СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ИЛИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ИЛИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК B01J19/08 C10G15/12 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Группа изобретений относится к пищевой и биоэнергетической отраслям промышленности, а именно к способам переработки пищевого сырья и к устройствам для осуществления такой переработки. а также к химической и нефтехимической отраслям промышленности, а именно к способам переработки нефти, нефтепродуктов и тяжелых нефтяных остатков и к устройствам для осуществления такой переработки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Потребность в энергии в современном обществе возросла в десятки раз, а в XXI веке прогнозируется дальнейший рост потребления. Основные энергоносители - нефть и газ удовлетворяют примерно 70% потребностей, но они могут иссякнуть в ближайшие 50 лет. Уголь удовлетворяет не более 20% потребностей. Атомная энергетика не играет пока определяющей роли. На сегодняшний день огромным потенциальным источником дешевой тепловой и электрической энергии является возобновляемое растительное сырье, низкосортная древесина, все виды древесных и органических отходов производства и потребления.

По прогнозам специалистов в мире происходит уменьшение запасов нефти и, в первую очередь, легкой нефти. В связи с этим, основная задача нефтеперерабатывающего комплекса заключается в повышении эффективности технологии переработки нефти. Новые технологии должны обеспечить увеличение выхода светлых нефтепродуктов. При перегонке даже богатой легкими фракциями нефти на бензин приходится всего около 1/5 от общего объема выхода. Остро стоит вопрос добычи и транспортировки тяжелых видов нефти, удельный вес которой в общем объеме добычи постоянно растет.

Глубина переработки нефти в моторные топлива определяется не только эффективными процессами отбора светлых фракций из нефти с их последующим облагораживанием, но и технологиями переработки темных продуктов, например мазутов, вакуумных газойлей, гудронов. В состав нефти входят тяжелые углеводороды, которые прежде чем достичь своей точки кипения, начинают разлагаться. Для превращения тяжелых нефтяных остатков, в частности гудронов, в светлые нефтепродукты необходимо крекировать крупные молекулы.

Сущность этого явления сводится к тому, что из одной большой молекулы тяжелого углеводорода образуется несколько более мелких молекул с разной температурой кипения и разным удельным весом. Существенным отличием крекинг-процесса от первичной перегонки является то, что при крекинге происходит химическое изменение ряда углеводородов, тогда как при первичной перегонке идет простое разделение отдельных фракций нефти в зависимости от точек их кипения.

На нефтеперерабатывающих заводах для увеличения объема светлых фракций в основном используются каталитический крекинг, гидрокрекинг, термический крекинг [1]. На современных нефтеперерабатывающих заводах мазуты обычно подвергают либо вакуумной перегонке с получением базовых масляных дистиллятов и тяжелых остатков, например гудронов, служащих сырьем для битумного производства, либо жесткой термической, при 490-520°С и 45-50 атм, или термокаталитической переработке с целью получения дополнительных количеств моторных топливных фракций.

Каталитический крекинг углеводородов представляет собой основной процесс производства бензина и легких углеводородных продуктов из тяжелого углеводородного сырья, такого как вакуумные газойли. В нефтепереработке для осуществления крекинга используются деструктивные гидрогенизационные процессы, протекающие под высоким давлением водорода в присутствии дорогих катализаторов, при сложном аппаратурном оформлении процесса при использовании затратных методов подготовки сырья к переработке. Их выход и качество зависят от условий крекинга, таких как температура, давление, продолжительность, соотношение количеств исходных продуктов и донорно-водородной добавки, природа донора и крекируемого вещества или смеси веществ. Чем выше будет температура, тем интенсивнее идет разложение. Точно так же - чем дольше длится крекинг, тем больше выход легких фракций. Однако при слишком высокой температуре и большой длительности крекинга процесс идет совсем не так, как требуется - молекулы расщепляются не на равные части, а дробятся так, что с одной стороны получаются слишком легкие фракции, а с другой - слишком тяжелые. Или же вообще происходит полное разложение углеводородов на водород и углерод (кокс), что очень нежелательно.

Воздействовать на кинетику этих процессов можно химическими веществами, например катализаторами, поверхностно-активными веществами, присадками. Воздействие на нефть и ее остатки с помощью химических веществ приводит к существенному возрастанию себестоимости конечного продукта, ускоренному износу ректификационных колон и является сложно регулируемым процессом.

С использованием классических нефтехимических методов достигнуты впечатляющие результаты, позволившие достичь глубины переработки нефти до 96%, однако при этом стоимость технологий существенно возросла, в то же время начинают вставать новые задачи, которые традиционными методами или не решаемы, или же решаемы посредством немалых затрат. В первую очередь это касается использования отходов нефтехимического производства и задачи прокачки вязкой нефти по трубопроводам. Способы, применяемые на нефтеперерабатывающих заводах, становятся нерентабельными при малых объемах продукта, поэтому они мало применимы в местах непосредственной добычи.

Постоянно актуальными являются проблемы, решаемые в области переработки пищевого сырья и в биоэнергетике. Термическую обработку пищевых продуктов проводят с целью привести пищевое сырье в состояние, при котором оно наиболее доступно воздействию пищеварительных соков, улучшает вкусовые свойства пищи при сохранности ее биологических свойств. Под влиянием физико-химических процессов, происходящих в пищевых продуктах при термической обработке, продукты утрачивают жесткость, лучше усваиваются.

Тепловая обработка - главный технологический процесс, в ходе которого образуются новые химические соединения, и происходит изменение консистенции продукта, его способности к растворению. В процессе воздействия высокой температуры происходят физико-химические изменения: свертывание белка, набухание и клейстеризация крахмала, деструкция ферментов, разрушающих витамины, размягчение растительных тканей.

Природа процессов, происходящих при тепловой обработке растительных и животных продуктов, существенно различается. Отличительной особенностью растительных продуктов является высокое содержание в них углеводов - свыше 70% сухих веществ. Абсолютное большинство растительных продуктов, используемых в питании человека, представляет собой части растений. В них и содержатся вещества, представляющие интерес в питании, - моно- и олигосахара и крахмал. Клетки имеют первичную оболочку, состоящую из низкомолекулярной целлюлозы и низкомолекулярных фракций гемицеллюлоз, отличительной особенностью которых является преобладание между структурными единицами р-1,4-связи, эта связь не разрушается пищеварительными ферментами человека. Степень их полимеризации в зависимости от фазы развития живой клетки может сильно колебаться: от 20 до 200 и более остатков. С увеличением степени полимеризации уменьшается растворимость пектиновых веществ в воде и увеличивается механическая прочность. С увеличением степени полимеризации целлюлозы и других растительных полимеров уменьшается их доступность для пищевых и биоэнергетических применений.

Одним из перспективных направлений может стать возделывание и переработка новых или нетрадиционных культур, имеющих потенциал широкого использования в нескольких областях и выполняющих одновременно функции кормовой, пищевой и энергетической культуры. К разряду таких культур можно причислить, в первую очередь, топинамбур, имеющий свойства вышеперечисленных культур и отличающийся чрезвычайно низкой себестоимостью возделывания. В настоящее время топинамбур позиционируется как источник резервного углевода инулина и фруктозы.

Комплексная переработка с использованием плазменных технологий на биоэтанол и биобутанол не только клубней, но и биомассы, например, топинамбура позволит существенно повысить выход биобутанола с 1 га примерно на 60-80%. Возможно также получение высокобелковой составляющей для производства премиксов или обогащения кормов.

Существующие химические способы гидролиза, отличаясь относительной простотой технологического процесса, являются малопроизводительными и вследствие этого металлоемкими. При любой тепловой обработке наиболее интенсивно происходит разрушение витаминов, особенно витамина С.

Тепловая обработка углеводородов при повышенных температурах приводит к коксованию.

Поэтому поиск физических методов воздействия, позволяющих расширить возможности изменения внешних условий, представляется крайне актуальным. Плазмохимические способы, позволяющие перевести процессы из периодических в непрерывные, имеют большую перспективу.

Известен «СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ЦЕПНЫХ РЕАКЦИЙ ДИССОЦИАЦИИ И ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» [2], в котором предлагается в дополнение к тепловой обработке использовать воздействие на обрабатываемое органическое сырье пучком релятивистских электронов. Такие электроны инициируют неравновесные реакции в органических молекулах, входящих в состав обрабатываемого сырья. Указанный способ, несомненно, выводит процесс обработки органического сырья за рамки используемых в настоящее время равновесных - тепловых - способов обработки.

Однако применение пучков электронов диапазона энергий в несколько МэВ является сложной технической проблемой и может быть приемлемо только для решения уникальных задач, но никак не для массового использования.

Генератор низкотемпературной плазмы может стать дешевой и простой альтернативой применению ускорительной техники.

Техническим результатом, на достижение которого направлено одно из предлагаемых изобретений, является создание способа плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, который осуществлялся бы с использованием низкотемпературной электроразрядной плазмы и который позволял бы проводить расщепление длинных органических молекул с возможностью изменения режимов обработки сырья.

Известно устройство, описанное в [2]. Предложенное в данном патенте устройство предназначено для оптимизации условий применения пучка ускоренных электронов, заключающихся в необходимости иметь выходное окно, отделяющее высоковакуумную камеру формирования электронного пучка от области камеры для проведения реакции. Наличие такого окна приводит к техническим проблемам, связанным как с потерями энергии электронов в материале окна, так, что важнее, с проблемой ресурса материала окна, находящегося в жестких условиях по энерговоздействию при наличии приложенного перепада давлений. Конструкция устройства подразумевает также учет особенности взаимодействия электронного пучка с конденсированной средой, заключающейся в малой глубине проникновения электронов в обрабатываемую среду.

Применение низкотемпературной плазмы позволяет отказаться от разделительного окна, совместив область получения плазмы с областью обработки сырья. Помимо этого, электроразрядная плазма позволяет простыми способами изменять режимы обработки, используя управление параметрами плазмы через режимы работы источника питания, что легко достигается при использовании современной элементной базы, таких как транзисторные ключи IGBT и MOSFET, а также ферритовые материалы на основе современных нанотехнологий.

Техническим результатом, на достижение которого направлено второе предлагаемое изобретение, является создание такого устройства для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, которое использовало бы низкотемпературную электроразрядную плазму, которое позволяло бы осуществлять расщепление длинных органических молекул с возможностью изменения режимов обработки сырья.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технический результат достигается тем, что предложен:

1. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, включающий обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, с возможностью введения в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов, а также с возможностью введения в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов, в том числе, соли, кислоты или щелочи.

2. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, включающий обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, при этом осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей водород и/или газообразные водородсодержащие соединения, с возможностью введения в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов, а также с возможностью введения в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов, в том числе, соли, кислоты или щелочи.

3. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, включающий обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, при этом осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей кислород и/или кислородсодержащие молекулы при температуре, характеризующей поступательное движение атомно-молекулярных компонентов плазмы, заметно ниже точки воспламенения обрабатываемого сырья, с возможностью введения в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов, а также с возможностью введения в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов, в том числе, соли, кислоты или щелочи.

4. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, включающий обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, при этом осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей кислород и/или кислородсодержащие молекулы при температуре, характеризующей поступательное движение атомно-молекулярных компонентов плазмы, заметно ниже точки воспламенения обрабатываемого сырья, с возможностью введения в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов, а также с возможностью введения в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов, в том числе, соли, кислоты или щелочи, при этом обрабатываемое органическое сырье пропускают тонким слоем по одному из электродов определенной полярности в зависимости от желания организовать в обрабатываемой среде окислительные или восстановительные процессы.

Способ по п.1. осуществляют следующим образом.

Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, которое создают над поверхностью обрабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме.

При осуществлении указанного способа возможно введение в обрабатываемое сырье катализаторов, например солей и окислов тяжелых металлов.

Кроме того, иногда вводят в обрабатываемое сырье химические вещества, которые изменяют рН и ионную силу растворов, например, соли, кислоты или щелочи.

Способ по п.2. осуществляют следующим образом.

Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме.

Осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей водород и/или газообразные водородсодержащие соединения.

В некоторых случаях вводят в обрабатываемое сырье катализаторы в виде солей и окислов тяжелых металлов.

Иногда для изменения рН и ионной силы растворов вводят в обрабатываемое сырье химические вещества, такие, например, как соли, кислоты или щелочи.

Способ по п.3. осуществляют следующим образом.

Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, при этом осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей кислород и/или кислородсодержащие молекулы при температуре, характеризующей поступательное движение атомно-молекулярных компонентов плазмы, заметно ниже точки воспламенения обрабатываемого сырья.

В некоторых случаях вводят в обрабатываемое сырье катализаторы в виде солей и окислов тяжелых металлов.

Иногда для изменения рН и ионной силы растворов вводят в обрабатываемое сырье химические вещества, такие, например, как соли, кислоты или щелочи.

Способ по п.4.осуществляют следующим образом.

Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме.

Осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей кислород и/или кислородсодержащие молекулы при температуре, характеризующей поступательное движение атомно-молекулярных компонентов плазмы, заметно ниже точки воспламенения обрабатываемого сырья.

Возможно введение в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов.

Возможно также введение в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов. В качестве таких веществ используют соли, кислоты или щелочи.

Обрабатываемое органическое сырье пропускают тонким слоем по одному из электродов определенной полярности, в зависимости от желания организовать в обрабатываемой среде окислительные или восстановительные процессы.

Таким образом, как видно из вышеописанного, в зависимости от характера процессов, которые инициируют в обрабатываемой среде, может быть использован различный состав газов, находящихся над обрабатываемой средой. В случае использования водных растворов основным компонентом газовой прослойки являются пары воды. Первичные акты ионизации, диссоциации и диссоциативного прилипания электронов плазмы к молекулам Н₂О приводят к образованию таких ионов, атомов и молекул, как Н₂О⁺, ОН^-, H^-, ОН, Н, Н₂, которые, с одной стороны, инициируют цепь химических ионно-молекулярных реакций, а с другой - могут присоединиться в месте разрыва связи в органической молекуле. Используют водород как плазмообразующий газ. В этом случае может быть осуществлен плазмохимический гидрокрекинг. Такой процесс используют не только для нефтепродуктов, но и для органического сырья пищевого или биоорганического назначения.

В предлагаемом изобретении допускают несколько способов воздействия на характер организации плазмохимического органического синтеза.

Продукты для синтеза используют в газовой фазе как компоненты плазмообразующего газа или виде аэрозолей.

Продукты для синтеза используют в растворе или во взвеси с основным обрабатываемым сырьем, подаваемым в жидкой фазе как пленкообразующая среда.

Характер синтеза меняют путем использования различных катализаторов, вносимых в газовую или/и жидкую компоненту.

Значение рН среды изменяют добавлением солей, кислот или щелочей, что приводит к смещению точек химического и ионного равновесия в обрабатываемых средах и, тем самым, влияет на направление плазмохимических процессов.

Характер происходящих плазмохимических процессов меняют сменой полярности электродов при организации электрического разряда определенной полярности.

Обрабатываемое вещество может использоваться в виде многокомпонентных аэрозолей, растворов, порошков, эмульсий и пен.

Использование для целей обработки органического сырья низкотемпературной плазмы, создаваемой приложенным внешним электрическим полем, не только осуществляет более дешевый альтернативный подход к решению проблемы, но и позволяет повысить эффективность воздействия по причинам, описанным ниже.

Наличие свободных низкоэнергетических, с энергией в несколько эВ, электронов в низкотемпературной плазме является источником эффективных каналов преобразования, вложенной в электроразрядную плазму от источника питания электрической энергии в энергию разрыва химических связей. Ниже описан механизм такого взаимодействия.

На языке модели валентных связей, связь между двумя соседними атомами углерода в длинной молекуле углеводорода обусловлена спаренными по спину электронами, находящимися на орбиталях, направленных к связываемому атому.

При попытке сдвинуть связанные таким образом соседние атомы из положения равновесия возникнет возвращающая сила, что продемонстрировано на потенциальной кривой 1 на фиг.1, изображенной сплошной линией.

Если же спины электронов на рассматриваемых орбиталях окажутся параллельными - неспаренными, то возникнет отталкивающая сила - переход на разлетный электронный терм, приводящая к расщеплению молекулы по рассматриваемой связи. Описанной ситуации соответствует кривая 2 на фиг.1 справа, изображенная сплошной линией.

Изменение направления спина одного из связанных электронов могло бы стать основой для механизма расщепления - крекинга - крупных органических молекул. Однако на практике изменить направление вектора спина электрона сложно, так как на спиновый момент электрона можно повлиять только через его магнитный момент.

В силу малости последнего, при необходимости реализации энергии взаимодействия порядка нескольких электронвольт для воздействия через магнитный момент требуются огромные магнитные поля.

Однако иногда, не переворачивая спин электрона, можно перейти на разлетный электронный терм. Такая ситуация возникает, когда рядом с молекулой находится свободный электрон, способный поменяться местами с одним из связанных электронов. После обмена со свободным электроном подходящей энергии и подходящего направления спина молекула расщепляется. Данная ситуация может быть реализована в холодной плазме, приведенной в соприкосновение с обрабатываемым веществом.

В плазме возможно получение достаточной плотности свободных электронов при их средней энергии, соответствующей нескольким электронвольтам.

Примеры осуществления способа

Пример по п.1. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, которое создают над поверхностью обрабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. При осуществлении указанного способа вводят в обрабатываемое сырье катализаторы - соли и окислы тяжелых металлов.

Для изменения рН и ионной силы растворов вводят в обрабатываемое сырье соли, кислоты или щелочи.

В примере используют плазмохимический реактор с расходом жидкой компоненты 0,2-0,5 кубических метров в час. В качестве жидкой компоненты используют воду. Толщина жидкой пленки, протекающей по электроду, не превышала 1 мм, при толщине газового зазора около 0, 2 мм. Плазма зажигалась как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах при частоте следования импульсов 30 кГц, при длительности отдельного импульса порядка 15 мкс. При горении в непрерывном режиме напряжение горения составляло 800 вольт при среднем токе 7-8 ампер, в то время как при горении в импульсно-периодическом режиме среднее напряжение на электродах составляло 2000 вольт при среднем токе 1,5 ампера.

Пример по п.2. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. Осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей водород и/или газообразные водородсодержащие соединения.

Вводят в обрабатываемое сырье катализаторы в виде солей и окислов тяжелых металлов.

Для изменения рН и ионной силы растворов вводят в обрабатываемое сырье химические вещества, такие, например, как соли, кислоты или щелочи.

Введение мелкодисперсных катализаторов слабо влияет на напряжения и токи горения электрического разряда, а введение солей, кислот или щелочей существенно понижает напряжение горения разряда, например напряжение горения в стационарном режиме падало до 40-500 вольт при фиксированном значении тока.

Пример по п.3. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, при этом осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей кислород и/или кислородсодержащие молекулы при температуре, характеризующей поступательное движение атомно-молекулярных компонентов плазмы, заметно ниже точки воспламенения обрабатываемого сырья.

Например, вводят в обрабатываемое сырье катализаторы в виде солей и окислов тяжелых металлов.

Для изменения рН и ионной силы растворов вводят в обрабатываемое сырье химические вещества, такие, например, как соли, кислоты или щелочи.

Для случая кислородсодержащей среды эксперименты были проведены только с негорючими средами во избежание возникновения взрывоопасной ситуации на стенде без специальной подготовки. Были проведены эксперименты, подтвердившие возможность окисления растворенных в воде веществ при пропускании раствора через плазму после барботирования его кислородом.

Пример по п.4. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. Осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей кислород и/или кислородсодержащие молекулы при температуре, характеризующей поступательное движение атомно-молекулярных компонентов плазмы, заметно ниже точки воспламенения обрабатываемого сырья.

Вводят в обрабатываемое сырье катализаторы, в том числе соли и окислы тяжелых металлов.

Вводят в обрабатываемое сырье химические вещества, изменяющие рН и ионную силу растворов. В качестве таких веществ используют соли, кислоты или щелочи.

Обрабатываемую среду пропускают тонким слоем по одному из электродов определенной полярности. С помощью источника питания меняют как режим работы - на непрерывный или импульсно-периодический, так и полярность приложенного напряжения.

Устойчивое и однородное образование низкотемпературной плазмы достигают во всех режимах работы.

Напряжение горения электрического разряда слабо зависит от полярности электродов и составляет около 2000 вольт при токе около 1,5 ампера в случае работы в импульсно-периодическом режиме. При работе в импульсно-периодическом режиме при высоких значениях энерговкладов возникают ударные волны, способные разрушать однородное протекание жидкой пленки.

При работе в непрерывном режиме достигают более легкое поддержание однородной жидкой пленки на электроде.

Таким образом, достигнут желаемый технический результат, а именно, предложен способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, который осуществляют с использованием низкотемпературной электроразрядной плазмы и который позволяет проводить расщепление длинных органических молекул с возможностью изменения режимов обработки сырья.

Технический результат достигается тем, что предложено устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения:

5. Устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, выполненное на основе источника питания электроразрядной плазмы, системы подготовки жидкой компоненты, системы подготовки газообразной компоненты, плазмохимического реактора, включающее электрод внешний, электрод внутренний, пленку электропроводящей жидкости, камеру газоразрядную, формирователь пленочного потока жидкости, штуцер ввода жидкости, эмульсии или пульпы, штуцер ввода газа или аэрозоля, выполненное с возможностью инициирования реакций диссоциации углеводородов, с возможностью покрытия тонким слоем обрабатываемого сырья одного из электродов газоразрядной камеры, предназначенной для получения сильно неравновесной низкотемпературной плазмы, с возможностью обеспечения протекания процесса отработки продуктами, образуемыми в плазме, с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в непрерывном режиме, или с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в импульсно-периодическом режиме.

6. Устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, выполненное на основе источника питания электроразрядной плазмы, системы подготовки жидкой компоненты, системы подготовки газообразной компоненты, плазмохимического реактора, включающее электрод внешний, электрод внутренний, пленку электропроводящей жидкости, камеру газоразрядную, формирователь пленочного потока жидкости, штуцер ввода жидкости, эмульсии или пульпы, штуцер ввода газа или аэрозоля, выполненное с возможностью инициирования реакций диссоциации углеводородов, с возможностью покрытия тонким слоем обрабатываемого сырья одного из электродов газоразрядной камеры, предназначенной для получения сильно неравновесной низкотемпературной плазмы, с возможностью обеспечения протекания процесса отработки продуктами, образуемыми в плазме, которое дополнительно включает устройство подачи газовой среды во внутреннюю полость газоразрядной камеры, при этом устройство подачи сырья выполнено с возможностью формирования в реакторной камере слоя или потока сырья, имеющего требуемую толщину, а устройство подачи газовой среды выполнено с возможностью подачи газовой смеси в периферийную область внутренней полости реакторной камеры и для формирования в реакторной камере слоя или потока сырья, окруженного газовой средой, с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в непрерывном режиме, или с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в импульсно-периодическом режиме.

На фиг.2 представлена схема работы устройства для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, где:

3 - анод,

4 - катод,

5 - пленка обрабатываемой жидкости,

6 - поток плазмообразующей газовой среды.

Представленная на фиг.2 схема работы устройства реализована практически в виде устройства для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, схема которого представлена на Фиг.3, где:

7 - источник питания электроразрядной плазмы,

8 - система подготовки жидкой компоненты,

9 - система подготовки газообразной компоненты,

10 - плазмохимический реактор.

Схема плазмохимического реактора представлена на фиг.4, где:

11 - электрод внешний,

12 - электрод внутренний,

13 - пленка электропроводящей жидкости,

14 - камера газоразрядная,

15 - формирователь пленочного потока жидкости,

16 - штуцер ввода жидкости, эмульсии или пульпы,

17 - штуцер ввода газа или аэрозоля.

На фиг.2 обрабатываемое вещество 5 протекает тонкой пленкой по одному из электродов: аноду 3 или катоду 4 газоразрядной камеры. В зависимости от желания провести окислительные или восстановительные процессы в ходе крекинга, возможна организация электрического разряда с приложением потенциала определенного знака к электроду, контактирующему с обрабатываемым веществом. Возможно также использование электрического разряда переменного напряжения. Поток плазмообразующей газовой среды 6 тоже может подбираться исходя из характера предпочтительных реакций. Обрабатываемое вещество подается в разрядную зону в виде эмульсии с водными растворами и, возможно, с диспергированными газовыми включениями. Роль воды, водных растворов и веществ в виде газов заключается в образовании радикалов, которые свяжутся с вновь образовавшимися свободными валентностями, препятствуя тем самым обратному процессу восстановления разорванной связи.

На фиг.3 система подготовки жидкой компоненты 8 служит для создания гомогенной жидкой среды, предназначенной для пропускания по электроду в виде тонкой жидкой пленки. Это может быть чистое проводящее вещество, раствор, эмульсия или взвесь твердых микрочастиц в растворе или эмульсии. Для приготовления такой гомогенной среды может быть использован специальный смеситель, эмульгатор или кавитатор.

Система подготовки газообразной компоненты 9 служит для создания смеси газов или аэрозоля, состоящего из взвешенных в газе твердых или жидких микрочастиц.

Источник питания электроразрядной плазмы 7 служит для задания режимов работы плазмохимического реактора 10. В зависимости от необходимости организации процесса обработки это может быть или непрерывный, или импульсно-периодический режим.

Процесс плазменной обработки реализуют посредством плазмохимического реактора, представленного на фиг.4, следующим образом.

Поток жидкости, в которой взвешены или растворены обрабатываемые вещества, подают тангенциально через штуцер 16 в камеру формирования пленочного потока жидкости 15. После формирователя пленочного потока жидкости обрабатываемая среда движется по спирали, надежно покрывая внутреннюю поверхность внешнего цилиндра - внешнего электрода 11. Между внешним 11 и внутренним 12 электродами зажигается плазма. Плазма однородно заполняет коаксиальный промежуток между электродами. Особо нужно подчеркнуть наличие высокой неравновесности в полученной плазме: вблизи водяной пленки температура нейтральной компоненты не превышает, например, 100°С, в то время как температура электронов достигает, например, 10000-50000°С. Высокая плотность радикалов приводит к интенсивному протеканию неравновесных реакций. Существует возможность обработки сред в газовом промежутке электроразрядной камеры. Для этого предусмотрен штуцер 17, через который можно ввести газ или аэрозоль.

Пример осуществления устройства по п.5.

Устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, выполненное на основе источника питания электроразрядной плазмы, системы подготовки жидкой компоненты, системы подготовки газообразной компоненты, плазмохимического реактора, включающее электрод внешний 11, электрод внутренний 12, пленку электропроводящей жидкости 13, камеру газоразрядную 14, формирователь пленочного потока жидкости 15, штуцер ввода жидкости 16, эмульсии или пульпы, штуцер ввода газа 17 или аэрозоля, выполненное с возможностью инициирования реакций диссоциации углеводородов, с возможностью покрытия тонким слоем обрабатываемого сырья одного из электродов газоразрядной камеры, предназначенной для получения сильно неравновесной низкотемпературной плазмы, с возможностью обеспечения протекания процесса отработки продуктами, образуемыми в плазме, с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в непрерывном режиме, или с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в импульсно-периодическом режиме.

В воде в весовой концентрации 1:5 готовят растительное сырье в виде взвеси размолотых клубней топинамбура с максимальными размерами частиц меньше 1 мм, которое пропускают через устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения.

В штуцер 16 устройства, изображенного на фиг.4, подают сырье в виде пульпы, состоящей из измельченного с дисперсностью менее 1 мм органического сырья, находящегося в воде, возможно, барботированной водородом.

При этом в штуцер 17 может подаваться или водород, или же не подаваться ничего. В первом случае на разорванные полимерные связи будут в основном присоединяться атомы водорода. При этом в продуктах реакции возникнут более легкие, по сравнению с исходными, углеводороды.

Во втором случае может образовываться большее количество тяжелых спиртов. Расход сырья в примере составляет около 0,5 м³/час, удельный энерговклад порядка 10 кВт/см³, напряжение между электродами составляло 800 В. Сырье пропускали 5 раз через устройство с отбором проб после каждого прохода. Пробы анализировали с использованием тонкопленочной хроматографии. Зафиксировано эффективное уменьшение высокомолекулярной компоненты и соответствующее увеличение низкомолекулярной.

Пример осуществления устройства по п.6.

Устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, выполненное на основе источника питания электроразрядной плазмы, системы подготовки жидкой компоненты, системы подготовки газообразной компоненты, плазмохимического реактора, который включает электрод внешний 11, электрод внутренний 12, пленку электропроводящей жидкости 13, камеру газоразрядную 14, формирователь пленочного потока жидкости 15, штуцер ввода жидкости 16, эмульсии или пульпы, штуцер ввода газа 17 или аэрозоля, выполненное с возможностью инициирования реакций диссоциации углеводородов, с возможностью покрытия тонким слоем обрабатываемого сырья одного из электродов газоразрядной камеры, предназначенной для получения сильно неравновесной низкотемпературной плазмы, с возможностью обеспечения протекания процесса отработки продуктами, образуемыми в плазме, которое дополнительно включает устройство подачи газовой среды во внутреннюю полость газоразрядной камеры, при этом устройство подачи сырья выполнено с возможностью формирования в реакторной камере слоя или потока сырья, имеющего требуемую толщину, а устройство подачи газовой среды выполнено с возможностью подачи газовой смеси в периферийную область внутренней полости реакторной камеры и для формирования в реакторной камере слоя или потока сырья, окруженного газовой средой, с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в непрерывном режиме, или с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в импульсно-периодическом режиме.

В штуцер 16 устройства, изображенного на фиг.4, подается эмульсия тяжелого нефтепродукта в воде. В результате протекающих в реакторной камере процессов на выходе получаются легкие нефтепродукты.

Таким образом, достигнут желаемый технический результат, а именно, предложено устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, которое включает низкотемпературную электроразрядную плазму, которое позволяет осуществлять расщепление длинных органических молекул с возможностью изменения режимов обработки сырья.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Предложенные способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения и устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения выводят процесс обработки органического сырья за рамки используемых в настоящее время равновесных, тепловых способов обработки.

Использование в предлагаемых изобретениях низкотемпературной плазмы, создаваемой приложенным внешним электрическим полем, не только осуществляет дешевый альтернативный подход к решению проблемы переработки органического сырья, но и позволяет повысить эффективность переработки.

Наличие свободных низкоэнергетических, с энергией в несколько эВ, электронов в низкотемпературной плазме является источником эффективных каналов преобразования вложенной в электроразрядную плазму электрической энергии в энергию разрыва химических связей.

Изобретения могут быть использованы для разработки и внедрения новых технологий в пищевой и биоэнергетической, а также в химической и нефтехимической отраслях промышленности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. «Глубокая переработка нефти: технологический и экологический аспекты». Каминский Э.Ф., Хавкин В.А. М.: Издательство Техника. 2001 г.

2. Патент RU 2252069, кл. B01J 19/08, C10G 15/10, публикация от 20.05.2005.

Изобретение относится к пищевой и биоэнергетической, а также к химической и нефтехимической отраслям промышленности. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения включает обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1×10^-16 до 20×10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, с возможностью введения в сырье катализаторов, а также химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов. Устройство для плазмохимической переработки сырья выполнено на основе источника питания электроразрядной плазмы, системы подготовки жидкой компоненты, системы подготовки газообразной компоненты и плазмохимического реактора. В качестве источника питания электроразрядной плазмы используют источник, обеспечивающий горение электрического разряда в непрерывном режиме или в импульсно-периодическом режиме. Изобретение позволяет проводить расщепление длинных органических молекул с возможностью изменения режимов обработки сырья и является перспективным, эргономичным и высокотехнологичным. 6 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, включающий обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1·10^-16 до 20·10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, с возможностью введения в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов, а также с возможностью введения в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов, в том числе соли, кислоты или щелочи.

2. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, включающий обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1·10^-16 до 20·10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, при этом осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей водород и/или газообразные водородсодержащие соединения, с возможностью введения в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов, а также с возможностью введения в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов, в том числе соли, кислоты или щелочи.

3. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, включающий обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1·10^-16 до 20·10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, при этом осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей кислород и/или кислородсодержащие молекулы, при температуре, характеризующей поступательное движение атомно-молекулярных компонентов плазмы, заметно ниже точки воспламенения обрабатываемого сырья, с возможностью введения в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов, а также с возможностью введения в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов, в том числе соли, кислоты или щелочи.

4. Способ плазмохимической переработки сырья органического и растительного происхождения, включающий обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при котором на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1·10^-16 до 20·10^-16 В·см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, при этом осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в газовой среде, содержащей кислород и/или кислородсодержащие молекулы, при температуре, характеризующей поступательное движение атомно-молекулярных компонентов плазмы, заметно ниже точки воспламенения обрабатываемого сырья, с возможностью введения в обрабатываемое сырье катализаторов, в том числе солей и окислов тяжелых металлов, а также с возможностью введения в обрабатываемое сырье химических веществ, изменяющих рН и ионную силу растворов, в том числе соли, кислоты или щелочи, при этом обрабатываемое органическое сырье пропускают тонким слоем по одному из электродов определенной полярности в зависимости от желания организовать в обрабатываемой среде окислительные или восстановительные процессы.

5. Устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, выполненное на основе источника питания электроразрядной плазмы, системы подготовки жидкой компоненты, системы подготовки газообразной компоненты, плазмохимического реактора, включающее электрод внешний, электрод внутренний, пленку электропроводящей жидкости, камеру газоразрядную, формирователь пленочного потока жидкости, штуцер ввода жидкости, эмульсии или пульпы, штуцер ввода газа или аэрозоля, выполненное с возможностью инициирования реакций диссоциации углеводородов, с возможностью покрытия тонким слоем обрабатываемого сырья одного из электродов газоразрядной камеры, предназначенной для получения сильно неравновесной низкотемпературной плазмы, с возможностью обеспечения протекания процесса отработки продуктами, образуемыми в плазме, с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в непрерывном режиме, или с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в импульсно-периодическом режиме.

6. Устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения, выполненное на основе источника питания электроразрядной плазмы, системы подготовки жидкой компоненты, системы подготовки газообразной компоненты, плазмохимического реактора, включающее электрод внешний, электрод внутренний, пленку электропроводящей жидкости, камеру газоразрядную, формирователь пленочного потока жидкости, штуцер ввода жидкости, эмульсии или пульпы, штуцер ввода газа или аэрозоля, выполненное с возможностью инициирования реакций диссоциации углеводородов, с возможностью покрытия тонким слоем обрабатываемого сырья одного из электродов газоразрядной камеры, предназначенной для получения сильно неравновесной низкотемпературной плазмы, с возможностью обеспечения протекания процесса отработки продуктами, образуемыми в плазме, которое дополнительно включает устройство подачи газовой среды во внутреннюю полость газоразрядной камеры, при этом устройство подачи сырья выполнено с возможностью формирования в реакторной камере слоя или потока сырья, имеющего требуемую толщину, а устройство подачи газовой среды выполнено с возможностью подачи газовой смеси в периферийную область внутренней полости реакторной камеры и для формирования в реакторной камере слоя или потока сырья, окруженного газовой средой, с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в непрерывном режиме, или с возможностью выполнения в качестве источника питания электроразрядной плазмы источника, обеспечивающего горение электрического разряда в импульсно-периодическом режиме.