Способ получения водорода из метана Российский патент 2022 года по МПК C01B3/26 C01B3/28 C07C11/04 C07C2/84 B01J19/12 B01J8/14 B01J21/06 B01J23/28 B01J23/745 B01J23/75 B01J23/755 B82Y99/00 

Изобретение относится к области топливной и химической промышленности, а именно к способам переработки углеводородного газа, и может быть использовано для производства водорода и этилена.

Углеводородный газ, в частности метан, может взаимодействовать с каталитическими частицами активизированными электромагнитным излучением, при этом происходит индукционная конверсия метана, то есть идет прямой неокислительный синтез водорода и этилена из метана при воздействии электромагнитного излучения на каталитические частицы.

Известно решение лазерной конверсии метана в газопылевом облаке. Нагрев наночастиц катализатора обеспечивается СО₂-лазерным излучением. Углекислотные лазеры излучают в инфракрасном диапазоне (ИК-диапазон). Длина волны составляет от 9,4 до 10,6 мкм. Данный принцип основан на свойстве переходов между колебательными и вращательными уровнями молекулы CO₂. Основой принципа работы углекислотного лазера является передача энергии накачки объектам, попавшим в луч. Газовая смесь может иметь различные пропорции, в зависимости от специфики задач и применения углекислотного лазера. Недостатком данного решения является малый коэффициент полезного действия (КПД) СО₂-лазерного излучения. Стандартные изделия имеют КПД около 20%,отдельные образцы углекислотных лазеров могут достигать КПД до 30%, что является самым высоким показателем эффективности среди лазеров на данный момент развития лазерной техники. Дополнительным недостатком данного решения является затухание и падение мощности углекислотного лазерного излучения при прохождении сквозь пылевое облако каталитических частиц, что ограничивает полезный активный объем реактора и ограничивает насыщенность газопылевого облака каталитическими частицами (опубл. https://www.nsktv.ru/news/technology/novosibirskie_khimiki_predlozhili_poluchat_vodorod_i_etilen_s_pomoshchyu_lazera/).

Известен «Способ получения обогащенного водородом топлива посредством разложения метана на катализаторе при микроволновом воздействии» (патент RU 2423176, опубл. 10.07.2011). Способ характеризуется наличием потока метанового газа со скоростью около 120 мл/мин, использованием катализатора, содержащего частицы металла, выбранного из групп Ni81Al, Ni93Al, Ni77Cu16Al, Ni54Cu27Al и Ni83Mg6Al, с размером частиц диаметром от 74 до 140 мкм, нагреванием катализатора с помощью микроволнового излучения мощностью в диапазоне от 150 до 300 Вт. Состав газообразного продукта включает от 20 до 30 об.% водорода и от 70 до 80 об.% метана. Недостаток данного метода - получение только водорода и малый его выход, до 30%.

Известен «Способ получения углерода и водорода из углеводородного газа и устройство для его осуществления» (патент RU 2317943, опубл. 27.02.2008). Суть способа заключается в получении углерода и водорода из углеводородного газа и включает в себя предварительный нагрев и последующее разложение углеводородного газа под воздействием сверхвысокочастотного электромагнитного поля с выделением и сепарацией углерода и водорода. Предварительный нагрев углеводородного газа происходит под действием энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля в тепловой зоне проточного реактора протяженной формы, равномерно заполненной газопроницаемым, электропроводящим веществом-инициатором, выбранным из группы: титан, никель, никелид титана, никелид алюминия, молибден, при этом разложение углеводородного газа осуществляют на выходе из тепловой зоны реактора при повышенной, по сравнению с тепловой зоной реактора, напряженности сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Устройство содержит проточный реактор с раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода и источник энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля, связанный со сверхвысокочастотным волноводом. Проточный реактор помещен в сверхвысокочастотный волновод прямоугольной формы, при этом проточный реактор выполнен в виде продолговатой цилиндрической камеры из радиопрозрачного термостойкого материала, частично заполненной газопроницаемым, электропроводящим веществом-инициатором, выбранным из группы: титан, никель, никелид титана, никелид алюминия, молибден, и снабжен концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля, размещенным непосредственно после вещества-инициатора. Каталитические структуры выполнены в виде пористых гранул с поперечными размерами 0,1-2,0 мм. Недостатком данного метода является малая реакционно способная площадь катализатора.

Указанные проточные каталитические способы по совокупности существенных признаков наиболее близки к заявленному изобретению.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, является высокая стоимость и низкая производительность процесса получения водорода для дальнейшего его использования, например, в качестве перспективного топлива для космической, авиационной, автотранспортной отрасли. Также для промышленных предприятий является актуальной потребность в простом и экономически оправданном способе прямой димеризации метана в этилен до температуры 1000°С.

Техническим результатом заявленного изобретения является высокопроизводительный способ получения двух высокомаржинальных продуктов: водорода и этилена, пригодный для использования в малотоннажном производстве при оптимальных энергозатратах с возможностью реализации способа как на стационарных промышленных установках большого размера, так и в мобильном исполнении на транспортных средствах.

Технический результат достигается за счет того, что способ получения водорода из метана, включающий подачу потока метана в реактор, использование катализатора, содержащего частицы металла, выбранного из группы: никель, титан, молибден, железо, кобальт, нагрев катализатора посредством электромагнитного воздействия с последующим выделением водорода при конверсии метана, согласно изобретению, катализатор в виде нанопорошка подают в реактор тороидальной формы одновременно с потоком метана, вентилятор внутри реактора перемешивает и направляет пылегазовую смесь в зону индукционного нагрева, где в результате нагрева катализатора проходят реакции димеризации и дегидрирования с образованием водорода и этилена, которые стабилизируются в последующей холодной зоне реактора.

В предлагаемом изобретении, в отличие от аналогов, происходит не оптический или микроволновый, а индукционный нагрев каталитических частиц внутри метановой среды. КПД такого решения близок к 90%, а количество частиц, попадающих под влияние электромагнитного излучения индукционного источника на порядок выше, чем, например, от углекислотного лазерного луча. Нагрев каталитических частиц происходит равномерно во всей зоне индукционного нагрева реактора. Наноразмер каталитических частиц позволяет увеличить реакционную площадь по сравнению с микропараметрами.

Настоящее изобретение иллюстрируется схемой на фиг.1, где 1 - патрубок для подачи природного газа (метана) и нанопорошка катализатора, 2 - тороидальный реактор, 3 - лопастной вентилятор, 4 - пылегазовая смесь нанопорошка катализатора и метана, 5 - зона индукционного нагрева, 6 - патрубок для выхода полезных продуктов в виде смеси метана, водорода и этилена.

Способ получения водорода из метана с помощью нанодисперсного катализатора и индукционного нагрева осуществляется следующим образом.

Тороидальный реактор 2 выполнен из трубы в виде кольца из немагнитных материалов. Размер внутреннего диаметра трубы реактора 2 составляет 3…5 размеров внутреннего диаметра патрубка 1 подачи метана. Вокруг ректора 2 в активной зоне 5 располагается индукционная нагревательная спираль. Реактор имеет по меньшей мере одну активную зону конверсии метана с электромагнитным (индукционным) нагревом и неактивную зону для стабилизации новых продуктов. По патрубку 1 в тороидальный реактор 2 подается поток метана и порошок катализатора, содержащего наночастицы металла, выбранного из групп: никель, титан, молибден, железо и кобальт, размер частиц составляет (10…50)⋅10^-9 м. Размерность и состав композиции каталитических частиц влияет на выход продукта. Лопастной вентилятор 3 обеспечивает равномерное перемешивание природного газа и нанопорошка катализатора, что способствует образованию пылегазовой смеси 4. Лопастной вентилятор 3 направляет движение пылегазовой смеси 4 вдоль стенок реактора 2 в зону индукционного нагрева 5, где происходит конверсия метана, и регулирует скорость прохождения потоком активной зоны индукционного нагрева. При прохождении индукционной зоны 5 наночастицы катализатора нагреваются до температуры 810…850°С. Вокруг нагретых каталитических частиц происходит образование активных центров конверсии метана, цепные реакции димеризации и дегидрирования, с образованием водорода и этилена. Наноразмерность каталитических частиц увеличивает реакционную поверхность активных центров, по отношению к стандартным пористым каталитическим системам. Электромагнитные потоки, помимо нагрева наночастиц, отталкивают их от стенок реактора в центр сечения трубы тороида, и тем самым предотвращают осыпание нанопорошка катализатора на стенки реактора под действием силы тяжести. Поскольку электромагнитное излучение нагревает только каталитические частицы, то метановая среда и стенки реактора остаются холодными или подвергаются незначительному нагреванию от нагретых каталитических частиц. При выходе потока среды 4 из активной индукционной зоны 5 каталитические частицы остывают, при этом новые продукты конверсии и синтеза стабилизируются в ненагретой среде метана. Движение каталитических наночастиц по тороиду носит цикличный характер. Выход полезных продуктов в виде смеси метана, водорода и этилена осуществляется через выходной патрубок 6.

Изобретение может быть использовано в топливной и химической промышленности. Способ получения водорода и этилена из метана включает подачу потока метана в реактор, использование катализатора, содержащего частицы металла, выбранного из группы: никель, титан, молибден, железо, кобальт, нагрев катализатора посредством электромагнитного воздействия с последующим выделением водорода и этилена при конверсии метана. Катализатор в виде нанопорошка подают в реактор тороидальной формы одновременно с потоком метана. Вентилятор внутри реактора перемешивает и направляет пылегазовую смесь в зону индукционного нагрева, где в результате нагрева катализатора до 810-850°С проходят реакции димеризации и дегидрирования с образованием водорода и этилена, которые стабилизируются в последующей холодной зоне реактора. Изобретение позволяет получать водород и этилен с КПД близким к 90%. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения водорода и этилена из метана, включающий подачу потока метана в реактор, использование катализатора, содержащего частицы металла, выбранного из группы: никель, титан, молибден, железо, кобальт, нагрев катализатора посредством электромагнитного воздействия с последующим выделением водорода и этилена при конверсии метана, отличающийся тем, что катализатор в виде нанопорошка подают в реактор тороидальной формы одновременно с потоком метана, вентилятор внутри реактора перемешивает и направляет пылегазовую смесь в зону индукционного нагрева, где в результате нагрева катализатора до температуры 810…850°С проходят реакции димеризации и дегидрирования с образованием водорода и этилена, которые стабилизируются в последующей холодной зоне реактора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размер частиц нанопорошка катализатора составляет (10…50)⋅10^-9 м.