаемым, электропроводящим веществом-инициатором (титан, никель, никелид титана и т.п.), и снабжен концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Концентратор размещен непосредственно после вещества-инициатора. Для получения углерода и водорода осуществляют предварительный нагрев и последующее разложение углеводородного газа под воздействием сверхвысокочастотного электромагнитного поля с выделением и сепарацией углерода и водорода. Предварительный нагрев углеводородного газа (400°С-600°С) происходит под действием энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля в тепловой зоне проточного реактора, заполненной веществом-инициатором. Разложение газа на углерод и водород осуществляют на выходе из тепловой зоны реактора в зоне концентратора сверхвысокочастотного электромагнитного поля при повышенной, по сравнению с тепловой зоной реактора, напряженности сверхвысокочастотного электромагнитного поля, за счет плазмо-каталитической реакции при генерации плазмы атмосферного давления с высокой температурой (400°С-500°С) сверхвысокочастотного разряда.
Недостатком устройства-прототипа является то, что нагрев вещества-инициатора и образование высокотемпературной плазмы в области концентратора осуществляют СВЧ-энергией, поступающей от одного общего источника СВЧ-излучения, что усложняет регулировку технологического процесса и приводит к нерациональному использованию СВЧ-энергии. Кроме того, вещество-инициатор и концентратор сверхвысокочастотного электромагнитного поля размещены в одном и том же объеме, что усложняет обслуживание и контроль работы этих узлов.
Задачей изобретения является создание устройства для получения углерода и водорода из углеводородного газа, позволяющего регулировать уровни мощностей сверхвысокочастотного излучения в разных зонах реактора.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении эксплуатационных характеристик устройства, повышении эффективности технологического процесса конверсии углеводородного газа.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа, как и прототип, содержит проточный реактор, выполненный в виде продолговатой цилиндрической камеры из радиопрозрачного термостойкого материала, заполненной газопроницаемым электропроводящим веществом-инициатором, снабженный концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля, раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода и помещенный в сверхвысокочастотный волновод, соединенный элементами связи с источником энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля. В отличие от прототипа, камера реактора размещена соосно в цилиндрическом сверхвысокочастотном волноводе, концентратор отделен от камеры нерадиопрозрачной газопроницаемой перегородкой. Кроме того, источник энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля выполнен в виде двух несвязанных между собой генераторов сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, один из которых дополнительно соединен элементами связи с камерой реактора, другой - с концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля.
Для более эффективного использования тепла, выделяемого в тепловой зоне реактора, а также для охлаждения стенки сверхвысокочастотного волновода вход газа выполнен в нижней части волновода вблизи расположения нерадиопрозрачной перегородки, а между стенками камеры и сверхвысокочастотного волновода выполнен зазор для прохождения углеводородного газа на вход газа в верхней части камеры реактора.
На чертеже схематически представлено устройство для получения углерода и водорода из углеродного газа с входом газа, выполненным в нижней части волновода вблизи расположения нерадиопрозрачной перегородки.
Устройство состоит из проточного реактора 1, элементов связи 2 и 5, источника энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля 4, выполненного в виде двух генераторов сверхвысокочастотного электромагнитного излучения 5 и 6, входа газа 7 и выхода газа 8. Проточный реактор 1 содержит продолговатую цилиндрическую камеру 9 из радиопрозрачного термостойкого материала, например кварцевого стекла, заполненную газопроницаемым электропроводящим веществом-инициатором 10 (например: порошок железа, никеля, никелид титана и т.п.). Камера 9 размещена в цилиндрическом сверхвысокочастотном волноводе 11 вдоль его оси. На выходе камеры 9 установлена нерадиопрозрачная газопроницаемая перегородка 12 (например, металлическая сетка). Выход камеры 9 через нерадиопрозрачную газопроницаемую перегородку 12 соединен с концентратором 13 сверхвысокочастотного электромагнитного поля, в зоне которого осуществляют разложение возбужденных молекул газа на углерод и водород действием энергии сверхвысокочастотного электромагнитного излучения от генератора 6 сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, который соединен с концентратором 13 и с сверхвысокочастотным волноводом 11 с помощью элемента связи 5. Нерадиопрозрачная газопроницаемая перегородка 12 обеспечивает прохождение газового потока из объема камеры 9 в объем, где располагается концентратор 13 сверхвысокочастотного электромагнитного поля, и исключает проникновение сверхвысокочастотных полей из одного объема в другой. Концентратор 13 может быть выполнен, например, в виде семейства игл из тугоплавкого материала или обрезков тонкой проволоки из этого материала. Другой генератор 5 сверхвысокочастотного электромагнитного излучения соединен элементом связи 2 с сверхвысокочастотным волноводом 11 и камерой 9 реактора 1. В качестве элементов связи 2 и 5 могут быть использованы коаксиально-волноводные переходы пуговичного типа. При этом концентратор 13 соединен с камерой 9 через газопроницаемую перегородку 12 с помощью полого электрода 14 коаксиально-волноводного перехода 3. В нижней части сверхвысокочастотного волновода 11 вблизи нерадиопрозрачной газопроницаемой перегородки 12 выполнен вход газа 7. В этом случае для подачи углеводородного газа на вход цилиндрической камеры 9 в полом электроде коаксиально-волноводного перехода 2 выполнены отверстия 15. Для удаления углерода и водорода из реактора 1 выход газа 8 соединен с трубой 16.
Конкретным примером реализации предлагаемого устройства, подтверждающим достижимость технического результата, является лабораторная установка, включающая кроме самого устройства измерительные блоки для корректной оценки параметров процесса. Проточный реактор 1 цилиндрического типа содержит цилиндрическую кварцевую камеру 9 диаметром 54 мм, длиной 400 мм. Камера 9 заполнена веществом-инициатором 10 из порошка железа с размером зерен порошка 0,1-2,0 мм на 80% ее объема. Кварцевая камера 9 расположена соосно в цилиндрическом сверхвысокочастотном волноводе 11 с фланцами. Диаметр цилиндра волновода 11 составляет 110 мм, высота 420 мм. На выходе камеры 9 установлена перегородка 12 из сетки из нержавеющей проволоки с геометрической прозрачностью 0,3-0,4. Подвод СВЧ-энергии в камеру 9 осуществляется из источника 4 от генератора 5 сверхвысокочастотного излучения магнитного типа с частотой 2450 МГц с регулируемой мощностью до 1,5 кВт в непрерывном режиме колебаний с помощью коаксиально-волноводного перехода 2 пуговичного типа, сечение которого 90×45 мм. Внешний электрод коаксиально-волноводного перехода 2 с диаметром 40 мм плавно переходит к диаметру 110 мм и соединяется с помощью фланцев с сверхвысокочастотным волноводом 11. Внутренний электрод коаксиально-волноводного перехода 2 выполнен в виде полого конуса с вершиной диаметром 16 мм, с основанием диаметром 36 мм, с отверстиями 15 диаметром 8 мм для прохождения газа в камеру. Электрический контакт конуса с веществом-инициатором обеспечивается путем его погружения в вещество-инициатор. Такая конструкция подвода сверхвысокочастотной энергии обеспечивает хорошее согласование выхода генератора сверхвысокочастотного излучения с входом реактора и обеспечивает эффективное поглощение сверхвысокочастотной энергии веществом-инициатором от 80% до 90%. Подвод СВЧ-энергии в область концентратора 13 осуществляется из источника 4 от генератора 6 сверхвысокочастотного излучения магнетронного типа с частотой 2450 МГц с регулируемой мощностью до 3 кВт в непрерывном режиме колебаний с помощью коаксиально-волноводного перехода 3 пуговичного типа, сечение которого 90×45 мм. Внешний электрод коаксиально-волноводного перехода 3 диаметром 40 мм соединен с помощью фланцев с трубой 16, также имеющей диаметр 40 мм, и образует выход газа 8. Концентратор 13 изготовлен из отрезков вольфрамовой микропроволоки, которая разупорядочена, и установлен на конце полого внутреннего электрода коаксиально-волноводного перехода 3, имеющего диаметр 16 мм. Газ в область концентратора поступает с выхода кварцевой камеры через перегородку 12 через полый внутренний электрод 14 и через неупорядоченные отрезки вольфрамовой микропроволоки. Вход газа 7 с помощью газопровода через регулятор расхода газа подключается либо к емкости с углеводородным газом, либо к емкости с азотом.
Для сбора выходных продуктов к трубе 16 подключены сборник углерода, блок отбора водородосодержащей газовой смеси и трубопровод для экстренного сброса продуктов в атмосферу.
Устройство работает следующим образом.
Через реактор для вытеснения из него кислорода продувают в течение 2-4 минут азот со скоростью 10 мл/с, после чего включают генератор 5 сверхвысокочастотного излучения. Сверхвысокочастотным излучением мощностью до 1,5 кВт от этого генератора 5 осуществляется разогрев частиц вещества-инициатора под действием наведенных вихревых токов и диссипации энергии на резистивных потерях до температуры 450°С-600°С. Измерение температурного режима реактора осуществляется пирометром. Температурный режим регулируется путем изменения выходной мощности генератора 5. Одновременно между частицами вещества-инициатора 10 за счет сверхвысокочастотных полей возникают электрические микроразряды, а также автоэлектронная эмиссия, переходящая по мере повышения температуры частиц в термоэлектронную. Эти микроразряды препятствуют отложению углерода на частицах вещества-инициатора 10, возникающему в результате конверсии углеводородного газа на углерод и водород. Это позволяет увеличить срок активности частиц вещества-инициатора и эффективности процесса конверсии в целом.
При достижении рабочей температуры в тепловой зоне реактора 1 включают генератор 6 сверхвысокочастотного излучения. Сверхвысокочастотное излучение мощностью до 3 кВт от этого генератора 6 в области концентратора 13 инициирует высокочастотный объемный разряд, который создает плазму с температурой 1000°С и выше.
Высокочастотный объемный разряд инициируется за счет того, что концентратор 13 выполнен в виде отрезков тонкой проволоки, что приводит к увеличению напряженности сверхвысокочастотного поля.
Увеличение напряженности поля может быть стократным и более [С.П.Бугаев, Е.Н.Литвинов, Г.А.Месяц, Д.И.Прокуровский. УФН. - 1975 - т.115 - вып.1 - с.101-120]. При таких напряженностях нарастает автоэлектронная эмиссия, разогрев острий проволоки катализатора до 1000°С и выше и рост термоэлектронной эмиссии. В совокупности возникает лавинно развивающийся процесс, приводящий к псевдокоронному разряду. Последний, проходя стадии стримеров и плазменных каналов, заполняет объем реактора с максимумом в области концентратора. Для такого разряда характерна генерация плазмы атмосферного давления с высокой температурой 4000°С-5000°С. Действие такой плазмы на углеводородный газ по внешним признакам (разложение молекул газа) сходно с действием катализатора в химических реакциях и получило название плазмо-каталитическая реакция.
Возникновение разряда определяется визуально по его свечению через смотровое окно, установленное в области концентратора. После этого регулятором газа прекращают подачу азота, замещая его смесью углеводородных газов с преимущественным (94,9%) содержанием метана (таблица 1). Время контакта газа с веществом-инициатором, т.е. его промежуточных превращений и возбуждение молекул газа, около 3 с. Окончательное разложение газа на углерод и водород происходит в области разряда. Чистые выходные компоненты, а также не успевшие (в небольшом количестве) прореагировать остатки исходного газа выносятся плазменной струей через выход реактора 8 в трубу 16, где далее собираются селективно в сборнике углерода и в блоке отбора водородосодержащей газовой смеси. Результаты тестовых испытаний устройства, полученные из хроматографического анализа и анализа на рентгеновском дифрактометре, приведены в таблице 2 для четырех примеров вариации вещества-инициатора.
Результаты свидетельствуют:
1. При вводе углеводородного газа на вход реактора и его прохождении через вещество-инициатор под действием повышенной температуры (400°С-700°С) и энергии микроразрядов, возбуждаемых между отдельными частицами вещества-инициатора короткоимпульсными пучками эмитированных электронов, происходит образование непредельных углеводородов (этилен, ацетилен), а также генерация активных частиц (радикалы, ионы, возбужденные молекулы), способствующих разложению углеводородов в цепных реакциях [В.Д.Русинов, С.А.Этиван и др. Химия высоких энергий. - 1999 - т.3 - №1 - с.59-66]. Конвертированные и оставшиеся с возбужденными молекулами газы газовым потоком выносятся в зону концентратора СВЧ-поля, где в высокотемпературной плазме разряда окончательно разлагаются на углерод и водород с высокой степенью конверсии и выносятся из реактора интенсивным газовым потоком.
2. На степень конверсии газа и модификацию углерода существенное влияние оказывают уровни мощностей сверхвысокочастотного излучения, подаваемые как в вещество-инициатор, так и в область концентратора сверхвысокочастотного электромагнитного поля, которые можно независимо изменить во время конверсии газа и достигать наибольшую эффективность технологического процесса.
3. Устройство в части энергопитания и эксплуатации в результате независимой работы генераторов сверхвысокочастотного излучения позволяет оптимизировать энергопотребление установки, вести технологический процесс непрерывно и в масштабах промышленного производства получать заметное сокращение расхода энергии и издержек (экономическая эффективность).
4. Использование устройства для производства таких ценных для нанотехнологий и водородной технологии продуктов, как ультрадисперсные углеродные нанотрубки, фуллерены и водород, позволяет снизить их себестоимость, что предвещает хорошую перспективу их производства и реализации.
5. В устройстве абсолютный выход углерода и водорода прямопропорционален объему реактора и мощности сверхвысокочастотных генераторов. Поэтому нет принципиальных препятствий для экстенсивного промышленного масштабирования производства продуктов.
Приведенные выводы, а также нынешняя степень готовности устройства достаточны для удовлетворения критерия «промышленная применимость».
| Таблица 1 | ||||
| Состав углеводородного газа, об.% | ||||
| Метан (СН4) | Этан (С2Н6) | Пропан (С3Н3) | i-Бутан (I-C4) | n-Бутан (n-С4) |
| 94,9 | 2,65 | 1,46 | 0,38 | 0,61 |
| Таблица 2 | ||||||
| Выход продуктов от используемых материалов инициатора | ||||||
| Инициатор | Конверсия метана, % | Концентрация водорода, об.% | Концентрация об.% | Содержание нанотрубок углерода и размер окр. | Содержание аморфного углерода, об.% | |
| об.% | нм | |||||
| Fe | 54,5 | 69,39 | 2,19 | 78,24 | 3,7…12,4 | 4,04 |
| Ni | 71,97 | 81,11 | 4,02 | 56,51 | 7,12…14,92 | 21,24 |
| TiNi | 42,4 | 52,25 | 8,77 | 46,13 | 9,12 | 45,00 |
| Mo | 77,56 | 84,63 | 3,11 | 24,91 | 26,26…37,22 | 64,89 |
Claims (2)
1. Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа, включающее проточный реактор, содержащий продолговатую цилиндрическую камеру из кварцевого стекла, заполненную газопроницаемым электропроводящим веществом-инициатором, выбранным из группы: железо, никель, молибден, никелид титана, снабженный концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля, изготовленным из отрезков вольфрамовой микропроволоки, раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода, и помещенный в сверхвысокочастотный волновод, соединенный элементами связи с источником энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля, отличающееся тем, что камера реактора размещена в цилиндрическом сверхвысокочастотном волноводе вдоль его оси, причем концентратор отделен от камеры нерадиопрозрачной газопроницаемой перегородкой, выполненной в виде металлической сетки из нержавеющей проволоки, а источник энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля выполнен в виде двух несвязанных между собой генераторов сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, один из которых соединен с волноводом элементами связи, выполненными в виде коаксиально-волноводного перехода пуговичного типа, а другой генератор - с концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход газа выполнен в нижней части сверхвысокочастотного волновода вблизи металлической сетки из нержавеющей проволоки, а между стенками камеры и сверхвысокочастотного волновода выполнен зазор для прохождения углеводородного газа на вход газа в верхней части камеры реактора.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008144433/15A RU2390493C1 (ru) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008144433/15A RU2390493C1 (ru) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2390493C1 true RU2390493C1 (ru) | 2010-05-27 |
Family
ID=42680401
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008144433/15A RU2390493C1 (ru) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2390493C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2463248C2 (ru) * | 2010-12-06 | 2012-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Устройство для синтеза углеродных нанотрубок из углеводородного газа |
| RU2488553C2 (ru) * | 2010-06-18 | 2013-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа |
| TWI755499B (zh) * | 2017-03-27 | 2022-02-21 | 美商萊登股份有限公司 | 處理氣之裂解 |
| RU2807901C1 (ru) * | 2023-04-07 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Способ обогащения природного газа водородом и установка для его осуществления |
-
2008
- 2008-11-10 RU RU2008144433/15A patent/RU2390493C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488553C2 (ru) * | 2010-06-18 | 2013-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа |
| RU2463248C2 (ru) * | 2010-12-06 | 2012-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Устройство для синтеза углеродных нанотрубок из углеводородного газа |
| TWI755499B (zh) * | 2017-03-27 | 2022-02-21 | 美商萊登股份有限公司 | 處理氣之裂解 |
| RU2807901C1 (ru) * | 2023-04-07 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Способ обогащения природного газа водородом и установка для его осуществления |
| RU2817118C1 (ru) * | 2023-10-18 | 2024-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр " Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН) | Устройство подвода СВЧ-энергии |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fan et al. | Recent developments in photothermal reactors with understanding on the role of light/heat for CO2 hydrogenation to fuels: A review | |
| US20210257189A1 (en) | Apparatus and method for plasma synthesis of carbon nanotubes | |
| RU2425795C2 (ru) | Установка для получения водорода и углеродных наноматериалов и структур из углеводородного газа, включая попутный нефтяной газ | |
| US20070048211A1 (en) | Apparatus and method for synthesizing a single-wall carbon nanotube array | |
| JP6200711B2 (ja) | 水素製造装置および水素製造方法 | |
| Lebedev | Microwave discharges in liquids: fields of applications | |
| CN105164048B (zh) | 二氧化碳回收装置以及二氧化碳回收系统 | |
| Fan et al. | COx-free co-cracking of n-decane and CH4 to hydrogen and acetylene using pulsed spark plasma | |
| RU2390493C1 (ru) | Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа | |
| RU2317943C2 (ru) | Способ получения углерода и водорода из углеводородного газа и устройство для его осуществления | |
| CN114984884A (zh) | 等离子体协同催化剂辅助二氧化碳重整制燃料的实验平台 | |
| RU2393988C1 (ru) | Устройство для плазмохимической конверсии углеводородного газа | |
| Corbella et al. | Nanosynthesis by atmospheric arc discharges excited with pulsed-DC power: a review | |
| US20050287297A1 (en) | Apparatus and methods of making nanostructures by inductive heating | |
| Wang et al. | Plasma technology for syngas production | |
| Malekimoghadam et al. | Carbon nanotubes processing | |
| Liu et al. | Methane incorporation into liquid fuel by nonequilibrium plasma discharges | |
| Agiral et al. | Catalyst activation by microplasma for carbon nanofiber synthesis in a microreactor | |
| JP6355969B2 (ja) | グラフェン製造装置およびグラフェン製造方法 | |
| Amirov et al. | Thermal plasma torch for synthesis of carbon nanotubes | |
| JP6569101B2 (ja) | カーボンナノファイバーの製造方法 | |
| Kuzuya et al. | Preparation of carbon micro-coils involving the decomposition of hydrocarbons using PACT (plasma and catalyst technology) reactor | |
| KR20080113805A (ko) | 고주파 가열로를 이용한 탄소나노튜브의 대량 합성 장치 | |
| RU106616U1 (ru) | Установка для получения высококалорийного плазмогаза из углеродосодержащих водоорганических ультрадисперсных систем | |
| US20240425369A1 (en) | System and method for pyrolysis using an electromagnetic reactor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161111 |