СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И ПИРОУГЛЕРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2023 года по МПК C01B3/28 C01B32/05 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области пиролитического разложения углеводородов, в частности метана, на водород и пироуглерод (пиролитический углерод), и относится, в частности, к новому способу проведения соответствующей конверсии, в котором используется реактор, содержащий два электрода, расположенные на расстоянии друг от друга в направлении движения потока углеводородов, и на участке реактора между электродами по всему поперечному сечению реактора осуществляют ввод инертного газового компонента. Изобретение, кроме того, относится к устройству для осуществления указанного способа.

Уровень техники

В ближней и среднесрочной перспективе производство водорода будет продолжаться на основе использования ископаемого топлива, главным образом, природного газа (NG). С другой стороны, традиционные способы производства водорода являются одним из основных источников антропогенных выбросов CО₂ в атмосферу.

Водород, в принципе, может быть получен из углеводородных топлив посредством окислительных и неокислительных процессов химического превращения.

Процессы окислительной конверсии включают химическую реакцию углеводородов с окислителями, такими как вода, кислород или комбинация воды и кислорода (процессы парового риформинга, частичного окисления и автотермического риформинга). Эти процессы включают первую стадию, на которой образуется смесь водорода и монооксида углерода (синтез-газ), от которой отделяют водород путем обработки газа (реакция конверсии водяного газа) и предпочтительно посредством стадии реакций окисления и удаления СО₂. Общий выброс СО₂ в результате осуществления этих процессов достигает 0,5-0,6 м³ на м³ полученного водорода.

Неокислительные процессы включают термическое разложение (или диссоциацию, пиролиз, крекинг) углеводородов на водород и углерод. Термическое разложение природного газа в течение нескольких десятилетий было использовано для производства технического углерода (термической сажи), при этом водород представляет собой ценный продукт, дополнительно полученный в этом процессе. В этом процессе пары углеводорода разлагаются на водород и частицы технического углерода (термической сажи) при контакте в предварительно нагретом состоянии при температуре приблизительно равной 1400°С. Процесс осуществлялся, например, как полунепрерывный (циклический) процесс с использованием двух последовательно расположенных реакторов. В патентном документе US2926073 описано усовершенствованное устройство для производства технического углерода и водорода из углеводородов посредством непрерывного процесса термического разложения.

Компанией Kvaerner Company (Норвегия) разработан способ разложения метана, который производит водород и сажу при высоких температурах (способ CB&H, описанный в источнике информации: Proc. 12th World Hydrogen Energy Conference, Buenos Aires 697, 1998). Преимуществами плазменно-химических методов, используемых в этом способе, являются высокая тепловая эффективность (> 90%) и чистота водорода 98 мас.%. Однако недостатком указанного способа является высокое потребление энергии. В журнале Int. J. Hydrogen Energy, 24, 771, 1999 (Steinberg et al.) предложен реактор для разложения метана, в состав которого входит ванна с расплавленным металлом. В этом реакторе пузырьки метана проходят через ванну с расплавленным оловом или медью при высоких температурах (900°С или более). Преимущества используемой системы заключаются в эффективной передаче теплоты потоку газообразного метана и легкости отделения углерода от поверхности жидкого металла вследствие разности плотностей.

В журнале: Int. J. Hydrogen Energy, 24, 613, 1999 описан высокотемпературный регенеративный газовый нагреватель для получения водорода и углерода, разработанный авторами Spilrain et al. В способе, описанном в этом источнике, термическое разложение природного газа осуществлялось в присутствии газа-носителя (N₂ или H₂), который был предварительно нагрет до температуры в диапазоне от 1627°C до 1727°C в пучке труб регенеративного газового нагревателя.

Проблема, связанная с описанными выше способами, заключается в необходимости создания очень высокой температуры для крекинга метана. В этой связи были предприняты многочисленные попытки снижения температуры, необходимой для термического разложения метана, за счет использования катализаторов. В частности, в качестве очень активных катализаторов для реакции разложения метана хорошо зарекомендовали себя переходные металлы. Однако существует одна проблема, которая заключается в дезактивации катализатора вследствие осаждения углерода на поверхности этого катализатора.

Указанная проблема в большинстве случаев решалась путем сжигания осажденного на поверхности углерода в атмосфере воздуха и восстановления первоначальной активности катализатора. Однако недостаток описанного способа заключается в том, что весь углерод превращается в СО₂, и водород получают в качестве единственного продукта реакции, пригодного к использованию. Например, в источнике информации: Proc. 26th Power Sources Symp. Red Bank, MJ 181, 1974 (Callahan) описан каталитический реактор, способный осуществлять каталитическую конверсию метана и других углеводородов с получением водорода для применения в топливных элементах. Поток газообразного топлива вводится в один из двух слоев реактора, где происходит разложение углеводородов с получением водорода при температуре 870-980°C, и на никелевом катализаторе осаждается углерод. Одновременно вводят воздух во второй реактор, в котором катализатор регенерируется при сжигании осажденного углерода на поверхности катализатора. Подача топлива и воздуха была поменяна местами для второго цикла разложения/регенерации. Описанный выше способ не требует проведения какой-либо из стадий конверсии водяного газа и отделения газа, что является значительным преимуществом. Однако из-за циклического характера способа водород загрязняется оксидами углерода. Другим недостатком этого способа является то, что в нем не получают углерода в качестве побочного продукта.

В патентном документе US 3284161 описан способ непрерывного получения водорода путем каталитического разложения потоков газообразных углеводородов. Разложение метана осуществлялось в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора в диапазоне температур от 815°C до 1093°C. В этом способе использовались катализаторы из никеля, железа и кобальта (предпочтительно Ni/Al₂O₃). Катализатор, загрязненный углеродом, непрерывно отводился из реактора и вводился в зону регенерации, где осуществлялось выжигание углерода. Регенерированный катализатор затем возвращался в реактор.

В патентном документе US 5650132 описан способ получения водорода из метана и других углеводородов, включающий контакт углеводородов с мелкими частицами углеродсодержащего материала, который получен с помощью дугового разряда, созданного между угольными электродами, и площадь внешней поверхности которого составляет по меньшей мере 1 м²/г. В качестве используемого углеродного материала указаны технический углерод, полученный в результате термического разложения различных органических соединений или сжигания топлива, углеродные нанотрубки, активированный уголь, фуллерены С60 или С70 и тонкоизмельченный алмаз. Оптимальные условия конверсии метана включают следующие: разбавление метана инертным газом (предпочтительно до достижения концентрации метана от 0,8 об.% до 5 об.%), диапазон температур от 400°C до 1200°C, время пребывания метана в зоне реакции составляет приблизительно 50 секунд. Увеличение концентрации метана в исходном материале от 1,8 об.% до 8 об.% (при температуре 950°С) привело к резкому снижению степени конверсии от 64,6% до лишь 9,7%. Следует также отметить, что каталитическая активность катализаторов на углеродной основе в процессе пиролиза углеводородов постепенно снижается. Для увеличения срока службы катализатора было предложено подавать в зону пиролиза окисляющие газы, такие как H₂O или CO₂. Однако недостатком данного решения является возможность загрязнения водорода оксидами углеродами, что обуславливает необходимость проведения дополнительной стадии очистки. Было предложено также сжигать отработавший катализатор, но это может быть весьма невыгодным вследствие высокой стоимости углеродных материалов, используемых в этом способе.

В патентном документе US 2007/111051 описан способ получения водорода, не содержащего (не загрязненного) СО₂, и углерода посредством термокаталитического разложения углеводородного топлива над углеродсодержащими катализаторами в отсутствии воздуха и воды. Используемым в этом случае катализатором является, например, активированный уголь «Darco^®-KB-B», площадь поверхности которого составляет 1500 м²/г, общий объем пор 1,8 мл/г и размер частиц 15 мкм. В способе, известном из указанного патентного документа, фактическое разложение исходного углеводородного сырья осуществляется при температурах в диапазоне от приблизительно 850°C до 1000°C.

Из изложенного выше следует, что в традиционных реакторах пиролитического разложения газообразного метана на углерод и водород полученный углерод представляет собой, в особенности, значительную проблему. Для решения этой проблемы в соответствии с разработкой Технического университета Дортмунда (факультет биологической и химической инженерии, кафедра инженерии химических процессов под руководством профессора Дэвида В. Агара, информация о разработке доступна по ссылке: dechema.de/dechema_media/2942_Schlussbericht-p-4820.pdf) предложен способ, в соответствии с которым метан проходит сверху вниз в реакторной камере, нагретой до температуры приблизительно 1100°С. Такие условия проведения реакции позволяют образовавшимся частицам технического углерода в ходе осуществления способа падать вниз, и их выгрузка производится вместе с другими газообразными компонентами, такими как водород и непрореагировавший остаточный газообразный метан. Для предотвращения осаждения углерода на боковой поверхности корпуса реактора фактическое реакторное пространство образовано с помощью пучка цилиндрических пористых керамических труб, через которые в реакторное пространство вводится инертный газ, например, в виде газообразного азота (N₂).

В соответствии со способом, разработанным Институтом Фраунгофера керамических технологий, реактор полностью окружен теплоносителем, обеспечивающим подвод тепловой энергии, необходимой для условий осуществления способа. Однако такое конструктивное выполнение является затруднительным для воплощения, в частности, в случае ректоров больших размеров, и необходимо значительное количество энергии. Легче реализовать нагрев реакторной камеры с помощью электронагревательных элементов, установленных внутри реакторной камеры. Это может быть достигнуто путем размещения в реакторе одной или более пар электродов, которые обеспечивают резистивный нагрев реакционных газов, например, за счет размещения между электродами токопроводящего материала, в частности, углеродных частиц. Однако такая конфигурация реактора создает проблему в том, что температура внутренней стенки реактора в реакционной зоне превышает температуру пиролиза метана/низших углеводородов. В результате эти соединения также повергаются пиролизу на стенке реактора с образованием на внутренней стенке реактора слоя пироуглерода. Характеристики электропроводности слоя углерода могут обуславливать увеличение электрического тока, протекающего от одного электрода к другому через образовавшийся на стенке слой пироуглерода, что в крайне неблагоприятных ситуациях может привести к прекращению нагрева, если в результате электрический ток через слой углерода больше не проходит.

Таким образом, существует проблема, которая заключается в обеспечении таких условий работы надлежащим образом сконфигурированных реакторов, которые предотвращают образование токопроводящего мостика из углерода на стенке реактора. Настоящее изобретение направлено на решение указанной проблемы.

Раскрытие изобретения

Изобретение обеспечивает способ получения водорода и пироуглерода из углеводородов, в соответствии с которым углеводороды превращаются в водород и углерод в реакторе при температуре 1000°С или более, реактор содержит два электрода, размещенных на расстоянии друг от друга в направлении движения потока углеводородов, при этом способ отличается тем, что на участке реактора между электродами по всему поперечному сечению реактора подают инертный газовый компонент, а также тем, что реактор на участке между электродами содержит углеродные частицы. Другими словами, при осуществлении способа в соответствии с изобретением по всему поперечному сечению реактора подают инертный газовый компонент, например, азот.

Применительно к настоящему изобретению термин «инертный газовый компонент» означает газ или смесь газов, которая является химически инертной по отношению к углеводородам, находящимся в реакторе, и не вступает с ними в химическую реакцию. Это не исключает, что инертный газовый компонент содержит или состоит из компонентов, инертных по отношению к продуктам, получаемым в реакторе, в частности, по отношению к образующемуся углероду. Так, например, водород является газом, способным вместе с углеродом и при подходящих условиях образовать метан, который в контексте изобретения может быть использован для разложения углерода, осажденного на стенках реактора.

Указание на то, что инертный газовый компонент подается в реактор «по всему поперечному сечению реактора», не следует понимать как означающее, что инертный газовый компонент подлежит вводу на всем участке между двумя электродами. Инертный газовый компонент предпочтительно вводится между электродами только на субучастке стенки реактора. Это может быть достигнуто, например, при использовании одного или большего количества подающих устройств. Инертный газовый компонент предпочтительно вводят в реакторную камеру с помощью одного или большего количества подающих устройств, размещенных на стенке реактора, ортогонально направлению движения потока углеводородов, вводимых в реактор.

Углеродные частицы могут находиться на участке реактора между двумя электродами в неподвижном состоянии, но возможно также, что углеродные частицы находятся в движении на этом участке. В настоящем изобретении предпочтительно, если углеродные частицы проходят через реактор в направлении, противоположном направлению движения потока углеводородов, поскольку это в значительной степени препятствует образованию токопроводящих мостиков (вследствие адгезии углерода, образовавшегося в реакторе) и, следовательно, формированию неравномерного профиля температуры в реакторе.

В отношении выбора углеводородов, которые могут быть использованы в способе в соответствии с настоящим изобретением, не существует каких-либо ограничений, при условии, что из этих углеводородов является возможным высвобождение водорода и образование углерода в диапазоне температур выше 1000°С. Подходящими углеводородами могут быть, например, углеводороды, которые являются газообразными или жидкими при нормальной температуре и нормальном давлении, такие как метан, пропан, бензиновая фракция, дизельная фракция, нефтяной остаток или сырая нефть. Предпочтительными углеводородами в настоящем изобретении являются газообразные углеводороды, в частности, метан и пропан, из которых особенно предпочтительным является метан. Конверсия упомянутых углеводородов осуществляется в соответствии со следующими уравнениями реакций:

CH₄ → C + 2 H₂

C_nH_m → nC + m/2H₂

где n больше 1 и m не больше (2n + 2). Обе реакции являются эндотермическими.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, инертный газовый компонент предпочтительно представляет собой инертный газ, в частности, азот или аргон, или газ, являющийся инертным по отношению к углеводородам, такой как газообразный водород, полученный в результате проведения реакции. «Инертный газ» должен состоять по существу из инертного газа, т.е. предпочтительно содержать до 80 об.%, более предпочтительно до по меньшей мере 90 об.% и ещё более предпочтительно до по меньшей мере 95 об.% инертного газа. Небольшие концентрации неинертных газов, например, метана, могут быть допустимы заданными условиями осуществления способа. Однако в этих случаях температура вводимого инертного газа должна быть ниже температуры разложения метана, чтобы предотвратить образование технического углерода в подводящем канале для инертного газового компонента. Как инертный газовый компонент, так и углеводороды не должны содержать окисляющих или окисленных компонентов.

Используемые углеродные частицы предпочтительно могут быть такими, которые промотируют пиролитическое разложение углеводородов и проводят электрический ток в диапазоне температур выше 1000°С.

В частности, подходящими углеродными частицами в настоящем изобретении являются, в числе других, поставляемые на рынок продукты, такие как DARCO® KB-B (Norit Americas Inc.), Black Pearls 2000 (CABOT Corp.) или XC-72 (CABOT Corp.). Однако в принципе может быть использован любой материал, образованный из углерода, такой как прокаленный нефтяной кокс, коксующийся уголь или пироуглерод, образовавшийся в способе.

В настоящем изобретении обычно достаточно, если способ осуществляется с использованием углеродных частиц, полученных отдельно для этой цели, на начальной стадии. В последующем часть пироуглерода, полученного в способе, может быть использована в качестве указанных углеродных частиц, либо индивидуально, либо в смеси с отдельно полученными углеродными частицами. По экономическим соображениям предпочтение отдается преимущественному использованию пироуглерода, и особое предпочтение исключительному использованию пироуглерода, полученного в ходе проведения способа, после начальной стадии, т.е. когда реактор произвел достаточное количество пироуглерода для осуществления способа с его использованием.

Термин «преимущественно» означает здесь содержание по меньшей мере 60 мас.%, предпочтительно по меньшей мере 70 мас.%, более предпочтительно по меньшей мере 80 мас.% и ещё более предпочтительно по меньшей мере 90 мас.% от общего количества углеродных частиц.

Для способа в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно также, если реакционная зона расположена в реакторной камере (реакторном пространстве) вертикально, и углеводороды проходят через реакционную зону снизу вверх, а углеродные частицы перемещаются через реакционную зону сверху вниз. Такие условия осуществления способа, с одной стороны, обеспечивают возможность теплообмена между углеводородами, подводимыми в камеру реактора, и углеродными частицами. С другой стороны, углерод, полученный из углеводородов, в значительной степени осаждается на углеродные частицы и, в случае не статических углеродных частиц, транспортируется вниз из реакторной камеры вместе с углеродными частицами, в то время как газообразный продукт, полученный в реакторной камере, отводится с верха реактора. В результате такого осуществления способа полученный газообразный продукт по существу не содержит углерода, образовавшегося в реакторной камере.

Дополнительно или в качестве альтернативы, способ в соответствии с изобретением является в особенности эффективным, если температура в реакционной зоне реактора поддерживается, в частности, в диапазоне температуры от 1000°C до 1900°C, предпочтительно в диапазоне от 1200°C до 1500°C.

Как уже было отмечено выше, предпочтительно, если инертный газовый компонент имеет температуру меньше температуры, необходимой для разложения углеводородов на углерод и водород. При соответствующих условиях проведения способа стенка реактора на участке, где инертный газовый компонент вводится в реакторную камеру, будет холоднее, чем в остальной части реактора, что препятствует образованию технического углерода в непосредственной близости от подводящего канала для инертного газового компонента. Благодаря более холодному инертному газу в каналах, предназначенных для подачи в реактор инертного газа, не образуется технический углерод, который может закупоривать эти каналы. В предпочтительном воплощении температура вводимого в реактор инертного газового компонента составляет менее 1000°С, предпочтительно менее 900°С, и в особенности предпочтительно в диапазоне от 200°C до 800°C.

Как отмечено выше, водород является газом, инертным, например, в отношении реакции пиролиза метана с получением водорода и углерода, и может быть использован в настоящем изобретении в качестве инертного газового компонента. В предпочтительном воплощении способ в соответствии с изобретением предусматривает возможность подачи части газообразного продукта, полученного при осуществлении способа, предпочтительно от 5 об.% до 30 об.% и, в частности, от 10 об.% до 25 об.%, в реактор в качестве инертного газового компонента.

Углеводороды, в частности метан, предпочтительно следует подавать в реактор со скоростью потока, обеспечивающей превращение углеводородов в водород и углерод от значительного превращения (т.е. по меньшей мере 20%) до по существу полного (т.е. по меньшей мере 70%) превращения. Подходящие скорость потока в этом случае находятся в диапазоне от 0,001 м/с до 10 м/с, предпочтительно от 0,01 м/с до 1 м/с.

Способ в соответствии с изобретением, кроме того, является особенно предпочтительным, если инертный газовый компонент вводится в реактор со скоростью потока в диапазоне от 0,001 м/с до 100 м/с, предпочтительно от 0,1 м/с до 10 м/с.

В особенности предпочтительные условия осуществления способа установлены для углеродных частиц, используемых в способе в соответствии с изобретением, если эти частицы подают в реактор со скоростью в диапазоне от 0,5 м/ч до 100 м/ч и предпочтительно от 1 м/ч до 10 м/ч.

Второй аспект настоящего изобретения относится к устройству для пиролитического превращения углеводородов в водород и углерод, содержащему реактор 1 с реакторной камерой, которая содержит два электрода 2 на расстоянии один от другого в направлении движения потока углеводородов, с помощью которых в реакторе может быть осуществлен резистивный нагрев, и подающее устройство для инертного газа, которое расположено на участке между электродами реактора и проходит по всему поперечному сечению реактора. Предложенное устройство предпочтительно содержит подводящие линии для исходного продукта (например, метана) и углеродных частиц в качестве катализатора, а также содержит отводящие линии для углеродных частиц и газообразного продукта.

Подающее устройство предпочтительно расположено ортогонально предполагаемому направлению движения углеводородов и углеродных частиц в реакторе. Подающее устройство содержит распределитель для инертного газового компонента, который находится в сообщении по текучей среде с реакторной камерой (например, посредством непрерывного щелевого отверстия (щелевого канала), которое пересекает реакторную камеру, образуя впускное отверстие). Поперечное сечение реактора в описанном выше устройстве предпочтительно выполнено круговым, в частности, имеет форму окружности или овала. Реактор может также содержать множество подающих устройств для инертного газового компонента.

Предпочтительно в устройстве в соответствии с изобретением подающее устройство может быть выполнено так, что поперечное сечение реактора сужается выше и/или ниже впускного отверстия для ввода инертного газового компонента в реактор. В частности, предпочтительно, если поперечное сечение реактора сужается выше и ниже указанного впускного отверстия для газа. Сужение 6 выше впускного отверстия обеспечивает незащищенное абразивное истирание образующегося в процессе пиролиза слоя технического углерода, и снижает возможность скопления углеродных частиц на участке ввода инертного газа. Сужение 7 поперечного сечения ниже впускного отверстия уменьшает динамическое давление потока газа-реагента/газообразного углеводорода на впускное отверстие.

С другой стороны, с точки зрения конструктивной сложности может быть выгодным выполнить подающее устройство так, чтобы на участке между электродами поперечное сечение реактора было постоянным, за исключением впускного отверстия для инертного газового компонента из подающего устройства, т.е. выполнить так, чтобы на участке между электродами, за исключением этого впускного отверстия, отсутствовало сужение или расширение поперечного сечения реактора. Углубленное расположение впускного отверстия подающего устройства относительно стенки реактора обуславливает небольшое снижение скорости газа на этом участке.

Если введенный в радиальном направлении инертный газ имеет достаточно низкую температуру, радиальный профиль температуры смещен в сторону низких температур стенки, что, в свою очередь, приводит к уменьшению процесса пиролиза в этой зоне. Для обеспечения равномерного распределения объемного потока газовой фазы по всему поперечному сечению реактора высоту Н1 щелевого отверстия, через которое в реактор поступает инертный газовый компонент и перепад давления Δp между давлением Р1 газа в указанном распределителе, сообщающимся с подводящим каналом, и давлением Р2 газа в реакторе предпочтительно следует устанавливать в диапазоне, который обеспечивает распределение инертного газового компонента по всему поперечному сечению (т.е. давление на участке Р1 больше, чем давление Р2 в реакторе на величину Δp). Величина Δp зависит от геометрических параметров и условий в реакторе.

Кроме того, предпочтительно распределитель инертного газа в подающем устройстве имеет такие геометрические параметры, что ни одна из углеродных частиц не может попасть внутрь распределителя, и над ним не образуется мостик из пироуглерода вследствие большего времени пребывания. В этой связи предпочтительно также, если инертный газ вводится в реактор под углом в диапазоне от 30° до 60°, предпочтительно приблизительно 45° относительно направления движения потока углеводородов.

При благоприятных условиях газообразный продукт, образовавшийся при осуществлении способа, содержит значительное количество водорода лишь с небольшими относительными содержаниями метана. Газообразный продукт является, таким образом, подходящим для частичной рециркуляции потока газообразного продукта в камеру реактора в качестве инертного газа.

Следовательно, для устройства в соответствии с изобретением предпочтительно, если предложенное устройство содержит отводящую линию 13 для газообразного продукта, полученного в реакторе, при этом отводящая линия снабжена линией 14 ответвления, с помощью которой часть газообразного продукта возвращается в реактор посредством подающего устройства для инертного газа. Поскольку, как отмечено выше, для подачи инертного газа в реакторную камеру давление в подводящем канале для инертного газа должно быть выше, чем давление в самой реакторной камере, выгодно, если в устройстве на линии ответвления 14 установлен компрессор 15, с помощью которого инертный газ сжимается до более высокого давления.

Использование газообразного продукта (H₂) в качестве инертного газа имеет дополнительное преимущество в том, что температура потока газообразного продукта на участке подводящего канала значительно ниже температуры пиролиза метана. При давлениях, реализуемых в реакторной камере (обычно в диапазоне от 10 до 15 бар), равновесие реакции CH₄ → H₂ + C_тв смещается в сторону образования метана. На участке поперечного сечения распределителя равновесие реакции, аналогичным образом, также смещено в сторону метана вследствие низкой температуры потока газа, и радиальный ввод потока газа, содержащего H₂, приводит, таким образом, к метанизации присутствующего углерода/химическому удалению нагара углерода. Благодаря повышению температуры на участке выше точки ввода инертного газа образовавшийся метан повторно пиролизуется с получением водорода и углерода, и указанные условия осуществления способа обеспечивают, таким образом, непрерывную очистку участков подачи инертного газа при осуществлении данного способа.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематически показан реактор 1, выполненный в соответствии с изобретением, содержащий два электрода 2, расположенные на расстоянии друг от друга, и слой 3 углерода, находящийся с внешней стороны обоих электродов. На фиг. 1 в стенке 4 реактора выполнен распределитель 5 для инертного газа, из которого инертный газ проходит в реактор через щелевое отверстие 9. Ниже и выше распределителя 5 поперечное сечение реактора имеет сужения 6, 7. На этих суженных участках скорость газа увеличивается, и таким образом, устраняется возможное скопление углеродных частиц на этом участке. В области ниже распределителя инертного газа сужение 7, кроме того, способствует отклонению проходящего через него потока газа. Слой 8 пироуглерода образуется на внутренней стенке в ходе осуществления способа.

На фиг. 2 представлены различные варианты выполнения подводящего канала для подачи инертного газ в реакторную камеру, при этом варианты А и В предусматривают сужение поперечного сечения реактора на участке выше и ниже подводящего канала для инертного газа, в то время как вариант С характеризуется выполнением подающего канала, при котором на участке между электродами поперечное сечение реактора остается постоянным, за исключением выпускного отверстия для инертного газа из подающего устройства.

Фиг. 3 иллюстрирует конструктивное выполнение распределителя газа в соответствии с изобретением, где позицией Н1 обозначена высота щелевого отверстия, через которое газ выходит из распределителя в реакторную камеру. Позицией Р1 обозначено давление в распределителе, Р2 – давление в реакторе и Δp – перепад давления между давлением в распределителе и давлением в реакторе.

На фиг. 4 схематически показано устройство в соответствии с изобретением, содержащее реактор 1, подводящую линию 10 для исходного углеводородного материала, подводящую линию 11 для углеродных частиц, отводящую линию 12 для углеродных частиц и отводящую линию 13 для газообразного продукта. На одном участке отводящей линии для газообразного продукта предусмотрена линия 14 ответвления, с помощью которой часть газообразного продукта может быть направлена в компрессор 15, из которого газообразный продукт направляется обратно в реактор.

Список ссылочных номеров позиции

1 - реактор

2 - электроды

3 - слой углерода

4 - стенка реактора

5 - распределитель для инертного газа

6 - верхнее сужение поперечного сечения реактора

7 - нижнее сужение поперечного сечения реактора

8 - слой пироуглерода

9 - подающее щелевое отверстие для инертного газа

10 - подводящая линия для углеводородного исходного материала

11 - подводящая линия для углеродных частиц

12 - отводящая линия для углеродных частиц

13 - отводящая линия для газообразного продукта

14 - линия ответвления

15 - компрессор.

Изобретение относится к области пиролитического разложения углеводородов. Предложен способ получения водорода и пироуглерода из углеводородов, в котором углеводороды превращаются в водород и углерод в реакторе при температурах, составляющих от 1000°C до 1800°C, причем указанный реактор содержит два электрода, размещенные на расстоянии друг от друга в направлении движения потока углеводородов, отличающийся тем, что на участке реактора между указанными электродами по всему поперечному сечению реактора вводят инертный газовый компонент, при этом реактор на указанном участке между электродами содержит углеродные частицы. Также предложено устройство для пиролитического превращения углеводородов в водород и углерод. Технический результат – предложенный способ позволяет обеспечить такие условия работы надлежащим образом сконфигурированных реакторов, которые предотвращают образование токопроводящего мостика из углерода на стенке реактора. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения водорода и пироуглерода из углеводородов, в котором углеводороды превращаются в водород и углерод в реакторе при температурах, составляющих от 1000°C до 1800°C, причем указанный реактор содержит два электрода, размещенные на расстоянии друг от друга в направлении движения потока углеводородов, отличающийся тем, что на участке реактора между указанными электродами по всему поперечному сечению реактора вводят инертный газовый компонент, при этом реактор на указанном участке между электродами содержит углеродные частицы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанные углеродные частицы проходят через реактор в противотоке относительно направления движения потока углеводородов.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что углеводороды представляют собой метан.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что инертный газовый компонент представляет собой азот или водород.

5. Способ по любому из пп. 2-4, отличающийся тем, что реакционная зона расположена вертикально в камере реактора, углеводороды проходят через реакционную зону снизу вверх, а углеродные частицы проходят через реакционную зону сверху вниз.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что вводимый инертный газовый компонент имеет температуру менее 1000°С, предпочтительно менее 900°С, и более предпочтительно в диапазоне от 200°С до 800°С.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что часть газообразного продукта, полученного при осуществлении данного способа, направляют в реактор в качестве инертного газового компонента.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что инертный газовый компонент вводят в реактор под углом от 30° до 60°, предпочтительно под углом приблизительно равным 45° относительно направления движения потока углеводородов.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что температуру в реакционной зоне поддерживают в диапазоне от 1200°C до 1500°C.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что углеводороды подают в реактор со скоростью потока в диапазоне от 0,001 м/с до 10 м/с.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что инертный газовый компонент вводят в реактор со скоростью потока в диапазоне от 0,001 м/с до 100 м/с.

12. Способ по п. 2, отличающийся тем, что углеродные частицы подают в реактор со скоростью в диапазоне от 0,5 м/ч до 100 м/ч.

13. Устройство для пиролитического превращения углеводородов в водород и углерод, содержащее реактор (1), содержащий реакторную камеру, которая содержит два электрода (2) на расстоянии друг от друга в направлении движения потока углеводородов, с помощью которых может быть осуществлен резистивный нагрев реактора, и подающее устройство для инертного газа, расположенное на участке реактора между указанными электродами, которое проходит по всему поперечному сечению реактора.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что подающее устройство выполнено так, что поперечное сечение реактора сужается выше и/или ниже отверстия для подачи газа.

15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что подающее устройство выполнено так, что поперечное сечение реактора является постоянным на участке между указанными электродами за исключением выпускного отверстия для инертного газа из подающего устройства.

16. Устройство по любому из пп. 13-15, отличающееся тем, что подающее устройство выполнено так, что инертный газ поступает в реактор через щелевое отверстие (9) высотой Н1, при этом высота Н1 выбрана так, что в процессе течения инертного газа устанавливается перепад давления Δp, который обеспечивает распределение газового компонента по всему поперечному сечению.

17. Устройство по любому из пп. 13-16, отличающееся тем, что подающее устройство выполнено с возможностью ввода инертного газа в реактор под углом от 30° до 60°, предпочтительно под углом приблизительно 45°, относительно направления движения потока углеводородов.

18. Устройство по любому из пп. 13-17, отличающееся тем, что оно содержит отводящую линию (13) для газообразного продукта, полученного в реакторе, при этом указанная отводящая линия снабжена линией (14) ответвления, с помощью которой часть газообразного продукта может быть возвращена в реактор через подающее устройство для инертного газа.

19. Устройство по любому из пп. 13-18, отличающееся тем, что оно содержит компрессор (15), установленный на отводящей линии.