УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И НЕЛЕТУЧЕГО УГЛЕРОДА ИЗ СОДЕРЖАЩЕГО С-С-АЛКАНЫ ГАЗА Российский патент 2024 года по МПК C01B3/24 C01B3/34 C01B3/50 C09C1/48 B01J19/18 H01J37/32 H05H1/40 H05H1/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству, способу и применению устройства в способе получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы, с использованием по меньшей мере одного реактора для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги.

Уровень техники

Существует все возрастающая потребность в получении чистых и пригодных для хранения источников энергии, которые при получении и потреблении обеспечивают сниженный углеродный (СО₂) след. Однако такие источники энергии в конечном счете будут поступать на рынок, только если расходы, связанные с их получением, являются достаточно низкими. Это касается в особенности источников энергии для отраслей транспортировки, производства тепла и химической промышленности, сталеплавильной промышленности и нефтеперерабатывающей промышленности.

В течение некоторого времени теперь исследовали применение водорода, либо для непосредственного сжигания с применением в топливных элементах, либо для получения синтетических топлив, таких как метанол, простой диметиловый эфир, синтетический природный газ, синтетический бензин, синтетическое дизельное топливо или синтетический керосин, с использованием, например, диоксида углерода (СО₂) в качестве источника углерода. Традиционно водород получают из угля или жидких или газообразных углеводородов реакциями газификации или риформинга. Эти конверсии обычно происходят при высоких температурах и сопровождаются значительными выбросами СО₂, как из реакций, так и при генерировании тепла, необходимого для проведения этих реакций.

Для получения водорода с низким или сниженным выделением СО₂ был исследован ряд подходов, и в настоящее время они получили развитие. Например, один вариант представляет собой улавливание СО₂ из отходящих газов традиционных установок для получения водорода, с последующим сжатием и извлечением СО₂. В особенности в случае мест получения водорода, далеких от мест извлечения, могут оказаться непомерно высокими затраты на логистику. Например, еще одним подходом является электролиз для разложения воды на кислород и водород. Здесь требуется большое количество энергии (электрического тока) в процессе электролиза для проведения реакции (разложения воды, сравни реакцию (1)). Стандартная молярная энтальпия реакции приведена здесь для различных реакций и основана на 298 К, если не оговорено иное.

(1) 2H₂O→O₂+2H₂, ΔH=+241 кДж/моль

Вследствие большого удельного количества электрической энергии, необходимой в электролизе, совокупные выбросы СО₂ весьма зависят от выбросов СО₂, связанных с производством потребляемой электроэнергии. В настоящее время во многих местах в мире распространение получения энергии из возобновляемых источников еще является недостаточным, и тем самым средние выбросы СО₂ при производстве энергии являются слишком высокими, чтобы сделать электролиз экологически значимым для электроэнергетических систем. С другой стороны, если бы электролиз основывался только или преимущественно на электроэнергии из возобновляемых источников, соответствующее ежегодное число часов работы на полной мощности часто было бы слишком малым, чтобы обеспечить экономически выгодную работу.

Вследствие значительно более низкой энергии связывания водород-углеродных связей в углеводородах, таких как метан, по сравнению с энергией связывания водород-кислородных связей в воде, требуемая удельная энергия расщепления является соответственно более низкой для указанных углеводородов. Соответственно этому, расщепление углеводородов на водород и углерод теоретически позволяет проводить получение водорода с меньшей потребляемой энергией, чем в процессе электролиза.

Был исследован и разработан ряд технологий для использования этих преимуществ. Например, патентный документ WO2013/004398 A2 (фирмы Linde и BASF) описывает способ расщепления углеводородов в присутствии обогащенных углеродом гранул, которые образуют подвижный слой. Тепло, необходимое для проведения расщепления, подводят сжиганием топлива, включающего часть водорода и углеводородов. Недостатком технологии является то, что требуются довольное высокие удельные капиталовложения, в особенности при меньшем масштабе производства.

Еще один способ частичного расщепления углеводородов с использованием плазмы, который, однако, не сосредоточен на достижении высокого выхода водорода и получения чистого углерода, представляет собой плазменное получение ацетилена (С₂Н₂), исходя из С₁-С₄-алканов, например, из метана (СН₄), или даже углеводородов с более высокой молекулярной массой. Ацетилен представляет собой весьма ценное соединение, так как он может служить как исходное сырье в некоторых химических синтезах. В ходе исполнения этого способа водород получают как побочный продукт, однако часть водорода из исходного сырья все еще остается в ацетилене как целевом продукте (сравни формулу (2), показывая конверсию метана как пример конверсии углеводорода).

Одним примером такого способа является проводимый в промышленном масштабе «Huels arc process» («Дуговой способ фирмы Huels»). При этом после одностадийной конверсии углеводородов с низкой молекулярной массой, например, метана, в ацетилен посредством электрической дуги следует исключительно быстрое охлаждение образованного из углеводорода плазменного газа, так называемая стадия резкого гашения, необязательно в две стадии, с использованием различных текучих сред, для стабилизации имеющего высокую реакционную способность ацетилена. Тем самым предотвращается образование из ацетилена таких производных, как углеводородные соединения с высокой молекулярной массой (сравни статью «Ацетилен», Paessler и др., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, doi:10.1002/14356007.a01_097.pub4, 2011). В отношении расширенного производства водорода применение может быть ограничено необходимостью поиска достаточной потребности в ацетилене. Это может осложнить промышленное применение способа, и тем самым ограничивает его потенциал для получения водорода.

Один более недавний пример способа на основе электрической дуги для частичного расщепления углеводородов описан в патентном документе WO2015/140058 A1 (BASF). При этом содержащий метан газ преобразуют в ацетилен посредством электрической дуги. Сразу же после этого содержащую ацетилен смесь быстро охлаждают (гасят) дополнительным содержащим метан газом для повышения выхода ацетилена. Затем ацетилен дополнительно смешивают с еще одним содержащим углеводород сырьевым материалом и выдерживают при пониженных температурах, чтобы облегчить его реакцию с дополнительным сырьевым материалом до одного или многих содержащих водород и углерод продуктов, имеющих температуру кипения по меньшей мере 15°С. Описанный здесь реактор имеет от трех до четырех различных секций определенной длины. В каждой секции газообразную или жидкостную среду вводят по меньшей мере через один впускной канал для соответствующей среды. Тем самым способ согласно патентному документу WO2015/140058 A1 обеспечивает образование одного или многих содержащих водород и углерод органических соединений, имеющих температуру кипения по меньшей мере 15°С. Автор настоящего изобретения нашел, что ни реактор, ни способ, описанные в нем, не позволяют проводить энергетически эффективный и экономичный способ получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с высоким выходом водорода. Кроме того, способ требует нахождения варианта применения для химикатов, полученных параллельно водороду, что может осложнить промышленное применение способа, и тем самым ограничивает его потенциал для получения водорода.

Один подход к плазменному получению водорода и нелетучего углерода расщеплением углеводородов описан в патентном документе WO93/12030 A1 (Kvaerner). Здесь объемистый реактор оснащен концентрически- расположенными трубчатыми электродами, вставленными друг в друга. Электрическую дугу создают на концах электродов, обращенных в объем реактора, и генерируют плазменный газ из водорода, который затем смешивают с метаном во второй стадии. Способ специально разработан для получения частиц углерода с заданными свойствами, такими как размер и морфология частиц. Автор настоящего изобретения нашел, что для таких двухстадийных способов получения водорода требуются большие объемы реактора, и, в дополнение, это приводит к зонам реактора с отдельными технологическими условиями, в том числе температур и составов газа, делая способ в целом неэффективным и дорогостоящим.

Альтернативный способ плазменного получения водорода расщеплением углеводородов описан в патентном документе WO01/46067 A1 (фирмы Bechtel). Ключевым моментом этого способа является применение в реакторе сопла лавалевского типа. Подобно патентному документу WO2015/140058 A1, метан преобразуют в ацетилен с использованием электрической дуги для получения плазменного газа из водорода или инертного газа. Для получения ацетилена в плазменный газ подают метан. Затем смесь пропускают вниз через сопло. В результате специфического газодинамического эффекта сопло создает относительно высокое падение давления газа, выходящего вниз из сопла. Одновременно с этим значительно снижается средняя температура. В патентном документе WO01/46067 A1 подчеркивается, что описанные способ и параметры реактора, например, положение подводящих впускных каналов и диаметр реакторной камеры, являются важными для достижения желательного расширения газа и расщепления углеводородов с образованием водорода и углерода как целевых продуктов. Тем самым явная теплота горячего технологического газа выше по потоку относительно сопла практически не используется для достижения высокой эффективности процесса расщепления. Кроме того, сильное падение давления, как правило, является нежелательным, поскольку многие процессы ниже по потоку или условия логистики водорода потребовали бы соответственно усиленного повторного сжатия. В целом способ характеризуется очень специфичной конструкцией, требующей настройки технологических условий, и высоких удельных затрат на энергию, что является весьма нежелательным в контексте стремления к созданию энергетически-эффективного способа получения водорода и твердого углерода.

Таким образом, эти способы имеют ограничения в связи с целью экономичного, чистого и не загрязняющего окружающую среду получения водорода и нелетучего углерода. В частности, эти способы требуют больших инвестиций и эксплуатационных расходов, и/или имеют низкую энергетическую эффективность.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к устройствам, способам и применению устройств в способах для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа посредством термической плазмы, как определено в пунктах прилагаемой формулы изобретения.

Более конкретно, в первом аспекте настоящее изобретение относится к устройству для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы, отличающемуся тем, что устройство включает

по меньшей мере один реактор для генерирования термической плазмы с помощью электрической дуги, причем реактор включает

i) плазменную секцию, включающую

- анод и катод для генерирования электрической дуги, причем дуга является протяженной внутри плазменной секции, и

- по меньшей мере один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию реактора,

- причем анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и причем анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод, и

- причем указанный анод и указанный катод размещены так, что генерированная ими дуга возникает в указанной плазменной секции с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и причем опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода, и

ii) вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока, причем вторая реакторная секция включает

- первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока, и

- выпускные устройства для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока, причем

- первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем

- по меньшей мере один второй питающий трубопровод размещен так, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который поступает в реактор через по меньшей мере один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ в положении ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги по направлению течения основного потока так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, и

- причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции, и

- причем объем плазменной секции, которая начинается в самом дальнем выше по потоку положении, в котором внутренняя поверхность полого канала анода обращена к электрической дуге, и достигает вниз конца плазменной секции реактора, имеет объем в диапазоне от 0,0001 м³ до 0,4 м³, предпочтительно в диапазоне от 0,001 до 0,2 м³, и определяет базовый объем, и

- причем объем первой подсекции второй реакторной секции превышает базовый объем на величину в диапазоне от 10 до 200 раз, предпочтительно в диапазоне от 20 до 100 величин базового объема, и

- причем объем всей второй реакторной секции составляет величину в диапазоне от 20 до 2000 величин базового объема, предпочтительно в диапазоне от 40 до 1000 величин базового объема, и

- причем реактор в первой подсекции второй реакторной секции и/или в плазменной секции в диапазоне ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз к концу плазменной секции включает по меньшей мере одно место поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода.

Во втором аспекте настоящее изобретение относится к способу получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы, отличающемуся тем, что способ включает стадии

а) выведения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа из устройства для создания содержащего С₁-С₄-алканы газа;

b) введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, выведенного из устройства для выведения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, по меньшей мере в первый реактор;

причем указанный реактор представляет собой реактор для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги, причем указанный реактор включает

i) плазменную секцию, включающую

- анод и катод для генерирования электрической дуги, причем дуга является протяженной внутри плазменной секции, и

- по меньшей мере один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию реактора,

- причем анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и причем анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод, и

- причем указанный анод и указанный катод размещены так, что генерированная ими дуга возникает в указанной плазменной секции с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и причем опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода, и

ii) вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока, причем вторая реакторная секция включает

- первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока, и

- выпускные устройства для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока, и

- первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции,

и причем содержащий С₁-С₄-алканы плазменный газ вводится в реактор по меньшей мере через один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию реактора;

с) генерирование электрической дуги между анодом и катодом, протяженной внутри плазменной секции реактора;

d) формирование плазменного газа в плазменной секции реактора с помощью электрической дуги из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию;

е) введение содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем

- введение проводят таким образом, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который поступает во вторую реакторную секцию по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги, образованной анодом и катодом, так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа, который вводится в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, причем

- плазменный газ в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводится в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, имеет среднюю температуру в диапазоне от 1200 до 3000°С, и включает ацетилен, образуя тем самым смесь, сформированную введением содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере через один второй питающий трубопровод в плазменный газ, который в диапазоне от по меньшей мере одного второго питающего трубопровода (70) вниз до конца первой подсекции второй реакторной секции имеет среднюю температуру по меньшей мере 850°С, предпочтительно по меньшей мере 1050°С, и менее, чем 3000°С; и

f) пропускание смеси ниже по потоку через вторую реакторную секцию по направлению (23) течения основного потока, причем

- указанное пропускание является таким, что в первой подсекции (31) второй реакторной секции среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, составляет величину в диапазоне от 100 мс до 2000 мс, предпочтительно в диапазоне от 200 мс до 1000 мс, и

- пропускание является таким, что во всей второй реакторной секции среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, составляет величину в диапазоне от 200 мс до 20000 мс, предпочтительно в диапазоне от 400 мс до 10000 мс, и

- по меньшей мере 5% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 5% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции, причем предпочтительно по меньшей мере 10% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется в абсолютных цифрах по меньшей мере на 10% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, во второй реакторной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 15%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 20%, от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции, и

- водород и твердый углерод образуются реакциями, протекающими в смеси во второй реакторной секции, и предпочтительно также в плазменной секции;

g) регулирование средней температуры смеси во второй подсекции второй реакторной секции по меньшей мере на 650°С, предпочтительно по меньшей мере на 750°С, более предпочтительно по меньшей мере на 850°С, и на менее 1500°С, причем среднюю температуру смеси из плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого через по меньшей мере второй питающий трубопровод, на конце второй реакторной секции регулируют на среднюю температуру, которая по меньшей мере на 200 К, предпочтительно по меньшей мере на 400 К, более предпочтительно по меньшей мере на 600 К, является более низкой, чем средняя температура плазменного газа в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводится в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод; и

h) выведение смеси на конце реактора через выпускные устройства для выведения смеси из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока.

В третьем аспекте настоящее изобретение относится к применению устройства в способе получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с использованием термической плазмы согласно настоящему изобретению, отличающемуся тем, что устройство включает

по меньшей мере один реактор для генерирования термической плазмы с помощью электрической дуги, причем реактор включает

i) плазменную секцию, включающую

- анод и катод для генерирования электрической дуги, причем дуга является протяженной внутри плазменной секции, и

- по меньшей мере один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию реактора,

- причем анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и причем анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод, и

- причем указанный анод и указанный катод размещены так, что генерированная ими дуга возникает в указанной плазменной секции с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и причем опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода, и

ii) вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока, причем вторая реакторная секция включает

- первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока, и

- выпускные устройства для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока, причем

- первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем

- по меньшей мере один второй питающий трубопровод размещен так, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который поступает в реактор через по меньшей мере один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ в положении ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги по направлению течения основного потока так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, и

- причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции, и

- причем объем плазменной секции, которая начинается в самом дальнем выше по потоку положении, в котором внутренняя поверхность полого канала анода обращена к электрической дуге, и достигает вниз конца плазменной секции реактора, имеет объем в диапазоне от 0,0001 м³ до 0,4 м³, предпочтительно в диапазоне от 0,001 до 0,2 м³, и определяет базовый объем, и

- причем объем первой подсекции второй реакторной секции превышает базовый объем на величину в диапазоне от 10 до 200 раз, предпочтительно в диапазоне от 20 до 100 величин базового объема, и

- причем объем всей второй реакторной секции составляет величину в диапазоне от 20 до 2000 величин базового объема, предпочтительно в диапазоне от 40 до 1000 величин базового объема, и

- причем реактор в первой подсекции второй реакторной секции и/или в плазменной секции в диапазоне ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз к концу плазменной секции включает по меньшей мере одно место поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 показывает один вариант исполнения устройства (10) для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа согласно настоящему изобретению, которое также пригодно для применения в способе согласно настоящему изобретению. Способ согласно настоящему изобретению может быть исполнен на практике с использованием этого устройства.

Фигура 2 показывает еще один вариант исполнения устройства (10) для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа согласно настоящему изобретению, которое также пригодно для применения в способе согласно настоящему изобретению. Способ согласно настоящему изобретению может быть исполнен на практике с использованием этого устройства. Здесь самая дальняя выше по потоку точка, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз по сравнению со средним поперечным сечением потока в аноде поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода (71), находится выше по потоку по направлению течения основного потока в первой подсекции второй реакторной секции.

Подробное описание изобретения

В сочетании с сопроводительными чертежами, подробное описание изобретения описывает техническое содержание настоящего изобретения согласно предпочтительным вариантам осуществления, которое не предполагает ограничения области изобретения. Любые эквивалентные изменение и модификация, выполненные в соответствии с пунктами прилагаемой формулы изобретения, входят в пределы области пунктов формулы изобретения настоящего изобретения.

Как в общих чертах показано выше, настоящее изобретение имеет отношение к трем аспектам, а именно к устройствам, способам и применению устройств для получения водорода и нелетучего углерода. Представленное в заявке изобретение в отношении этих трех аспектов применимо взаимозаменямо и раскрыто здесь.

Неожиданно оказалось, что при применении устройств и способов согласно прототипу либо значительная часть углеводородов неконтролируемо подвергается преобразованию в ацетилен или другие соединения с высокой ненасыщенностью, либо технологические параметры, требуемые для исполнения соответствующих способов, приводят к неудовлетворительным результатам работы, либо вследствие низкого выхода продукта за один проход в единицу времени, либо из-за сильного падения давления, или же выход молекулярного водорода снижается вследствие образования водородсодержащих соединений с высокой молекулярной массой, таких как высокомолекулярные углеводороды.

Ацетилен может реагировать с образованием бензола (С₆Н₆) и высших ароматических соединений. Эти соединения могут приводить к образованию смолы, которая может отлагаться на стенках реактора или стенках последующего оборудования (например, теплообменников). Было найдено, что устройства для получения водорода согласно прототипу не обеспечивают достаточного контроля конверсии ацетилена до углерода и водорода, например, регулированием концентраций, времен пребывания и температур, на протяжении пути через реактор. Результатом этого является образование соответствующих водородсодержащих побочных продуктов и осаждение высокомолекулярных соединений, и неизбежное прерывание технологической операции для очистки оборудования. Настоящее изобретение этого избегает, сокращает количество углеводородных побочных продуктов в образованной смеси и улучшает непрерывное получение водорода и нелетучего углерода.

Другими словами, автор настоящего изобретения неожиданно нашел, что особые модификации прототипных устройств, в особенности реакторов с термической плазмой, в которых термическая плазма генерируется электрической дугой, и модификации соответствующих прототипу способов, позволяют получать водород из содержащего С₁-С₄-алканы газа более эффективно, в особенности при более низких удельных затратах на энергию, и более низких капиталовложениях для достижения целевого выхода. В частности, контроль концентраций, средних времен пребывания, распределения времени пребывания, и последовательности диапазонов средних температур вдоль траектории течения основного потока через реактор, позволяет сократить образование нежелательных побочных продуктов и повысить степень конверсии исходного сырья при высоком выходе за один проход в единицу времени. Это отчасти обусловливается тем, что ацетилен, образованный в плазменном газе, разбавляется содержащим С₁-С₄-алканы газом, вводимым в плазменный газ в первой подсекции второй реакторной секции. То же применимо к устройству согласно изобретению, которое обеспечивает надлежащее смешение сырьевых материалов, определяя средние времена пребывания и распределение времен пребывания атомов реакционных компонентов. Автор настоящего изобретения нашел, что особые модификации соответствующих прототипу устройств и способов для получения ацетилена позволяют эффективно получать водород и нелетучий углерод, в частности, газовую сажу. Таким образом, изобретение обеспечивает возможность исполнения привлекательного в промышленном масштабе способа получения водорода и нелетучего углерода. Это удовлетворяет давнишнюю потребность в энергетически эффективном, экономичном и не загрязняющим окружающую среду получении водорода, без вышеописанных недостатков и ограничений. Кроме того, нелетучий углерод, побочный продукт, используют во многих отраслях промышленности, например, в полиграфической промышленности, и тем самым он также может стать источником прибыли. Кроме того, в значительной мере исключаются нежелательные побочные продукты в полученной смеси газообразных продуктов.

Компонент согласно настоящему изобретению может быть в газообразном, жидкостном или твердом состоянии при 273,15 K и 1,01325 бар (0,101 МПа), если здесь не оговорено иное. Компонент может быть атомом, молекулой, олигомером, полимером, радикалом или ионом. Радикалы и ионы представляет собой особенные частицы из соответствующих атомов.

Устройство согласно настоящему изобретению включает по меньшей мере один реактор. Соответственно этому, устройство может содержать только один реактор. В альтернативном варианте, устройство согласно настоящему изобретению может включать два или более реакторов. Они могут действовать в параллельном режиме. Эксплуатация двух или многих реакторов в параллельном режиме является благоприятной, так как это обеспечивает повышенную технологическую гибкость. Например, если один реактор выводят на техническое обслуживание, другой(-гие) реактор(-ры) может(-гут) продолжать работу. Таким образом, это предотвращает простой всей установки. Кроме того, два или более реакторов, смонтированных параллельно, повышают диапазон нагрузок, при которых может действовать одиночная установка. Например, это может быть благоприятным, если сетевые службы, такие как управляющая мощность, должны быть предусмотрены для работы установки при переменных нагрузках.

Термин «по меньшей мере один», как используемый здесь, означает 1, 2, 3, 4, 5 или более. В определенных вариантах осуществления по меньшей мере один подразумевает один. В дополнительных вариантах осуществления по меньшей мере один означает 2 или более.

Термины «в диапазоне» или «в диапазоне от» имеют отношение к диапазонам. Согласно настоящему изобретению, конечные точки заданных диапазонов рассматриваются как часть диапазонов, если не оговорено иное.

Даже хотя Фигуры 1 и 2 иллюстрируют реакторы с вертикальной ориентацией, также осуществимы реакторы с горизонтальной или любой другой ориентацией.

Термин «реактор», как применяемый в настоящем изобретении, подразумевает химический реактор. Реактор представляет собой закрытый резервуар, включающий реакторное пространство, в котором протекают химические реакции. Через впускные каналы и выпускные каналы вещества могут быть введены в реакторное пространство или выведены из него, соответственно. Здесь реактор представляет собой закрытый резервуар, пригодный для проведения способа получения водорода и нелетучего углерода согласно настоящему изобретению на основе термического плазменного процесса, в котором термическая плазма генерируется электрической дугой. Один общий пример реактора представляет собой так называемый реактор Huels (сравни статью «Ацетилен», Paessler и др., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, doi:10.1002/14356007.a01_097.pub4, 2011). Этот реактор применяют для получения ацетилена. Устройство согласно настоящему изобретению включает электродуговой реактор, имеющий конкретные признаки, отличающие его от реактора Huels, которые благоприятны для исполнения заявленного способа на практике. Заявленное устройство, включающее электродуговой реактор, может быть использовано для исполнения заявленного способа.

Термин «плазменный газ», как используемый согласно настоящему изобретению, имеет отношение к газу, который присутствует в плазменном состоянии. Газ, который предназначен только для введения и/или обработки в реакторе для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги, но который не присутствует или еще не наличествует в плазменном состоянии, не соответствует определению плазменного газа. Газ, который выходит из реактора для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги, и не присутствует или уже больше не находится в состоянии плазмы, подобным образом не соответствует определению плазменного газа.

Согласно автору A. Fridman (Plasma Chemistry, Cambridge University Press, 2009), газ, который присутствует в плазменном состоянии, в общем и целом определяют как ионизированный газ, то есть, газ, содержащий по меньшей мере один электрон, который не связан с атомом или молекулой, с преобразованием атомов или молекул в положительно заряженные ионы. Газ, который присутствует в плазменном состоянии, предпочтительно содержит электрически заряженные частицы в количестве, которое является достаточным для создания и изменения его электрических свойств и поведения относительно нормального состояния газа. Одним примером электрического свойства является электрическая проводимость. Электрическая проводимость возрастает в плазменном состоянии газа, в частности, в плазменном состоянии, которое возникает при повышенных температурах. В принципе, корреляцию электрической проводимости с плазменным состоянием и температурой газа можно объяснить следующим образом: известно, что степень ионизации возрастает с температурой (например, как показано в табличных данных для водорода, азота, кислорода, воздуха и выбранных благородных газов в работе M. I. Boulos, Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications, том 1, 1994). Благодаря усиленной подвижности противоположных зарядов повышенная степень ионизации тогда также сопровождается повышенной электрической проводимостью.

Более того, плазменный газ в смысле настоящего изобретения предпочтительно характеризуется тем фактом, что электрическая проводимость соответствующего плазменного газа при данной плотности по меньшей мере на 1 порядок величины, предпочтительно на 2 порядка величины, еще более предпочтительно на 4 порядка величины является более высокой, чем электрическая проводимость соответствующего газа при комнатной температуре и такой же плотности.

В то время как газы не в плазменном состоянии при комнатной температуре (то есть, без внешнего электрического или другого возбуждения) имеют значения удельной электрической проводимости ниже 10^-22 См/м, газ в плазменном состоянии согласно настоящему изобретению характеризуется величиной электрической проводимости по меньшей мере 10^-21 См/м, предпочтительно по меньшей мере 10^-20 См/м, еще более предпочтительно по меньшей мере 10^-18 См/м.

В этом контексте квалифицированный специалист может измерить электрическую проводимость газа способом, который аналогичен методу с использованием пламенно-ионизационного детектора.

Газ, который присутствует в плазменном состоянии, предпочтительно генерируют с использованием электрической энергии, например, подверганием газа воздействию сильного электромагнитного поля, например, электромагнитного поля, которое возникает вокруг электрической дуги.

Плазменный газ, то есть, газ, находящийся в плазменном состоянии, может появляться по меньшей мере в одной точке поперечного сечения поперек направления течения основного потока в данном реакторе.

Содержащий С₁-С₄-алканы газ означает газ, который включает метан, этан, пропан, бутан, 2-метилпропан, или их смесь. Сумма С₁-С₄-алканов в газе составляет по меньшей мере 10 об. %, предпочтительно по меньшей мере 25 об. %, более предпочтительно по меньшей мере 50 об. %, более предпочтительно по меньшей мере 75 об. %, еще более предпочтительно по меньшей мере 90 об. %. В некоторых вариантах исполнения содержащий С₁-С₄-алканы газ представляет собой природный газ. В определенных вариантах исполнения содержащий С₁-С₄-алканы газ содержит метан и/или пропан. Это является благоприятным, так как оба газа могут быть получены в больших количествах, например, метан из природного газа, и пропан из технологии получения гидрированных растительных масел. Наиболее предпочтительно содержащий С₁-С₄-алканы газ представляет собой природный газ или содержащий метан газ. Это значит, что в качестве включающего метан газа может быть использован либо природный газ, либо еще один газ, содержащий метан. Наиболее предпочтительно содержащий С₁-С₄-алканы газ содержит метан, в частности, по меньшей мере 25 об. % метана, более предпочтительно по меньшей мере 50 об. % метана, еще более предпочтительно по меньшей мере 75 об. % метана, наиболее предпочтительно по меньшей мере 90 об. % метана. Это применимо также к содержащему С₁-С₄-алканы плазменному газу и к способу и применению реактора согласно настоящему изобретению. В некоторых вариантах исполнения содержащий С₁-С₄-алканы газ, который вводят в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и содержащий С₁-С₄-алканы газ, который вводят в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, отбирают из одного и того же устройства для подачи содержащего С₁-С₄-алканы газа. Оба из них предпочтительно отбирают из одного устройства для подачи природного газа. Так, устройство согласно настоящему изобретению может включать источники подачи содержащего С₁-С₄-алканы газа, который соединены по меньшей мере с одним первым и по меньшей мере одним вторым питающим трубопроводом. Оба питающих трубопровода предпочтительно соединены с одним устройством для подачи содержащего С₁-С₄-алканы газа. Еще более предпочтительно это устройство для подачи газа включает природный газ. Тем не менее, газ, выводимый из устройства для подачи газа, может быть дополнительно смешан с дополнительными компонентами, например, углеводородами, перед введением его в реактор, например, содержащий ацетилен газ или водородсодержащий газ. В контексте устройства согласно настоящему изобретению это значит, что по меньшей мере один первый и/или по меньшей мере один второй питающий трубопровод может быть соединен с дополнительными питающими трубопроводами для введения дополнительных компонентов в газ, выводимый из устройства для подачи газа.

Термин «по меньшей мере один первый питающий трубопровод» означает 1, 2, 3, 4, 5 или более первых питающих трубопроводов. В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере один первый питающий трубопровод подразумевает один первый питающий трубопровод. В дополнительных вариантах исполнения по меньшей мере один первый питающий трубопровод означает 2 или более первых питающих трубопроводов.

Термин «по меньшей мере один второй питающий трубопровод» означает 1, 2, 3, 4, 5 или более вторых питающих трубопроводов. В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере один второй питающий трубопровод подразумевает один второй питающий трубопровод. В дополнительных вариантах исполнения по меньшей мере один второй питающий трубопровод означает 2 или более вторых питающих трубопроводов.

Термин «по меньшей мере один третий питающий трубопровод» означает 1, 2, 3, 4, 5 или более третьих питающих трубопроводов. В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере один третий питающий трубопровод подразумевает один второй питающий трубопровод. В дополнительных вариантах исполнения по меньшей мере один третий питающий трубопровод означает 2 или более третьих питающих трубопроводов.

В дополнение к по меньшей мере одному третьему питающему трубопроводу, устройство, способ и применение согласно изобретению могут включать реактор, имеющий по меньшей мере один четвертый питающий трубопровод ниже по потоку относительно по меньшей мере одного третьего питающего трубопровода по направлению течения основного потока.

Содержащий С₁-С₄-алканы газ также может включать компоненты с более высокой температурой кипения, например, С₅-алканы, олефины, ароматические компоненты, такие как бензол, и их смеси, или даже смеси с компонентами, содержащими небольшие количества кислорода, например, длинноцепочечные альдегиды типа C₁₂H₂₄O. В одном примере содержащий С₁-С₄-алканы газ может включать высококипящие компоненты в диапазоне от 0,1 до 50 об. %, предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 30 об. %, еще более предпочтительно в диапазоне от 1 до 10 об. %. В зависимости от выбранных сырьевых материалов, может потребоваться корректирование конструктивных параметров и эксплуатационных параметров.

В определенных вариантах исполнения содержащий С₁-С₄-алканы газ включает менее 5 об. % О₂, предпочтительно менее 2 об. % О₂, наиболее предпочтительно менее 1 об. % О₂, менее 10 об. % СО, предпочтительно менее 5 об. % СО, наиболее предпочтительно менее 2,5 об. % СО, менее 10 об. % СО₂, предпочтительно менее 5 об. % СО₂, наиболее предпочтительно менее 2,5 об. % СО₂, и/или менее 10 об. % N₂, предпочтительно менее 5 об. % N₂, наиболее предпочтительно менее 1 об. % N₂. Это и вышеупомянутые определения содержащего С₁-С₄-алканы газа применимы как к плазменному газу, так и к газу, вводимому в реактор через по меньшей мере один второй питающий трубопровод. Эти варианты осуществления также применимы к способу и применению устройства согласно настоящему изобретению.

Большинство устройств и способов согласно прототипу предусматривают применение водорода, азота или благородного газа, например, гелия (He), неона (Ne), аргона (Ar), криптона (Kr) или ксенона (Xe), или смесей водорода, азота и/или благородного газа, в качестве плазменного газа или в качестве основных компонентов плазменного газа. Однако автор настоящего изобретения нашел, что, когда в качестве плазменного газа применяют (главным образом) водород (Н₂), азот или благородные газы, удельное энергопотребление является гораздо более высоким, чем в настоящем изобретении. Кроме того, это требует значительных усилий для отделения полученного водорода от необработанного газообразного продукта.

Тем не менее, в определенных вариантах осуществления настоящего изобретения содержащий С₁-С₄-алканы газ включает от 0,1 вплоть до 25 об. %, предпочтительно от 0,5 до 15 об. %, более предпочтительно от 1 до 5 об. % Н₂. В частности, содержащий С₁-С₄-алканы плазменный газ, вводимый в плазменную секцию по меньшей мере через первый питающий трубопровод, может включать от 0,1 до 25 об. %, предпочтительно от 0,5 до 15 об. %, более предпочтительно от 1 до 5 об. % Н₂. Содержащий С₁-С₄-алканы газ, вводимый в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, может включать от 0,1 до 25 об. %, предпочтительно от 0,5 до 15 об. %, более предпочтительно от 1 до 5 об. % Н₂. Содержащий С₁-С₄-алканы газ, вводимый в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, может включать от 0,1 до 10 об. %, предпочтительно от 0,5 до 7 об. %, более предпочтительно от 1 до 5 об. % ацетилена.

Нижеследующие основная целевая (см. реакцию (2), далее воспроизводимую вновь) и побочная реакция (см. реакцию (3)) протекают в плазменной секции с использованием включающего С₁-С₄-алканы плазменного газа:

Целевая реакция:

Основная побочная реакция (эндотермическая):

Как показано положительной разностью величин энтальпии, для инициирования образования водорода требуется значительное количество энергии. Автор настоящего изобретения неожиданно нашел, что заявленные устройство, способ и применение являются благоприятными, поскольку они стимулируют экзотермическую реакцию (4) разложения ацетилена во второй реакторной секции в контролируемом режиме, тем самым сокращая образование нежелательных углеводородов с высокой молекулярной массой, таких как смолы. В то же время эта реакция обеспечивает возможность добавления и расщепления дополнительного содержащего С₁-С₄-алканы сырьевого материала, тем самым повышая абсолютный выход водорода и нелетучего углерода и снижая совокупные удельные затраты на электрическую энергию. Энергия, необходимая для расщепления большего количества содержащего С₁-С₄-алканы газа на водород и нелетучий углерод, может быть подведена в результате разложения ацетилена. Тем самым можно повысить производительность плазменного реактора и снизить общее удельное энергопотребление для расщепления содержащего С₁-С₄-алканы газа.

Основная экзотермическая реакция:

(4) С₂Н₂→2C_s+Н₂, ΔH=-226 кДж/моль

Обычно пути последующих реакций ацетилена являются сложными. Например, было известно, что ацетилен подвергается тримеризации с образованием бензола, и из которого образуются высшие ароматические соединения и смолы. Последние могут приводить к нежелательному отложению на стенках реактора, что потребует остановки технологического процесса для очистки реактора. Добавление дополнительного содержащего С₁-С₄-алканы газа в реакционный процесс, и при граничных условиях, раскрытых в настоящем изобретении, приводит, во-первых, к контролируемому снижению средней температуры плазменного газа, обусловливая снижение реакционной способности, и, во-вторых, к разбавлению ацетилена. Оба обстоятельства предполагают подавление нежелательного образования вышеуказанных смол и предотвращение нежелательных последующих реакций ацетилена. Автор настоящего изобретения нашел, что теплота разложения ацетилена может быть использована для расщепления дополнительного содержащего С₁-С₄-алканы сырьевого материала на водород и нелетучий углерод. Поэтому реактор, применение и способы разработаны так, чтобы сокращать олигомеризацию ацетилена и, более того, дестабилизировать ацетилен настолько, насколько возможно, во второй реакторной секции, в то же время обеспечивая то, что его разложение будет стимулировать конверсию вводимых С₁-С₄-алканов в водород и нелетучий углерод. Неожиданно было обнаружено, что это, например, обеспечивается не только заявленными средним временем пребывания и средними температурными профилями, но также распределением времени пребывания. Это также достигается специальной конструкцией устройства. Среднее время пребывания и распределение времени пребывания, как определяемые здесь, имеют отношение к атомам смеси. Таким образом, они имеют отношение только к атомам плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого по меньшей мере через один второй питающий трубопровод.

Для материала, протекающего через объем, время пребывания одиночного атома представляет собой меру того, насколько длительное время атом затрачивает на это. Одиночный атом, в том числе атом, содержащийся в молекулах, олигомерах, полимерах или частицах, имеет единственное время пребывания, но смеси многочисленных атомов, входящих в состав молекул или частиц, имеют распределение времени пребывания (RTD), поскольку индивидуальные пути течения и скорости, как правило, могут варьировать. Поэтому настоящее изобретение относится к среднему времени пребывания для определения усредненного времени пребывания атомов смеси, проходящей через вторую реакторную секцию. Среднее время пребывания и распределение времени пребывания могут быть измерены, например, введением в реактор на его впускном канале нереакционноспособного индикатора.

Что важно, автор настоящего изобретения нашел, что является благоприятным избегание стабилизации ацетилена, которая является ключевым фактором способов согласно прототипу. Другими словами, автор настоящего изобретения нашел, что является благоприятным исключение значительного охлаждения смеси в реакторе, так как это предназначено для стабилизации ацетилена. Поэтому устройство, способ и применение согласно настоящему изобретению воздерживаются от исполнения этой меры.

Таким образом, энергия, необходимая для расщепления большего количества содержащего С₁-С₄-алканы газа на водород и нелетучий углерод, например, газовую сажу, частично доставляется разложением ацетилена благодаря специальным признакам заявленных устройства, способа и применения. Тем самым можно повысить производительность плазменного реактора и снизить общее удельное энергопотребление для расщепления содержащего С₁-С₄-алканы газа.

Устройство согласно настоящему изобретению может представлять собой промышленную установку, децентрализованную маломасштабную установку, оборудование лабораторного масштаба, или пилотную экспериментальную установку для получения водорода и твердого углерода. Устройство может включать один или несколько реакторов для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги. Соответственно этому, устройство может включать несколько реакторов, действующих в параллельном режиме или попеременно.

Термин «средняя температура», как здесь применяемый, подразумевает среднюю температуру в пределах области поперек направления течения основного потока, причем локальные температуры обусловливаются соответствующими массовым расходом и средними теплоемкостями.

Должно быть понятно, что условия и технологические параметры, определенные и упомянутые здесь, имеют отношение к работе реактора в установившемся режиме, если только четко не оговорено иное.

Термин «смесь», как здесь используемый, подразумевает смесь компонентов, образованную из смеси плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа, который вводится в плазменный газ в первой подсекции второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод. Состав смеси может варьировать вследствие реакции ее компонентов на протяжении ее прохода через вторую реакторную секцию и любые последующие устройства. Компоненты смеси могут быть в газообразном, жидкостном и/или твердом состоянии.

Реактор включает плазменную секцию и вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока. Плазменная секция составляет часть реактора. Содержащий С₁-С₄-алканы плазменный газ вводят в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод. Плазменная секция дополнительно включает анод и катод, которые генерируют электрическую дугу, протяженную внутри плазменной секции. Электрическая дуга нагревает плазменный газ с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод. Это инициирует реакции компонентов плазменного газа, включающие, вследствие высоких температур, образование ионов и радикалов. Тем самым плазменный газ обогащен ионизированными частицами и/или радикалами, образованными из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа.

Анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока. Анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает через полый канал через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод. Опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода. Анод предпочтительно имеет цилиндрическую форму, имеющую коаксиальный полый канал.

В некоторых вариантах исполнения соответствующие анод и катод, по меньшей мере частично, не перекрываются по направлению течения основного потока. Таким образом, анод и катод не вставлены друг в друга. Это показано в качестве примера в Фигурах 1 и 2.

Выражение «анод и катод, по меньшей мере частично, не перекрываются», как применяемое в настоящем изобретении, означает, что по основному направлению течения анод и катод находятся на расстоянии друг от друга.

В предпочтительных вариантах исполнения анод и/или катод представляют собой охлаждаемые электроды, причем охлаждение предпочтительно представляет собой жидкостное охлаждение, более предпочтительно водяное охлаждение. Это обеспечивает сокращение эрозии и долговременную работу электродов. В дополнительных вариантах исполнения анод и/или катод выполнены из материалов, включающих менее 10 вес.% графита или других твердых углеродсодержащих материалов. Реакторы, включающие электроды на основе графита или нелетучего углерода, обычно проявляют повышенные скорости повреждения, и, как правило, являются более дорогостоящими, чем с электродами на металлической основе. Соответственно этому, в предпочтительных вариантах исполнения анод и катод реактора представляют собой металлические электроды.

В дополнительных вариантах исполнения анод и катод размещены концентрически, и, кроме того, катод имеет полый канал с главной осью, протяженной вдоль направления течения основного потока, причем полый канал имеет два противолежащих конца, причем конец, обращенный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, закрыт, и причем конец, ориентированный по направлению течения основного потока, открыт. Этот открытый конец, предпочтительно ориентированный по направлению течения основного потока плазменного газа, находится выше по потоку и концентрически относительно открытого конца анода, ориентированного по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока. Термин «закрыт» в контексте конца полого канала катода, ориентированного по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, означает, что конец канала полностью закрыт, или что поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока сокращено по меньшей мере на 90%, в расчете на площадь поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала катода.

В этих вариантах исполнения анод и катод размещены так, что опорные точки электрической дуги контактируют с внутренней поверхностью катода и внутренней поверхностью анода, соответственно. В предпочтительных вариантах исполнения анод и катод размещены так, что имеется зазор по направлению основного потока между концом катода, ориентированным по направлению течения основного потока, и концом анода, ориентированным по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока. Длина указанного зазора предпочтительно составляет по меньшей мере 0,3-кратную, более предпочтительно по меньшей мере 0,5-кратную величину среднего внутреннего диаметра полого канала анода в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере один первый питающий трубопровод размещен так, что плазменный газ поступает в плазменную секцию реактора через зазор между анодом и катодом.

Форма и положение опорных точек электрической дуги на катоде и/или на аноде обычно варьируют со временем во время работы, не только во время вывода на рабочий режим, отключения и изменений нагрузки, но также во время работы в установившемся режиме. Более конкретно, в случае анодов, имеющих полый канал, и в которых опорные точки электрической дуги находятся на внутренней поверхности полого канала анода, положение опорных точек может варьировать со временем и даже при работе в стабильном режиме как вдоль периметра анода, так и по меньшей мере до конечной протяженности вверх и вниз по направлению течения основного потока. Диапазон положений опорных точек на внутренней поверхности полого канала анода по направлению течения основного потока обычно зависит от данного режима работы. Например, если все прочие технологические параметры поддерживаются постоянными, увеличение электрической нагрузки приводит к удлинению электрической дуги и тем самым к сдвигу диапазона положений опорных точек на внутренней поверхности полого канала анода к области на поверхности полого канала анода более ниже по потоку по направлению течения основного потока. В контексте настоящего изобретения, в отношении внутренней поверхности полого канала анода, термин «опорные точки» подразумевает положение опорных точек, которое является больше всего ниже по потоку при всех режимах непрерывной работы реактора. Наиболее протяженная область опорных точек может быть идентифицирована, например, при обследовании анода после работы на основе анализа эрозии материала на внутренней поверхности полого канала анода. Эрозия материала является более высокой именно на части внутренней поверхности, которая контактирует с опорными точками, сравнительно с участками поверхности, которых дуга во время работы не достигает. Опорные точки определяют область, в которой электрическая дуга контактирует с анодом. Подобным образом, область, где опорные точки находятся на внутренней поверхности полого канала катода во время работы, может быть идентифицирована при инспекции после эксплуатации.

Как правило, для раскрытого в этом изобретении способа потребляемая электрической дугой электрическая энергия в плазменной секции составляет величину в диапазоне от 0,5 до 10 кВт-ч_эл на нормальный кубический метр (1 м_н³) подводимого содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа. Нормальный кубический метр для цели настоящего изобретения представляет собой количество газа при давлении 1,01325 бар (0,101 МПа) и 273,15 K, содержащегося в объеме 1 кубического метра (1 м³) (стандарт DIN 1343, версия 1990-01).

Устройство, и тем самым реактор, могут действовать при переменной нагрузке, например, в диапазоне от 50 до 100% расчетной нагрузки. Нагрузку можно контролировать в зависимости от конкретных сигналов, получаемых блоком управления. Сигналы, принятые блоком управления, и используемые для регулирования устройства и исполнения способа согласно настоящему изобретению, могут представлять собой сигналы от таких факторов, которые влияют на решение в отношении технологического потребителя. Этими факторами могут быть стоимость электрической энергии, современный углеродный след согласно потребляемой электрической энергии, и/или требование обеспечения сетевых сервисов, таких как управляющая мощность.

Термин «анод», как здесь применяемый для цели определения настоящего изобретения, следует понимать в узком смысле. Анод является протяженным вниз до начала второй реакторной секции, то есть, положения по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока, даже если части вне начала первой подсекции второй реакторной секции могут иметь такой же электрический потенциал, как анод. Другие части плазменной секции, например, магнитное устройство или устройство для возбуждения динамического завихрения текучей среды плазменного газа, не принадлежат к аноду, как определено согласно настоящему изобретению, даже если они могут иметь такой же электрический потенциал, как анод. Соответственно этому, в некоторых вариантах исполнения поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока в реакторе при открытом конце анода, ориентированном по направлению течения основного потока, или в положении, в котором опорные точки электрической дуги контактируют с внутренней поверхностью полого канала анода, не изменяется вдоль длины анода и/или перехода от анода ко второй реакторной секции. Другими словами, поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока может по существу оставаться одинаковым в аноде и на переходе от анода ко второй реакторной секции. Таким образом, в определенных вариантах исполнения поперечное сечение потока у открытого конца анода, противоположного направлению течения основного потока, поперек направления течения основного потока может быть по существу таким же, как поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока у начала первой подсекции второй реакторной секции.

Тот факт, что реактор включает вторую реакторную секцию (30), следующую непосредственно после плазменной секции (20) реактора, означает, что две реакторных секции непосредственно связаны друг с другом. Вторая реакторная секция имеет первую подсекцию (31) и вторую подсекцию (32), причем вторая подсекция следует непосредственно за первой подсекцией по направлению течения основного потока. На конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока находятся выпускные устройства (33) для выведения смеси из реактора. Они могут представлять собой один или многие трубопроводы или вентили для выведения смеси из реактора.

Позиционирование выпускных устройств на конце второй реакторной секции означает, что выпускные устройства размещены на конце или вблизи конца второй реакторной секции, насколько это пригодно для выведения смеси из реактора.

Термин «направление течения основного потока (23) газа», или более конкретно, направление течения основного потока плазменного газа, как здесь используемый, подразумевает общий поток газа или плазменного газа, соответственно, через реактор от места его введения в плазменную секцию реактора и до его выведения через выпускные устройства (33) на конце второй реакторной секции. Как правило, направление течения основного потока плазменного газа имеет отношение к газу, который протекает через плазменную секцию. Если обсуждают вторую реакторную секцию и смесь, то обычно речь идет о направлении течения основного потока смеси. В ходе исполнения способа плазменный газ реагирует и смешивается с дополнительными компонентами. Даже если направление течения основного потока газа может изменяться вдоль пути основного потока через реактор, указанное направление течения основного потока тем не менее является средством для определения положения и ориентации признаков способа, устройства и применения согласно настоящему изобретению, как приведено в качестве примера в фигурах. Одним примером являются поперечные сечения потока, которые пролегают поперек направления течения основного потока.

Первая подсекция (31) включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод (70) для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию (31) второй реакторной секции (30). Ключевым моментом изобретения является то, что как плазменный газ, вводимый по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, так и газ, вводимый в реактор по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, являются содержащими С₁-С₄-алканы газами. Содержащий С₁-С₄-алканы газ, вводимый по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, вводят в плазменный газ в положении ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода по направлению течения основного потока так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь, включающая плазменный газ, выходящий из плазменной секции, и содержащий С₁-С₄-алканы газ, вводимый по меньшей мере через один второй питающий трубопровод.

Реактор в первой подсекции второй реакторной секции и/или в плазменной секции в диапазоне ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз до конца плазменной секции включает по меньшей мере одно место поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, чем среднее поперечное сечение анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. По меньшей мере одно место, в котором поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, чем среднее поперечное сечение анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, тем самым находится выше по потоку или ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода. В определенных вариантах исполнения самая дальняя выше по потоку точка по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, чем среднее поперечное сечение анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, находится в плазменной секции ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, тогда как в других вариантах исполнения она находится в первой подсекции второй реакторной секции.

Положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции. Вторая реакторная секция и ее первая подсекция начинаются в плоскости, пролегающей через самую дальную выше по потоку точку по меньшей мере одного второго питающего трубопровода по направлению течения основного потока. Плоскость перпендикулярна направлению течения основного потока плазменного газа в указанной самой дальней выше по потоку точке по меньшей мере одного второго питающего трубопровода.

Это иллюстрировано в Фигурах 1 и 2, в которых по меньшей мере один второй питающий трубопровод (70) определяет начало второй реакторной секции (30). В Фигуре 2 точка (71) по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, сравнительно со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, находится выше по потоку по направлению течения основного потока относительно начала второй реакторной секции (30), то есть, по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, и тем самым размещена в плазменной секции ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода.

В предпочтительных вариантах исполнения реактор включает по меньшей мере одно резкое расширение, которое позиционировано между опорными точками электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода и наиболее удаленной выше по потоку точкой по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока (71) является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно в 10 раз, сравнительно со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. Резкое расширение представляет собой резкое расширение поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока, которое имеет угол раскрытия по меньшей мере 20°, предпочтительно по меньшей мере 45°, более предпочтительно по меньшей мере 75°, в направлении течения основного потока относительно главной оси потока. Эта конфигурация реактора содействует смешению содержащего С₁-С₄-алканы газа, который поступает в реактор по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, и плазменного газа, и расширению распределения времени пребывания атомов смеси. Более конкретно, резкое расширение улучшает противоточное смешение части обогащенных углеродом твердых частиц, поверхности которых проявляют каталитическое действие на разложение углеводородов, и которые могут расти до крупного размера вследствие противоточного смешения. Кроме того, дополнительные средства, подобные устройствам для создания турбулентности и/или противоточного смешения, могут расширять распределение времени пребывания и дополнительно улучшать устройство и способ согласно настоящему изобретению. Таким образом, в некоторых вариантах исполнения вторая реакторная секция включает по меньшей мере одно дополнительное устройство для создания дополнительных турбулентности и/или противоточного смешения смеси, предпочтительно будучи позиционированным ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода по направлению течения основного потока. В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере одно дополнительное устройство размещено ниже по потоку относительно самой дальней выше по потоку точки по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. В этих вариантах исполнения по меньшей мере одно дополнительное устройство может быть размещено ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода по направлению течения основного потока. По меньшей мере одно дополнительное устройство для создания турбулентности и/или противоточного смешения смеси может быть выбрано из группы, состоящей из пассивной решетки, статического смесителя, изгиба реактора, и их комбинации, причем предпочтительно изгиб реактора вызывает изменение направления течения смеси относительно направления течения основного потока по меньшей мере на 80°, предпочтительно по меньшей мере на 135°. В определенных вариантах осуществления настоящего изобретения реактор включает два или более резких расширений, предпочтительно во второй реакторной секции, более предпочтительно в первой и/или второй подсекции второй реакторной секции.

В предпочтительных вариантах исполнения по меньшей мере 5% атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 5% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции.

Время пребывания, среднее время пребывания и распределение времени пребывания во второй реакторной секции, если не оговорено иное, имеет отношение к времени пребывания, среднему времени пребывания и распределению времени пребывания во всей второй реакторной секции.

Термин «по абсолютной величине по меньшей мере на 5% отклоняется от среднего времени пребывания» означает, что соответствующие атомы имеют время пребывания, составляющее 95% или 105% или более относительно среднего времени пребывания.

По меньшей мере 10% атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 10% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 15%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 20%, от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции.

В дополнительных вариантах исполнения поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз до самой дальней выше по потоку точки по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, сравнительно со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока, составляет в любой точке по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90% относительно среднего поперечного сечения поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. Этим обеспечивается то, что происходит, если не полностью, только ограниченное сокращение поперечного сечения потока между опорными точками электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода и точкой, в которой возрастает поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока. Это предотвращает нежелательное падение давления и напряжения в материале в этой зоне реактора.

Для определения необходимых времен пребывания атомов смеси устройство характеризуется определенными объемными соотношениями индивидуальных секций. Базовым является объем плазменной секции, которая начинается в самом дальнем выше по потоку положении, в котором внутренняя поверхность полого канала анода обращена к электрической дуге и достигает вниз конца плазменной секции реактора. Термин «объем плазменной секции, которая начинается в самом дальнем выше по потоку положении, в котором внутренняя поверхность полого канала анода обращена к электрической дуге и достигает вниз конца плазменной секции реактора», подразумевает внутренний объем полого канала анода, который начинается в плоскости, пролегающей через самую дальнюю выше по потоку точку полого канала анода, будучи ориентированной перпендикулярно направлению относительно внутренней поверхности анода в указанной точке, к электрической дуге, и в которой указанная плоскость перпендикулярна направлению течения основного потока в указанной самой дальней выше по потоку точке анода, и которая заканчивается в плоскости, перпендикулярной конечной точке плазменной секции реактора по направлению течения основного потока. Этот объем обозначен в Фигурах 1 и 2 кодовым номером (22) позиции. Базовый объем имеет объем в диапазоне от 0,0001 м³ до 0,4 м³, предпочтительно в диапазоне от 0,001 м³ до 0,2 м³. Объем первой подсекции второй реакторной секции и всей второй реакторной секции определяется относительно базового объема. Объем первой подсекции второй реакторной секции составляет величину в диапазоне 10-200-кратной величины базового объема, предпочтительно в диапазоне 20-100-кратной величины базового объема, тогда как объем всей второй реакторной секции составляет величину в диапазоне 20-2000-кратной величины базового объема, предпочтительно в диапазоне 40-1000-кратной величины базового объема.

Термин «объем», как используемый здесь, подразумевает внутренний объем определенного объекта. В контексте базового объема это значит, что базовый объем имеет отношение к внутреннему объему полого канала анода, заполненного плазменным газом. Тем самым сюда не входят стенка полого канала анода или средства охлаждения, которые могут быть соединены с анодом или включены в него. В контексте объема второй реакторной секции это значит, что объем, как применяемый здесь, имеет отношение к внутреннему объему второй реакторной секции, начиная от плоскости, перпендикулярной направлению течения основного потока в точке перехода от плазменной секции ко второй реакторной секции, вниз до конца второй реакторной секции, и заполненному компонентами плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода. В контексте объема первой подсекции второй реакторной секции это значит, что объем, как здесь применяемый, имеет отношение к внутреннему объему первой подсекции второй реакторной секции, начиная от плоскости, перпендикулярной направлению течения основного потока в точке перехода от плазменной секции ко второй реакторной секции, вниз до конца второй реакторной секции, и заполненному компонентами плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода.

Содержащий С₁-С₄-алканы газ предпочтительно вводят поперек направления течения основного потока по меньшей мере через один второй питающий трубопровод в плазменный газ в положении ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода по направлению течения основного потока. По меньшей мере один реактор тем самым может быть конфигурирован так, что по меньшей мере один второй питающий трубопровод вводит содержащий С₁-С₄-алканы газ в плазменный газ поперек направления течения основного потока. Поперечное введение включает нагнетания под углами в диапазоне от 80 до 100°, предпочтительно от 85 до 95°, относительно оси основного потока. Это дополнительно улучшает смешение плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, поступающего по меньшей мере через один второй питающий трубопровод.

Абсолютные величины расхода потока плазменного газа типично составляют величину в диапазоне от 2 м³/ч до 40000 м³/ч. Очевидно, что удельный расход потока регулируют в зависимости от конкретных особенностей выбранной конструкции реактора. Так, является маловероятной комбинация наибольшего расхода потока в сочетании с базовым объемом плазменной секции, заданным при 0,0001 м³. Поэтому описываемые здесь диапазоны параметров следует понимать как диапазоны, в пределах которых квалифицированный в этой области технологии специалист выбрал бы надлежащие настройки параметров для эксплуатации устройства согласно настоящему изобретению и исполнения способа согласно настоящему изобретению на практике.

Отношение расхода потока газа из второго питающего трубопровода к расходу потока подаваемого плазменного газа в терминах нормальных кубических метров в час предпочтительно регулируют находящимся в диапазоне от 0,1 до 1,5. Температура плазменного газа, подаваемого в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, перед введением в первую реакторную секцию предпочтительно составляет величину в диапазоне от 20°С до 600°С. Это может предусматривать нагревание плазменного газа до его введения в плазменную секцию, например, с использованием теплообменника. Температура содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого по меньшей мере через один второй питающий трубопровод во вторую реакторную секцию, также предпочтительно может быть в диапазоне от 20°С до 1000°С. Здесь опять может быть использован теплообменник для нагревания газа до температуры, находящейся в пределах этого диапазона. Скорость потоков и температуры потоков после предварительного нагревания представляют собой средства регулирования температурного профиля смеси во второй реакторной секции. Другими средствами являются, например, удельное энергопотребление электрической дуги в терминах киловатт-часов электрической энергии в расчете на нормальный кубический метр плазменного газа, и состав подаваемых плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого по меньшей мере через один второй питающий трубопровод.

Если устройство включает теплообменник, то теплообменник может получать тепло от смеси, выходящей из реактора. Таким образом, в определенных вариантах исполнения выпускные устройства второй реакторной секции соединены с теплообменником (120). В альтернативном варианте, теплообменник может получать тепло от источника пара или с использованием по меньшей мере одной горелки. Горелка предпочтительно питается с использованием топлива, которое содержит часть водорода, который был ранее получен в реакторе устройства согласно настоящему изобретению.

В альтернативном варианте устройство включает два теплообменника, которые могут принимать смесь или по меньшей мере часть смеси, выходящей из реактора. В предпочтительном варианте исполнения оба теплообменника соединены параллельно выпускным устройствам реактора. В еще одном предпочтительном варианте исполнения теплообменники соединены в ряд, то есть, один теплообменник соединен непосредственно с выпускными устройствами реактора, и другой теплообменник соединен с выпускным каналом первого теплообменника. Таким образом, плазменный газ, вводимый в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, может быть предварительно нагрет вместе с содержащим С₁-С₄-алканы газом, вводимым по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, одним теплообменником. В альтернативном варианте, плазменный газ, вводимый в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, может быть предварительно нагрет отдельно от содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, одним из двух указанных теплообменников, соединенных параллельно выпускным устройствам реактора, или соединенным последовательно, и содержащий С₁-С₄-алканы газ, вводимый по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, может быть предварительно нагрет другим из указанных двух теплообменников, соединенных параллельно выпускным устройствам реактора или соединенным в ряд. Если два теплообменника соединены последовательно, то первый теплообменник, который соединен с потоком, выводимым через выпускной канал (33), также может быть соединен по меньшей мере с одним первым трубопроводом (60) для передачи тепла плазменному газу перед его введением в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод (60). Второй теплообменник может быть соединен по меньшей мере с одним вторым питающим трубопроводом (70) для передачи остаточного тепла от потока, выходящего из первого теплообменника, газу, вводимому в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод (70).

В одном предпочтительном варианте исполнения устройство включает теплообменник, соединенный с выпускными устройствами реактора, для приема смеси или по меньшей мере части смеси, выходящей из реактора, для получения пара, и в то же время для охлаждения смеси. В дополнительном предпочтительном варианте исполнения устройство включает как указанный один теплообменник для генерирования пара, так и указанный один из двух теплообменников для предварительного нагревания плазменного газа, вводимого в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и/или содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого по меньшей мере через один второй питающий трубопровод. В предпочтительном способе теплообменники действуют при переменных нагрузках в зависимости от обстоятельств, например, доступности возобновляемой электроэнергии, и/или потребности в тепле, и/или стоимости электроэнергии. Более конкретно, в предпочтительном способе, в зависимости от обстоятельств, например, при высокой доступности возобновляемой электроэнергии и/или потребности в тепле, большая часть всей смеси, выходящей из реактора, может быть использована для генерирования тепла для внешнего использования тепла. В случае низкой доступности возобновляемой электроэнергии и/или низкой потребности в тепле малая доля тепла или вообще никакое тепло не будут генерированы из смеси для внешнего использования, и вместо этого смесь будет применена для предварительного нагревания плазменного газа, вводимого в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и/или содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, для сокращения удельного расхода электрической энергии в реакторе для получения водорода и твердого углерода.

В определенных вариантах исполнения устройство для получения водорода и твердого углерода согласно настоящему изобретению дополнительно включает по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, образованной в указанном реакторе, причем указанное по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, отделяет газообразные компоненты от твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, в смеси для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, а) находится в сообщении по текучей среде с выпускными устройствами реактора, и b) имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, включающего повышенную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и с) имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей.

В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере одно устройство для обогащения смеси твердыми компонентами выбирают из группы, состоящей из циклона, в частности, высокотемпературного циклона, фильтра, предпочтительно высокотемпературного фильтра, устройства, содержащего неподвижный или псевдоожиженный слой из твердых частиц, скруббера, предпочтительно газоочистителя с использованием содержащей воду промывной среды или промывной среды на масляной основе, и их комбинаций.

В определенных вариантах исполнения общий объем второй реакторной секции, начиная от плоскости, перпендикулярной направлению течения основного потока в точке перехода от плазменной секции ко второй реакторной секции, вниз до конца второй реакторной секции, и объем устройства для обогащения смеси твердыми компонентам составляет величину в диапазоне от 20- до 2000-кратной величины базового объема, предпочтительно от 40- до 1000-кратной величины базового объема.

Твердый углерод согласно настоящему изобретению предпочтительно включает газовую сажу, или представляет собой газовую сажу. Как правило, промышленная газовая сажа содержит или представляет собой агломераты первичных частиц с диаметром частиц в диапазоне от нескольких нанометров до 500 нм. Существуют сорта газовой сажи различных типов, которые отличаются друг от друга, например, в отношении диаметра частиц и/или удельной площади поверхности. Термин «нелетучий углерод» имеет отношение к углероду в реакторном пространстве, который является твердым в условиях реакции. Одним примером твердого углерода является агломерат атомов углерода.

В дополнительных вариантах исполнения устройство согласно настоящему изобретению включает по меньшей мере одно устройство для обогащения смеси твердыми компонентами, которое соединено с выпускным каналом второй реакторной секции, причем теплообменник соединен с выпускным каналом по меньшей мере одного устройства для обогащения твердой газовой сажей, содержащего смесь со сниженной концентрацией твердых веществ, сравнительно с питанием по меньшей мере одного устройства для обогащения твердой газовой сажей.

В некоторых вариантах исполнения устройство для получения водорода и твердого углерода, кроме по меньшей мере одного устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, включает по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом из потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом, а) находится в сообщении по текучей среде с выпускным каналом для потока, включающего газообразные компоненты при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, по меньшей мере одного устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и b) имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты, при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, и с) имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока со сниженной концентрацией водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом.

В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего сниженную концентрацию водорода по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, соединен с контейнером для хранения, предпочтительно баллоном под давлением, с более высоким давлением, чем исходное давление потока. Сохраняемый в нем газ может содержать ненасыщенные углеводороды, такие как этилен и ацетилен, и может быть полезным в качестве топлива.

В предпочтительном варианте исполнения выпускной канал для потока, имеющего сниженную концентрацию водорода по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, соединен с горелкой, которая позволяет сжигать по меньшей мере часть газа.

В дополнительных вариантах исполнения по меньшей мере часть потока, имеющего сниженную концентрацию водорода сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, используют в качестве сырьевого материала и подают обратно в реактор, предпочтительно по меньшей мере через один первый, второй и/или третий питающий трубопровод (если имеется), более предпочтительно по меньшей мере через один второй питающий трубопровод. Указанное применение в качестве сырьевого материала варьирует со временем и делается зависимым от режима работы реактора и/или конкретных граничных условий. Например, указанный поток мог бы быть использован в качестве сырьевого материала в реакторе предпочтительно при ценах на электроэнергию, которые равны заданному пороговому значению или превышают его. В предпочтительном варианте исполнения выпускной канал для потока, имеющего сниженную концентрацию водорода сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, также соединен с источником пламени и/или горелкой для производства технологического тепла. Так, например, по меньшей мере часть кислородсодержащих компонентов из газа, таких как монооксид углерода, которые могут образоваться из СО₂ в природном газе, или прочие кислородсодержащие компоненты в сырьевом материале, а также инертные газы, такие как N₂, в содержащем С₁-С₄-алканы газе, вводимом по меньшей мере через один первый питающий трубопровод и/или по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, такие как N₂ в природном газе, могут быть удалены.

В дополнительных вариантах исполнения устройство для получения водорода и нелетучего углерода согласно настоящему изобретению включает реактор, имеющий устройства, предпочтительно два отдельных устройства, для разъемного соединения анода или части анода с остальным реактором. Одно из указанных отдельных устройств размещено по направлению течения основного потока выше по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, и другое устройство из указанных двух отдельных устройств размещено по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. Указанные устройства для разъемного соединения анода или части анода с остальным реактором размещены выше по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода по направлению течения основного потока. В некоторых вариантах исполнения в диапазоне, начиная от места ниже по потоку по направлению течения основного потока опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, и до места выше по потоку по направлению течения основного потока относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, самая дальняя выше по потоку точка, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. Это значит, что точка, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода (расширение поперечного сечения потока), может уже присутствовать в пространстве между опорными точками электрической дуги и вторым питающим трубопроводом. Еще более предпочтительно имеется дополнительно резкое расширение поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока выше по потоку по направлению течения основного потока от самой дальней выше по потоку точки, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. При таких обстоятельствах устройства, позиционированные по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, находятся по направлению течения основного потока выше по потоку относительно самой дальней выше по потоку точки, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, еще более предпочтительно выше по потоку относительно резкого расширения поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока. Это позволяет быстро, легко и эффективно заменять анод, если необходимо. В частности, исключаются увеличенные периоды простоя реактора, и избегается значительная разборка реактора для замены анода.

В некоторых вариантах исполнения устройство для получения водорода и нелетучего углерода согласно настоящему изобретению включает реактор, имеющий устройства, предпочтительно два отдельных устройства, для разъемного соединения катода или части катода с остальным реактором. Указанные устройства для разъемного соединения катода или части катода с остальным реактором размещены по направлению течения основного потока выше по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода. Катод предпочтительно имеет полый канал, в котором распространяется электрическая дуга, и в котором опорные точки электрической дуги контактируют с внутренней поверхностью полого канала катода. При таких обстоятельствах одно из указанных отдельных устройств может быть размещено по направлению течения основного потока выше по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала катода, и другое устройство из указанных двух отдельных устройств может быть размещено по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала катода.

В предпочтительных вариантах исполнения внутренняя поверхность полого канала анода на его конце по направлению течения основного потока находится на одном уровне с внутренней поверхностью второй реакторной секции у ее начала по направлению течения основного потока (см. Фигуры 1 и 2). Таким образом, в обоих вариантах исполнения при переходе от анода ко второй реакторной секции по направлению течения основного потока нет сегмента стенки анода, который контактирует с технологическим газом с двух противолежащих сторон. Предпочтительно имеется постоянный проход от внутренней поверхности полого канала анода до внутренней поверхности первой подсекции второй реакторной секции. Это является благоприятным, поскольку это позволяет улучшить контроль течения и реакций в реакторе и избежать нежелательного осаждения смол или твердых веществ.

При этих обстоятельствах реактор может содержать устройства для запирания проточного канала ниже съемного анода для перекрывания пути течения плазменного газа во вторую реакторную секцию. Устройства для прерывания соединения предпочтительно размещены между анодом и началом второй реакторной секции. Запирающее устройство предпочтительно представляет собой клапан или задвижку. В одном более предпочтительном варианте исполнения запирающее устройство охлаждается, предпочтительно жидкостью, еще более предпочтительно водой.

В определенных вариантах исполнения по меньшей мере один реактор имеет по меньшей мере один третий питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем по меньшей мере один третий питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа размещен по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, предпочтительно положение по меньшей мере одного третьего питающего трубопровода определяет начало второй подсекции второй реакторной секции (32). Введение содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере через один третий питающий трубопровод ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода является благоприятным для улучшения контроля температуры и реакций вдоль пути течения основного потока.

Смесь, образованная устройством и способом согласно настоящему изобретению, содержащая водород и нелетучий углерод, выведенная через выпускные устройства (33), может быть направлена на хранение. Хранение может быть промежуточным, например, для целей вспомогательного накопления в согласованном процессе, или в течение длительных периодов времени. Например, смесь можно хранить в баллоне под давлением. Такой баллон под давлением может обеспечивать хранение газа при повышенном давлении вплоть до 200 бар (20 МПа). В определенных вариантах исполнения сначала сокращают количество нелетучего углерода. Затем остальная смесь, содержащая необработанный (при пониженном количестве нелетучего углерода и/или дополнительных компонентов) или очищенный водород, может быть сохранена в баллоне.

Способ получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с использованием термической плазмы отличается тем, что способ включает по меньшей мере стадии от а) до h), как определено в пунктах прилагаемой формулы изобретения. На стадии а) содержащий С₁-С₄-алканы плазменный газ выводят из устройства для получения содержащего С₁-С₄-алканы газа. Такое устройство здесь раскрыто также как устройство для подачи содержащего С₁-С₄-алканы газа. В предпочтительных вариантах исполнения для способа применяют устройство и реактор согласно настоящему изобретению.

На стадии е) введение содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию проводят таким образом, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который вводят во вторую реакторную секцию по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, вводят в плазменный газ по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги, создаваемой анодом и катодом, так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа, который вводится в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод.

Плазменный газ в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводят в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, имеет среднюю температуру в диапазоне от 1200 до 3000°С, предпочтительно в диапазоне от 1500 до 2800°С. Этим подразумевается, что это представляет собой среднюю температуру, которую плазменный газ имел бы в указанном положении, если содержащий С₁-С₄-алканы газ был введен в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод.

Ключевым моментом является то, что плазменный газ включает ацетилен перед введением в плазменный газ содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере через один второй питающий трубопровод. Плазменный газ в положении, в котором в плазменный газ вводится содержащий С₁-С₄-алканы газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, включает по меньшей мере 2 об. %, предпочтительно по меньшей мере 4 об. %, еще более предпочтительно по меньшей мере 6 об. %, наиболее предпочтительно свыше 8 об. % ацетилена.

В результате введения содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере через один второй питающий трубопровод в плазменный газ образуется смесь. Смесь в диапазоне от по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вниз до конца первой подсекции второй реакторной секции имеет среднюю температуру по меньшей мере 850°С, предпочтительно по меньшей мере 1050°С, и менее 3000°С, предпочтительно менее 2800°С.

Во второй подсекции второй реакторной секции средняя температура смеси составляет по меньшей мере 650°С, предпочтительно по меньшей мере 750°С, более предпочтительно по меньшей мере 850°С, и менее 1500°С, предпочтительно в диапазоне от 700°С до 1400°С, более предпочтительно в диапазоне от 800°С до 1300°С, наиболее предпочтительно в диапазоне от 800°С до 1200°С, причем средняя температура смеси, образованной из плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого по меньшей мере через один второй питающий трубопровод на конце второй реакторной секции, по меньшей мере на 200 К, предпочтительно по меньшей мере на 400 К, более предпочтительно по меньшей мере на 600 К, является более низкой, чем средняя температура плазменного газа в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводится в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод. Эта средняя температура является значительно более высокой, чем температура, применяемая в реакторах и способах согласно прототипу для получения ацетилена, и дополнительно повышает эффективность способа. Это применимо также к способу и применению реактора согласно настоящему изобретению.

Стадия f) включает пропускание смеси ниже по потоку через вторую реакторную секцию по направлению течения основного потока, причем указанное пропускание является таким, что в первой подсекции второй реакторной секции среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, составляет величину в диапазоне от 100 мс до 2000 мс, предпочтительно в диапазоне от 200 мс до 1000 мс, более предпочтительно в диапазоне от 400 мс до 900 мс, еще более предпочтительно в диапазоне от 500 мс до 800 мс. Таким образом, средняя температура смеси и среднее время пребывания атомов в первой подсекции второй реакторной секции являются существенными для эффективного исполнения способа. Стадия f) дополнительно обусловливает, что пропускание является таким, что во всей второй реакторной секции, включающей вторую подсекцию второй реакторной секции, среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, составляет величину в диапазоне от 200 мс до 20000 мс, предпочтительно в диапазоне от 400 мс до 10000 мс, более предпочтительно в диапазоне от 600 мс до 9000 мс, еще более предпочтительно в диапазоне от 800 мс до 8000 мс, еще более предпочтительно в диапазоне от 1000 мс до 7500 мс. Кроме того, для всей второй реакторной секции, включающей вторую подсекциию второй реакторной секции, средняя температура смеси и среднее время пребывания являются существенными для эффективного исполнения способа.

Кроме того, стадия f) обеспечивает то, что по меньшей мере 5% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 5% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции, причем предпочтительно по меньшей мере 10% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется в абсолютных цифрах по меньшей мере на 10% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, во второй реакторной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 15%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 20%, от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции. Таким образом, не только среднее время пребывания атомов смеси, но также распределение времени пребывания является существенным и регулируемым. Соответственно этому, во второй реакторной секции образуются также водород и нелетучий углерод, предпочтительно газовая сажа. В целом же водород и нелетучий углерод, предпочтительно газовая сажа, получаются в реакторе при более низком расходе энергии, поскольку параметры способа и устройства определены так, чтобы максимизировать использование теплоты разложения ацетилена для подведения энергии, необходимой для конверсии содержащего С₁-С₄-алканы газа в водород и нелетучий углерод во второй реакторной секции.

Что касается устройства согласно настоящему изобретению, способ согласно настоящему изобретению, который идентифицирован выше и в пунктах прилагаемой формулы изобретения, может включать стадии обогащения твердыми веществами и водородом из смеси. Так, способ может дополнительно включать стадию i) обработки смеси, выводимой через выпускные устройства, с использованием по меньшей мере одного устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, для получения потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи, и потока, включающего газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи. Стадию i) предпочтительно проводят по меньшей мере в одном устройстве для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, образованными в реакторе, причем указанное по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, используют для отделения газообразных компонентов от твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, смеси для обогащения твердыми компонентами смеси, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами находится в сообщении по текучей среде с выпускными устройствами реактора, и имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, включающего газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи. Здесь раскрыты предпочтительные примеры таких устройств.

В некоторых вариантах исполнения среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода, в диапазоне от начала второй реакторной секции вниз до и включительно устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, составляет величину в диапазоне от 200 мс до 20000 мс, предпочтительно в диапазоне от 400 мс до 10000 мс, более предпочтительно в диапазоне от 600 мс до 9000 мс, еще более предпочтительно в диапазоне от 800 мс до 8000 мс, еще более предпочтительно в диапазоне от 1000 мс до 7500 мс. Это обусловлено тем, что температурный профиль, определенный в способе согласно настоящему изобретению, позволяет при определенных обстоятельствах проводить дополнительную конверсию содержащего С₁-С₄-алканы газа в водород и нелетучий углерод при проходе смеси от выпускного канала второй реакторной секции до и включительно устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей. Общий внутренний объем устройства для обогащения твердыми компонентами, заполненный смесью, вышедшей из второй реакторной секции, и внутренний объем соединения устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, до выпускных устройств второй реакторной секции, может быть в диапазоне величин от 10- до 1800-кратной величины базового объема, как дополнительно указано выше, предпочтительно в диапазоне величин от 20- до 800-кратной величины базового объема.

Способ согласно настоящему изобретению, включающий устройство для обогащения смеси твердыми компонентами, может дополнительно включать стадию j) обработки потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи, по меньшей мере в одном устройстве для получения потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи. Стадию j) предпочтительно проводят по меньшей мере в одном устройстве для обогащения водородом из потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи, по сравнению с потоком, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом находится в сообщении по текучей среде по меньшей мере с одним выпускным каналом для потока, имеющего сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, по меньшей мере одного устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, и имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации водорода, сравнительно с потоком, имеющим сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом.

В определенных вариантах исполнения способ исполняют так, что реактор включает в первой подсекции второй реакторной секции и/или в плазменной секции в диапазоне ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода ниже до конца плазменной секции, по меньшей мере в одной точке поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. Давление непосредственно выше по потоку относительно самой дальней выше по потоку точки по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, составляет величину в диапазоне от 0,5 до 30 бар (0,05-3 МПа) избыточного давления или бар манометрического давления, соответственно.

В одном дополнительном варианте исполнения способа согласно настоящему изобретению стенку второй реакторной секции охлаждают, более предпочтительно охлаждают текучей средой, еще более предпочтительно охлаждают жидкостью, еще более предпочтительно охлаждают жидкостью с температурой до 450°С. Это, конечно, также применимо к устройству согласно настоящему изобретению, которое тем самым может включать реактор, имеющий вторую реакторную секцию с охлаждаемой стенкой, более предпочтительно охлаждаемой жидкостью, еще более предпочтительно охлаждаемой жидкостью с температурой до 450°С.

В некоторых вариантах исполнения способа содержащий С₁-С₄-алканы газ вводят через второй питающий трубопровод в плазменный газ поперечно относительно направления течения основного потока. Это улучшает смешение смеси.

Кроме того, в способе может быть предусмотрено, что проводят по меньшей мере третье введение содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем третье введение проводят по меньшей мере через один третий питающий трубопровод, который размещен по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, и причем положение по меньшей мере одного третьего питающего трубопровода предпочтительно определяет начало второй подсекции второй реакторной секции.

Для дополнительного улучшения способа в нем может быть предусмотрено, что нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, предпочтительно газовую сажу, которая представляет собой часть нелетучего углерода, предпочтительно газовую сажу, образованную в указанном способе и отделенную способом согласно изобретению, предпочтительно указанную часть, имеющую отличные средние свойства сравнительно с общим количеством нелетучего углерода, полученного указанным способом, такие как иные средний размер частиц или удельная площадь поверхности, предпочтительно диспергированную в водороде и/или в содержащем С₁-С₄-алканы газе, вводят во вторую реакторную секцию. Нелетучий углерод, предпочтительно газовая сажа, имеющая заданные средний размер частиц или удельную площадь поверхности, может быть получен фракционированием материала нелетучего углерода, предпочтительно материала газовой сажи. Диспергированная газовая сажа может составлять часть, выведенную из газовой сажи, образованной в способе согласно настоящему изобретению, включающем отделение газовой сажи. Нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, диспергированный в водороде и/или в содержащем С₁-С₄-алканы газе, вводят во вторую реакторную секцию либо непосредственно, либо, предпочтительно, путем введения по меньшей мере в один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции. Нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, предпочтительно вводят по меньшей мере в один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции.

Если указанный поток газа, содержащий нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, вводят непосредственно во вторую реакторную секцию, то непосредственно перед точкой введения во вторую реакторную секцию он может иметь концентрацию нелетучего углерода, предпочтительно газовой сажи, в диапазоне от 1 г/м_н³ до 100 г/м_н³. Если указанный поток газа, содержащий нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, предпочтительно вводят непосредственно во вторую реакторную секцию, то отношение расхода потока содержащего нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, газа непосредственно перед точкой введения во вторую реакторную секцию, к сумме расхода потока содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа и расхода потока содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода в терминах м_н³/ч составляет величину в диапазоне от 0,01% до 10%, предпочтительно от 0,1% до 5%.

И если указанный поток газа, содержащий нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, вводят по меньшей мере в один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции, он непосредственно перед точкой введения по меньшей мере в один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции может иметь концентрацию нелетучего углерода, предпочтительно газовой сажи, в диапазоне от 1 г/м_н³ до 100 г/м_н³. Если указанный поток газа, содержащий нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, предпочтительно вводят по меньшей мере в один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции, то отношение расхода потока содержащего нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, газа непосредственно перед точкой введения по меньшей мере в один второй питающий трубопровод к сумме расхода потока содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа и расхода потока содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода в терминах м_н³/ч составляет величину в диапазоне от 0,01% до 10%, предпочтительно от 0,1% до 5%.

Указанный нелетучий углерод, предпочтительно газовая сажа, может иметь удельную площадь поверхности в диапазоне от 1 до 1000 м²/г, предпочтительно в диапазоне от 10 до 800 м²/г, и наиболее предпочтительно в диапазоне от 50 до 600 м²/г. Удельную площадь поверхности определяют с использованием метода B.E.T. NSA, как описано в стандарте ASTM D6556-14 (одобренном 1 июня 2014 года, опубликованном в июле 2014 года, 10.1520/D6556-14), который здесь включен ссылкой. Газовая сажа может действовать как катализатор различных реакций, например, для расщепления природного газа на водород и нелетучий углерод, в реакторе, и дополнительно улучшать выход и/или кинетические характеристики реакций. Кроме того, введение частиц газовой сажи может содействовать повышению среднего размера частиц нелетучего углерода, облегчая обогащение смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, в устройстве для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, из смеси. Соответственно этому, способ согласно настоящему изобретению может включать введение нелетучего углерода, предпочтительно газовой сажи, во вторую реакторную секцию, причем нелетучий углерод, предпочтительно газовая сажа, предпочтительно имеет определенные выше концентрацию и характеристики. Определение концентрации нелетучего углерода, предпочтительно газовой сажи, в единицах г/м_н³ подразумевает количество граммов в расчете на нормальный кубический метр.

Как уже было отмечено выше, плазменный газ в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводят в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, может включать по меньшей мере 2 об. %, предпочтительно по меньшей мере 4 об. %, еще более предпочтительно по меньшей мере 6 об. %, наиболее предпочтительно более 8 об. % ацетилена.

Для дополнительного улучшения способа электрическая дуга, генерированная анодом и катодом, может вращаться вокруг оси, протяженной от катода до анода. Это может быть благоприятным в контексте потребляемой энергии в плазменном газе и для увеличения срока службы электродов. Как, например, показано в работе «Ацетилен», авторов Paessler и др., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, doi:10.1002/14356007.a01_097.pub4, 2011, вращение электрической дуги создают с помощью устройства, выбранного из группы, состоящей из магнитного устройства, предпочтительно размещенного вдоль катода и/или анода, или устройства для создания завихрения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, например, так называемой циклонной камеры, непосредственно перед его введением в плазменную секцию, причем предпочтительно электрическая дуга вращается вокруг оси, которая ориентирована по направлению течения основного потока. В предпочтительных вариантах исполнения электрическая дуга вращается с частотой по меньшей мере 0,1 с^-1, более предпочтительно по меньшей мере 0,2 с^-1, еще более предпочтительно по меньшей мере 0,5 с^-1, вокруг указанной оси. Вращение электрической дуги предпочтительно создают с помощью устройства для индуцирования завихрения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа перед его введением в плазменную секцию.

Способ предпочтительно характеризуется тем, что во второй реакторной секции создают дополнительные турбулентность и/или и/или противоточное смешение смеси, в частности, дополнительную турбулентность в смеси создают по направлению течения основного потока ниже по потоку от по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, предпочтительно с использованием по меньшей мере одного устройства для создания турбулентности и/или противоточного смешения смеси, предпочтительно выбранного из группы, состоящей из пассивной решетки, статического смесителя, изгиба реактора, и их комбинации. Это может дополнительно улучшать контроль среднего времени пребывания и распределения времени пребывания атомов смеси.

Дополнительно усовершенствованным является вариант исполнения способа согласно настоящему изобретению, в котором анод и катод по меньшей мере одного реактора являются концентрическими, причем катод имеет полый канал с главной осью, протяженной вдоль направления течения основного потока, причем полый канал имеет два противоположных конца, причем конец, ориентированный по направлению противоположно направлению течения основного потока, закрыт, и причем конец, ориентированный по направлению течения основного потока, открыт и находится выше по потоку и концентрически относительно открытого конца анода, ориентированного по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, причем анод и катод размещены так, что опорные точки электрической дуги контактируют с внутренней поверхностью полого канала анода и внутренней поверхностью полого канала катода, соответственно. Анод и катод предпочтительно размещены так, что имеется зазор по направлению течения основного потока между концом катода, ориентированным по направлению течения основного потока, и концом анода, ориентированным по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, причем длина указанного зазора предпочтительно составляет по меньшей мере 0,3-кратную, более предпочтительно по меньшей мере 0,5-кратную величину среднего внутреннего диаметра полого канала анода в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. Плазменная секция предпочтительно выполнена так, что введение плазменного газа в плазменную секцию реактора через по меньшей мере один первый питающий трубопровод происходит в указанный зазор между анодом и катодом.

Соответственно дополнительному варианту исполнения способа согласно настоящему изобретению, содержащий С₁-С₄-алканы плазменный газ и/или газ, вводимый по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, представляет собой природный газ или газ, содержащий метан. Таким образом, в некоторых вариантах исполнения природный газ может быть введен в реактор через оба, по меньшей мере один первый и по меньшей мере один второй питающий трубопровод. В альтернативном варианте, в определенных вариантах исполнения метан может быть введен в реактор как через по меньшей мере один первый, так и по меньшей мере один второй питающий трубопровод.

В качестве независимого аспекта раскрыто следующее изобретение, которое может быть объединено с изобретением, определенным в пунктах прилагаемой формулы изобретения, и наоборот.

Автор настоящего изобретения неожиданно нашел, что введение содержащего ацетилен газа в первую подсекцию второй реакторной секции совокупно с содержащим С₁-С₄-алканы газом по меньшей мере через один второй питающий трубопровод в плазменный газ, образованный из содержащего С₁-С₄-алканы газа, является благоприятным для получения водорода и твердого углерода. Введенный ацетилен разлагается во второй реакторной секции и выделяет тепло, которое содействует быстрому повышению температуры содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого во вторую реакторную секцию по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, и дополнительно стимулирует конверсию содержащего С₁-С₄-алканы газа с образованием водорода и нелетучего углерода. Тем самым может быть снижен расход энергии в способе, и/или повышена производительность реактора сравнительно с прототипом.

Независимый вариант исполнения относится к способу, устройству и применению, которые дополнительно характеризуются следующим.

Вариант исполнения 1: способ получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с использованием термической плазмы, отличающийся тем, что способ включает стадии

а) выведения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа из устройства для создания содержащего С₁-С₄-алканы газа;

b) введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, выведенного из устройства для выведения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, по меньшей мере в первый реактор;

причем указанный реактор представляет собой реактор для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги, причем указанный реактор включает

i) плазменную секцию, включающую

- анод и катод для генерирования электрической дуги, причем дуга является протяженной внутри плазменной секции, и

- по меньшей мере один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию реактора,

- причем анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и причем анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод, и

- причем указанный анод и указанный катод размещены так, что генерированная ими дуга возникает в указанной плазменной секции с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и причем опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода, и

ii) вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока, причем вторая реакторная секция включает

- первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока, и

- выпускные устройства для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока, причем

- первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения газа во вторую реакторную секцию, причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции,

и причем содержащий С₁-С₄-алканы плазменный газ вводится в реактор по меньшей мере через один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию реактора;

с) генерирование электрической дуги между анодом и катодом, протяженной внутри плазменной секции реактора;

d) формирование плазменного газа в плазменной секции реактора с помощью электрической дуги из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию;

е) введение газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод для введения газа во вторую реакторную секцию, причем

- введение проводят таким образом, что газовая смесь, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, которая поступает во вторую реакторную секцию по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги, образованной анодом и катодом, так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, которая вводится в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод,

f) пропускание смеси ниже по потоку через вторую реакторную секцию по направлению течения основного потока, причем

- водород и твердый углерод образуются реакциями, протекающими в смеси во второй реакторной секции, и предпочтительно в плазменной секции; и

g) выведение смеси на конце реактора через выпускные устройства для выведения смеси из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока, причем предпочтительно выводимая смесь включает ацетилен в диапазоне от 0,01 до 4 об. %, предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 1 об. %.

Вариант исполнения 2: способ получения водорода и твердого углерода согласно варианту исполнения 1, причем способ исполняют непрерывно, и он дополнительно включает

стадию h) обработки смеси, выводимой на конце реактора через выпускные устройства, по меньшей мере в одном устройстве для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, образованной в указанном реакторе, причем указанное по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, отделяет газообразные компоненты от твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, смеси для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, находится в сообщении по текучей среде с выпускными устройствами реактора для получения потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, и потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, и

стадию i) обработки потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, и потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, по меньшей мере в одном устройстве для обогащения водородом из потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом отделяет водород от других газообразных компонентов, для получения потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, и потока, имеющего сниженную концентрацию водорода, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом и ацетиленом, предпочтительно с повышенной концентрацией ацетилена, по сравнению со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом; и

стадию j) введения потока, имеющего сниженную концентрацию водорода, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, и содержащей ацетилен, предпочтительно при повышенной концентрации ацетилена, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, или по меньшей мере ее части, по меньшей мере в один второй питающий трубопровод, используемый в стадии е), для введения газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, в первую подсекцию второй реакторной секции.

Вариант исполнения 3: способ получения водорода и твердого углерода согласно варианту исполнения 1 или 2, причем концентрация ацетилена в газовой смеси из стадии е), включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, составляет по меньшей мере 2 об. %, предпочтительно по меньшей мере 4 об. %, еще более предпочтительно по меньшей мере 6 об. %, наиболее предпочтительно свыше 8 об. % ацетилена.

Вариант исполнения 4: способ получения водорода и твердого углерода согласно любому из вариантов исполнения 1-3, причем способ дополнительно включает признаки способа, описанные в пунктах прилагаемой формулы изобретения и в настоящем описании.

Вариант исполнения 5: устройство для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы, отличающееся тем, что устройство включает:

по меньшей мере один реактор для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги, причем реактор включает

i) плазменную секцию, включающую

- анод и катод для генерирования электрической дуги, причем дуга является протяженной внутри плазменной секции, и

- по меньшей мере один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию реактора,

- причем анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и причем анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод, и

- причем указанный анод и указанный катод размещены так, что генерированная ими дуга возникает в указанной плазменной секции с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и причем опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода, и

ii) вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока, причем вторая реакторная секция включает

- первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока, и

- выпускные устройства для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока, причем

- первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, во вторую реакторную секцию, причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции, причем

- по меньшей мере один второй питающий трубопровод размещен так, что газовая смесь, включающая С₁-С₄-алканы и ацетилен, которая поступает в реактор через по меньшей мере один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ в положении ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги по направлению течения основного потока так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, причем по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, во вторую реакторную секцию, находится в сообщении по текучей среде с устройством для подачи содержащего ацетилен газа.

Вариант исполнения 6: устройство для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы согласно варианту исполнения 5, причем по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, находится в сообщении по текучей среде с устройством для подачи содержащего С₁-С₄-алканы газа.

Вариант исполнения 7: устройство для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы согласно варианту исполнения 5 или 6, причем устройство включает:

iii) по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, образованной в указанном реакторе, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, отделяет газообразные компоненты от твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, смеси для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей,

- находится в сообщении по текучей среде с выпускными устройствами реактора, и

- имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и

- имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей; и

iv) по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом из потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом

- находится в сообщении по текучей среде с выпускным каналом для потока, включающего газообразные компоненты при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, по меньшей мере одного устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и

- имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, и предпочтительно сниженную концентрацию ацетилена, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, и

- имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего сниженную концентрацию водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, и включающим ацетилен, предпочтительно при повышенной концентрации ацетилена, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, причем поток или по меньшей мере часть его вводят по меньшей мере в один второй питающий трубопровод ротора для введения газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, в первую подсекцию второй реакторной секции через впускной канал по меньшей мере одного второго питающего трубопровода.

Вариант исполнения 8: устройство для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы согласно варианту исполнения 7, причем устройство включает устройство для повышения концентрации ацетилена в потоке, включающем ацетилен, при сниженной концентрации водорода, по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, причем это устройство

- имеет впускной канал для содержащего ацетилен газа, который находится в сообщении по текучей среде с выпускным каналом для потока, включающего ацетилен при сниженной концентрации водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов устройства для обогащения водородом, и

- имеет выпускной канал для потока со сниженной концентрацией ацетилена относительно потока, поступающего во впускной канал устройства для обогащения ацетиленом, и

- имеет выпускной канал для потока с повышенной концентрацией ацетилена относительно потока, поступающего во впускной канал, причем выпускной канал находится в сообщении по текучей среде с впускным каналом по меньшей мере одного второго питающего трубопровода для введения газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, в первую подсекцию второй реакторной секции.

Вариант исполнения 9: способ получения водорода и твердого углерода согласно любому из вариантов исполнения 5-8, в котором устройство дополнительно включает признаки устройства, описанного в пунктах прилагаемой формулы изобретения и в настоящем описании.

Вариант исполнения 10: применение реактора, как описанного в любом из вариантов исполнения 5-9, в способе, как описанном в любом из вариантов исполнения 1-4.

В некоторых вариантах исполнения также предусмотрен резервуар-хранилище для содержащего ацетилен газа из потока, включающего ацетилен, при сниженной концентрации водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи.

Кроме того, устройство может содержать блок управления, который регулирует величину расхода потока, включающего ацетилен, при сниженной концентрации водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, во впускной канал по меньшей мере одного второго питающего трубопровода для введения газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, в первую подсекцию второй реакторной секции. В некоторых вариантах исполнения блок управления регулирует величину расхода потока в зависимости от выбранных граничных условий, например, стоимости электроэнергии (если электроэнергия является дорогостоящей, в реактор подают большее количество ацетилена), или от фазы процесса. Например, в пусковой фазе (когда требуется большее количество энергии для повышения температуры), выбирают повышенный расход потока. В других технологических фазах могут быть выбраны меньшие величины расхода потока. Если необходимо, также корректируют соответственно другие параметры, такие как расход потока содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого в первую подсекцию второй реакторной секции через второй питающий трубопровод, расход потока плазменного газа, или удельный расход электрической энергии. Это применимо также к способу согласно этому аспекту, который тем самым может включать стадию регулирования величины расхода потока или части потока, включающего ацетилен, при сниженной концентрации водорода, по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, во впускной канал по меньшей мере одного второго питающего трубопровода для введения газовой смеси, включающей С₁-С₄-алканы и ацетилен, в первую подсекцию второй реакторной секции. Это регулирование величины расхода потока выполняется описанным выше блоком управления.

Устройства для обогащения ацетиленом включают, например, но без ограничения этим, абсорбционную колонну, в которой ацетилен вымывается из газового потока, и десорбционную колонну для извлечения вымытой среды и для высвобождения предварительно абсорбированного ацетилена при высокой концентрации.

Независимый аспект и изобретение, как определенные в пунктах прилагаемой формулы изобретения, дополнительно иллюстрированы неограниченным образом нижеследующими примерами и Фигурами.

Примеры

Кодовые номера позиций имеют следующее значение:

10: устройство согласно изобретению

15: реактор для генерирования термической плазмы

20: плазменная секция реактора

21: электрическая дуга

22: часть объема плазменной секции, который начинается в самом дальнем выше по потоку положении, в котором внутренняя поверхность полого канала анода обращена к электрической дуге и достигает вниз конца плазменной секции реактора, и которая определяет базовый объем

23: направление течения основного потока

24: зазор по направлению течения основного потока между концом катода, ориентированного по направлению течения основного потока (нижним концом катода), и концом анода, ориентированным по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока (верхним концом анода)

30: вторая реакторная секция

31: первая подсекция второй реакторной секции

32: вторая подсекция второй реакторной секции

33: выпускное устройство второй реакторной секции

40: катод (на металлической основе и с водяным охлаждением)

50: анод (на металлической основе и с водяным охлаждением)

60: первый питающий трубопровод

70: второй питающий трубопровод

71: самая дальняя выше по потоку точка по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода

72: впускной канал для трубопровода 144, соединяющего выпускной канал 142 со вторым питающим трубопроводом 70

80: третий питающий трубопровод

90: устройство для создания содержащего С₁-С₄-алканы газа (подачи природного газа)

100: электрический изолятор

110: устройство для создания завихрения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа перед его введением в плазменную секцию

120: теплообменник

130: устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей

131: впускной канал устройства 130

132: выпускной канал для потока с повышенной концентрацией твердых веществ, предпочтительно газовой сажи

133: выпускной канал для потока с пониженной концентрацией твердых веществ, предпочтительно газовой сажи

140: устройство для обогащения водородом

141: впускной канал устройства 140

142: выпускной канал для потока, включающего ацетилен при сниженной концентрации водорода

143: выпускной канал для потока с повышенной концентрацией водорода

144: трубопровод, соединяющий выпускной канал для потока с ацетиленом и с пониженной концентрацией водорода со вторым питающим трубопроводом 70

145: ответвление трубопровода 144

Пунктирные стрелки предназначены для иллюстрации течения различных газовых потоков. Например, стрелка, протяженная от питающего трубопровода 60, иллюстрирует течение плазменного газа в зазор (24) между анодом (50) и катодом (40). То же применимо ко второму (70) и третьему (80) питающим трубопроводам и соответствующим пунктирным стрелкам. Пунктирная стрелка (23) иллюстрирует течение основного потока через реактор. Как станет очевидно из Фигур 1 и 2, газ, вводимый через второй и третий питающие трубопроводы, нагнетается поперечно направлению течения основного потока.

Фигура 1 показывает один вариант исполнения устройства (10) согласно настоящему изобретению для получения водорода и нелетучего углерода из природного газа. Устройство (10) включает реактор (15) для генерирования термической плазмы с помощью электрической дуги. Устройство дополнительно включает устройство (90) для создания содержащего С₁-С₄-алканы газа (подачи природного газа), теплообменник (120), устройство (130) для обогащения твердыми компонентами, и устройство (140) для обогащения водородом. Устройство (90) для подачи содержащего С₁-С₄-алканы газа, здесь природного газа, подает природный газ в реактор. Примерный состав природного газа имеет следующий состав: природный газ «Н» (из Содружества Независимых Государств (CIS)), состоящий почти на 98 об. % из метана, 1 об. % дополнительных алканов (этана, пропана, бутана, пентана), и 1 об. % инертных газов.

Реактор (15) включает плазменную секцию (20) и вторую реакторную секцию (30), непосредственно следующую за плазменной секцией реактора по направлению (23) течения основного потока. Плазменная секция (20) включает анод (50) и катод (40) для генерирования электрической дуги (21), причем дуга является протяженной внутри плазменной секции и вращается вокруг ее оси с завихрением содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, создаваемым устройством для создания завихрения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа перед его введением в плазменную секцию 110. Кроме того, плазменная секция включает по меньшей мере один первый питающий трубопровод (60) для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию реактора. Катод (40) является цилиндрическим, и имеет полый канал с главной осью, протяженной вдоль направления (23) течения основного потока в плазменной секции.

Анод (50) является цилиндрическим, и имеет полый канал с главной осью, протяженной вдоль направления течения основного потока плазменного газа. Полый канал имеет внутреннюю поверхность. Кроме того, канал имеет выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока. И канал имеет по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа (здесь природного газа), вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, который образует открытый конец анода, ориентированный по направлению противоположно направлению течения основного потока. Анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод.

Анод и катод являются концентрическими. Полый канал катода имеет два противолежащих конца, причем конец, обращенный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, закрыт, и причем конец, ориентированный по направлению течения основного потока, открыт, и находится выше по потоку и концентрически относительно открытого конца анода, ориентированного по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока. Катод позиционирован выше по потоку относительно открытого конца анода, ориентированного по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, причем анод и катод размещены так, что опорные точки электрической дуги (21) контактируют с внутренней поверхностью полого канала анода и внутренней поверхностью катода, соответственно. Тем самым генерированная электрическая дуга образуется в указанной плазменной секции с созданием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в указанную плазменную секцию через указанный по меньшей мере один первый питающий трубопровод. Как показано в Фигуре 1, анод и катод размещены так, что имеется зазор (24) по направлению течения основного потока между концом катода, ориентированным по направлению течения основного потока (нижним концом катода), и концом анода, ориентированным по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока (верхним концом анода). Длина указанного зазора (24) составляет по меньшей мере 0,3-кратную, более предпочтительно по меньшей мере 0,5-кратную величину среднего внутреннего диаметра полого канала анода в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. Соответственно этому, анод и катод не вставлены друг в друга (то есть, перекрываются по меньшей мере частично). По меньшей мере один первый питающий трубопровод размещен так, что введение плазменного газа в плазменную секцию реактора через устройство для создания завихрения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа перед его поступлением в плазменную секцию (110) происходит через вертикальный зазор между анодом и катодом в объемах полого катода и анода.

Вторая реакторная секция (30) включает первую подсекцию (31) и вторую подсекцию (32), причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока. Кроме того, вторая реакторная секция включает выпускные устройства (33) для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока. Первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод (70) для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем по меньшей мере один второй питающий трубопровод размещен так, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который поступает в реактор через по меньшей мере один второй питающий трубопровод, нагнетается поперечно направлению течения основного потока при введении в плазменный газ в положении ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги по направлению течения основного потока. Таким образом, в первой подсекции второй реакторной секции образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода. В дополнение, первая подсекция второй реакторной секции включает по меньшей мере в одной точке поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода.

Непосредственно выше по потоку относительно точки (71) имеется резкое расширение поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока, которое имеет угол раскрытия около 90° относительно направления течения основного потока. Поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз до расширения непосредственно выше по потоку от точки (71) остается по существу одним и тем же. Резкое расширение имеет результатом определенное противоточное смешение и завихрения компонентов при их течении через вторую реакторную секцию, в особенности сразу после резкого расширения. В результате этого расширяется распределение времени пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода. По меньшей мере 5% атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 5% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, во второй реакторной секции, причем предпочтительно по меньшей мере 10% атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 10% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, во второй реакторной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 15%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 20%, от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, во второй реакторной секции.

В Фигуре 1 по меньшей мере один второй питающий трубопровод (70) находится по направлению течения основного потока выше по потоку от самой дальней выше по потоку точки по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода. По меньшей мере один второй питающий трубопровод (70) определяет начало второй реакторной секции (30) и ее первой подсекции (31).

Объем плазменной секции, которая начинается в самом дальнем выше по потоку положении, в котором внутренняя поверхность полого канала анода (50) обращена к электрической дуге (21), и достигает вниз конца плазменной секции реактора, имеет объем в диапазоне от 0,0001 м³ до 0,4 м³, предпочтительно в диапазоне от 0,001 до 0,2 м³, и определяет базовый объем (22). Объем первой подсекции (31) второй реакторной секции составляет величину в диапазоне от 10- до 200-кратной величины базового объема, предпочтительно в диапазоне от 20- до 100-кратной величины базового объема. Объем всей второй реакторной секции составляет величину в диапазоне от 20- до 2000-кратной величины базового объема, предпочтительно в диапазоне от 40- до 1000-кратной величины базового объема. Вторая реакторная секция конфигурирована так, что плазменный газ в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода вводится в плазменный газ, имеет среднюю температуру в диапазоне от 1200 до 3000°С, предпочтительно в диапазоне от 1500 до 3000°С, и включает ацетилен, и причем смесь, образованная введением содержащего С₁-С₄-алканы газа через по меньшей мере один второй питающий трубопровод в плазменный газ, имеет в диапазоне от по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вниз до конца первой подсекции второй реакторной секции среднюю температуру по меньшей мере 850°С, предпочтительно по меньшей мере 1050°С, и менее 3000°С.

Кроме того, вторая реакторная секция конфигурирована так, что во второй подсекции второй реакторной секции средняя температура смеси, образованной из смеси плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого через по меньшей мере второй питающий трубопровод, и их реакций в любой точке вдоль направления течения основного потока, составляет по меньшей мере 650°С, предпочтительно по меньшей мере 750°С, более предпочтительно по меньшей мере 850°С, и менее 1500°С, причем средняя температура смеси, образованной из смеси плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого через по меньшей мере второй питающий трубопровод, и их реакций на конце второй реакторной секции по меньшей мере на 200 К, предпочтительно по меньшей мере на 400 К, более предпочтительно по меньшей мере на 600 К, является более низкой, чем средняя температура плазменного газа в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводится в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод.

В этом примере реактор (15) включает по меньшей мере один третий питающий трубопровод (80) для введения дополнительного содержащего С₁-С₄-алканы газа (природного газа) в смесь. Это каскадоподобное размещение второго и третьего питающих трубопроводов улучшает контроль температуры вдоль пути основного потока.

Наконец, смесь выводят из реактора (15) через выпускные устройства (33). Смесь, выведенная из реактора через выпускные устройства (33), включает ацетилен в диапазоне от 0,01 до 4 об. %, предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 1 об. %. В этом варианте исполнения выпускное устройство (33) реактора соединено с теплообменником (120), который используют для предварительного нагревания газа, поступающего в реактор через питающие трубопроводы (60), (70) и (80). Предварительное нагревание газа, вводимого в реактор, сокращает общие затраты на электрическую энергию и повышает производительность реактора.

Смесь, выведенную через выпускные устройства (33) и пропущенную через теплообменник (120), вводят в устройство (130) для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, через впускной канал (131). Устройство (130) может представлять собой высокотемпературный циклон. Это устройство отделяет газообразные компоненты от твердых компонентов смеси для обогащения смеси твердыми компонентами. Устройство (130) находится в сообщении по текучей среде с выпускным устройством (33) реактора. Устройство (130) имеет выпускной канал (132) для высвобождения потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей в устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и выпускной канал (133) для потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей в устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей. По меньшей мере часть нелетучего углерода, образованного в реакторе, предпочтительно газовой сажи, удаляют вместе с потоком, имеющим повышенную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей в устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, через выпускной канал (132).

Выпускной канал (133) находится в сообщении по текучей среде с устройством (140) для обогащения водородом из потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи. Устройство повышает содержание водорода в потоке, поступающем в устройство через впускной канал (141). Кроме того, устройство имеет выпускной канал (143) для потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, и выпускной канал (142) для потока, имеющего сниженную концентрацию водорода, по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим в устройство для обогащения водородом. Поток, выводимый через выпускной канал (143), может быть подан в контейнер для хранения водорода (не показан). Поток, выходящий из выпускного канала (142), имеет повышенную концентрацию ацетилена, сравнительно с потоком, выводимым из выпускного канала (143), и его подают через трубопровод (144) по меньшей мере в один второй питающий трубопровод (70). Поток, выводимый из выпускного канала (143), может быть подан в контейнер-хранилище (не показан). Ацетилен, подаваемый в первую подсекцию второй реакторной секции, позволяет быстрее нагревать содержащий С₁-С₄-алканы газ, вводимый во вторую реакторную секцию по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, теплом, выделяющимся в результате разложения ацетилена. Кроме того, может быть снижен общий расход электрической энергии.

Как можно видеть из Фигуры 1, реактор не включает устройства для гашения смеси подачей жидкостной среды во вторую реакторную секцию. Избегание гашения во второй реакторной секции и выведение смеси при соответственно высокой температуре позволяет более эффективно проводить предварительное нагревание подводимого сырьевого газа, и позволяет улучшить общий энергетический баланс получения водорода и нелетучего углерода.

Фигура 2 показывает альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения. Он отличается от показанного в Фигуре 1 варианта осуществления тем, что выше по потоку относительно начала второй реакторной секции находится самая дальняя выше по потоку точка (71) по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода.

Способ согласно настоящему изобретению для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы может быть исполнен на практике с использованием вышеописанных устройств (10). Способ включает стадии:

а) выведения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа из устройства (90) для создания содержащего С₁-С₄-алканы газа;

b) введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, выведенного из устройства (90) для выведения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, по меньшей мере в первый реактор (15), причем указанный реактор представляет собой реактор для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги (21), причем содержащий С₁-С₄-алканы плазменный газ вводят в реактор по меньшей мере через один первый питающий трубопровод (60) для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию (20) реактора (15), и

с) генерирования электрической дуги (21) между анодом (50) и катодом (40), протяженной внутри плазменной секции (20) реактора, причем опорные точки электрической дуги контактируют с внутренней поверхностью полого канала анода и внутренней поверхностью полого канала катода, соответственно, и причем электрическая дуга вращается вокруг оси, протяженной от катода до анода. Вращение электрической дуги вызывается с помощью устройства (110) для создания завихрения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа перед введением его в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод (60). Ось вращения электрической дуги ориентирована по направлению (23) течения основного потока плазменного газа. Частота вращения электрической дуги вокруг оси составляет по меньшей мере 0,1 с^-1, более предпочтительно по меньшей мере 0,2 с^-1, еще более предпочтительно по меньшей мере 0,5 с^-1; и

d) формирования плазменного газа в плазменной секции (20) реактора с помощью электрической дуги (21) из содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа, вводимого в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод (60) для введения содержащего С₁-С₄-алканы плазменного газа в плазменную секцию (20); и

е) введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию (31) второй реакторной секции (30) по меньшей мере через один второй питающий трубопровод (70) для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции, причем

- введение проводят таким образом, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который поступает во вторую реакторную секцию по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ по направлению (23) течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги (21), образованной анодом и катодом, так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа, который вводится в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод (70), причем

- плазменный газ в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводится в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод (70), имеет среднюю температуру в диапазоне от 1200 до 3000°С, и включает ацетилен, образуя тем самым смесь, сформированную введением содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере через один второй питающий трубопровод в плазменный газ, который в диапазоне от по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вниз до конца первой подсекции второй реакторной секции имеет среднюю температуру по меньшей мере 850°С, предпочтительно по меньшей мере 1050°С, и менее, чем 3000°С; и

f) пропускания смеси ниже по потоку через вторую реакторную секцию по направлению (23) течения основного потока, причем

- указанное пропускание является таким, что в первой подсекции второй реакторной секции среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, составляет величину в диапазоне от 100 мс до 2000 мс, предпочтительно в диапазоне от 200 мс до 1000 мс, и

- пропускание является таким, что во всей второй реакторной секции среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, составляет величину в диапазоне от 200 мс до 20000 мс, предпочтительно в диапазоне от 400 мс до 10000 мс, и

- по меньшей мере 5% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 5% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции, причем предпочтительно по меньшей мере 10% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется в абсолютных цифрах по меньшей мере на 10% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, во второй реакторной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 15%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 20%, от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции, и

- водород образуется реакциями, протекающими в смеси во второй реакторной секции, и предпочтительно в плазменной секции; и

g) регулирования средней температуры смеси во второй подсекции второй реакторной секции по меньшей мере на 650°С, предпочтительно по меньшей мере на 750°С, более предпочтительно по меньшей мере на 850°С, и на менее 1500°С, причем среднюю температуру смеси из плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимой через по меньшей мере второй питающий трубопровод, на конце второй реакторной секции регулируют на среднюю температуру, которая по меньшей мере на 200 К, предпочтительно по меньшей мере на 400 К, более предпочтительно по меньшей мере на 600 К является более низкой, чем средняя температура плазменного газа в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводят в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, и

h) выведения смеси на конце реактора через выпускные устройства (33) для выведения смеси из реактора, причем выпускные устройства (33) размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока, с пропусканием смеси через теплообменник (120); и

i) обработки смеси, выходящей из теплообменника (120), в устройстве (130) для обогащения смеси твердыми компонентами, в частности, газовой сажей, для получения потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов, в частности, газовой сажи, в смеси, и потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, в частности, газовой сажи, в смеси; и

j) обработки потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, в смеси, в устройстве (140) для получения потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, выводимого из выпускного канала (143), сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и пониженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, в смеси, и потока, выводимого через выпускной канал (142), имеющего сниженную концентрацию водорода, по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, в смеси. Поток (142) имеет повышенную концентрацию ацетилена, сравнительно с потоком (143).

Теплообменник (120) используют для нагревания потока из устройства (90) перед поступлением его в реактор через впускные каналы (60), (70) и (80). Устройство (130) используют для обогащения твердым углеродом, предпочтительно газовой сажей, образованного реакциями в реакторе. Кроме того, устройство (140) используют для обогащения смеси водородом. Поток, имеющий повышенную концентрацию водорода, может быть выведен из выпускного канала (143) и подан в контейнер для хранения. Поток, имеющий сниженную концентрацию водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов в смеси, и выводимый из выпускного канала (142), включает ацетилен, предпочтительно включает ацетилен с повышенной концентрацией относительно потока, поступающего во впускной канал (141). Поток, выводимый через впускной канал (142), включающий ацетилен, может быть направлен через трубопровод (144) во впускной канал (72) по меньшей мере одного второго питающего трубопровода (70). В дополнительном предпочтительном варианте исполнения поток, выводимый из выпускного канала (142), подают через трубопровод (144) в устройство для повышения концентрации ацетилена (здесь не показано), которое находится в сообщении по текучей среде с впускным каналом (72). Устройство для повышения концентрации ацетилена имеет выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию ацетилена, относительно потока, подаваемого в устройство, которое находится в сообщении по текучей среде с впускным каналом (72). Этот поток может быть подан по меньшей мере в один второй питающий трубопровод (70) через впускной канал (72).

В одном дополнительном варианте исполнения описанных здесь устройства и способа дополнительный теплообменник (не показанный ни в Фигуре 1, ни в Фигуре 2) размещают между теплообменником (120) и разделительным устройством (130), и используют для генерирования пара.

В определенных вариантах исполнения теплообменник (120) присоединен так, что он передает тепло от смеси, выводимой через выпускной канал (33), потоку, пропускаемому по трубопроводу (144) до впускного канала (72), чтобы предварительно нагревать поток перед его введением в поток, вводимый в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод (70).

Кроме того, вышеописанное устройство может быть использовано для способа согласно настоящему изобретению, в частности, для исполнения описанного выше способа.

Группа изобретений может быть использована при получении водорода. Устройство для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы включает по меньшей мере один реактор для генерирования термической плазмы с помощью электрической дуги. Реактор включает плазменную секцию и вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции по направлению течения основного потока. Вторая реакторная секция включает первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока. Предложены также способ получения водорода и твердого углерода и применение устройства в указанном способе. Изобретения позволяют повысить эффективность получения водорода из содержащего С₁-С₄-алканы газа, повысить степень конверсии исходного сырья при высоком выходе за один проход в единицу времени, сократить образование нежелательных побочных продуктов. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы, отличающееся тем, что устройство включает

по меньшей мере один реактор для генерирования термической плазмы с помощью электрической дуги, причем реактор включает:

i) плазменную секцию, включающую

анод и катод для генерирования электрической дуги, причем дуга является протяженной внутри плазменной секции, и

по меньшей мере один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в плазменную секцию реактора,

причем анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и причем анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод, и

причем указанный анод и указанный катод размещены так, что генерированная ими дуга возникает в указанной плазменной секции с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и причем опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода, и

ii) вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока, причем вторая реакторная секция включает

первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока, и

выпускные устройства для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока,

причем первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию,

причем по меньшей мере один второй питающий трубопровод размещен так, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который поступает в реактор через по меньшей мере один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ в положении ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги по направлению течения основного потока так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, и

причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции, и

причем объем плазменной секции, которая начинается в самом дальнем выше по потоку положении, в котором внутренняя поверхность полого канала анода обращена к электрической дуге, и достигает вниз конца плазменной секции реактора, имеет объем в диапазоне от 0,0001 до 0,4 м³, и

причем объем первой подсекции второй реакторной секции превышает базовый объем на величину в диапазоне от 10 до 200 раз, и

причем объем всей второй реакторной секции составляет величину в диапазоне от 20 до 2000 величин базового объема, и

причем реактор в первой подсекции второй реакторной секции и/или в плазменной секции в диапазоне ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз к концу плазменной секции включает по меньшей мере одно место поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода.

2. Устройство для получения водорода и твердого углерода по п. 1, причем устройство дополнительно включает

по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, образованными в указанном реакторе, причем указанное по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, отделяет газообразные компоненты от твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, в смеси, для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, в смеси,

причем по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей,

находится в сообщении по текучей среде с выпускными устройствами реактора, и

имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, по сравнению со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и

имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей.

3. Устройство для получения водорода и твердого углерода по п. 2, причем устройство дополнительно включает

по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом из смеси, включающей газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом

находится в сообщении по текучей среде с выпускным каналом для потока, включающего газообразные компоненты при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, по меньшей мере одного устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и

имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси, при сниженной концентрации твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, и

имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока со сниженной концентрацией водорода, сравнительно с потоком, включающим газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом.

4. Устройство для получения водорода и твердого углерода по любому из предшествующих пунктов, в котором:

между опорными точками электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода и самой дальней выше по потоку точкой по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, имеется по меньшей мере одно резкое расширение поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока, которое имеет угол раскрытия по меньшей мере 20°, предпочтительно по меньшей мере 45°, более предпочтительно по меньшей мере 75°, в направлении течения основного потока относительно главной оси потока; и/или

поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока в диапазоне от опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз до самой дальней выше по потоку точки по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, составляет в любой точке по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, относительно среднего поперечного сечения поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода.

5. Устройство для получения водорода и твердого углерода по любому из предшествующих пунктов, в котором:

реактор включает устройство, предпочтительно два отдельных устройства, для разъемного соединения анода или части анода с остальным реактором, причем предпочтительно одно из указанных отдельных устройств размещено по направлению течения основного потока выше по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода и другое устройство из указанных двух отдельных устройств размещено по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, причем предпочтительно указанные устройства для разъемного соединения анода или части анода с остальным реактором размещены выше по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода по направлению течения основного потока, более предпочтительно устройства для разъемного соединения, размещенные по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, находятся по направлению течения основного потока выше по потоку относительно самой дальней выше по потоку точки, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, еще более предпочтительно выше по потоку относительно резкого расширения поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока; и/или

анод и/или катод представляют собой охлаждаемые электроды, причем охлаждение предпочтительно представляет собой жидкостное охлаждение, более предпочтительно водяное охлаждение.

6. Устройство для получения водорода и твердого углерода по любому из предшествующих пунктов, в котором

анод и катод являются концентрическими и катод имеет полый канал с главной осью, протяженной вдоль направления течения основного потока, причем полый канал имеет два противоположных конца, причем конец, ориентированный по направлению противоположно направлению течения основного потока, закрыт, и причем конец, ориентированный по направлению течения основного потока плазменного газа, открыт и находится выше по потоку и концентрически относительно открытого конца анода, ориентированного по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, причем анод и катод размещены так, что опорные точки электрической дуги контактируют с внутренней поверхностью полого канала анода и внутренней поверхностью полого канала катода, соответственно, причем анод и катод предпочтительно размещены так, что имеется зазор по направлению течения основного потока между концом катода, ориентированным по направлению течения основного потока, и концом анода, ориентированным по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, причем длина указанного зазора предпочтительно составляет по меньшей мере 0,3-кратную, более предпочтительно по меньшей мере 0,5-кратную величину среднего внутреннего диаметра полого канала анода в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, причем предпочтительно по меньшей мере один первый питающий трубопровод размещен так, что плазменный газ поступает в плазменную секцию реактора через зазор между анодом и катодом.

7. Устройство для получения водорода и твердого углерода по любому из предшествующих пунктов, в котором:

по меньшей мере один реактор конфигурирован так, что по меньшей мере один второй питающий трубопровод вводит содержащий С₁-С₄-алканы газ в плазменный газ поперек направления течения основного потока; и/или

по меньшей мере один реактор имеет по меньшей мере один третий питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем по меньшей мере один третий питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа размещен по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, предпочтительно положение по меньшей мере одного третьего питающего трубопровода определяет начало второй подсекции второй реакторной секции; и/или

вторая реакторная секция включает по меньшей мере одно устройство для создания турбулентности и/или противоточного смешения смеси, предпочтительно по меньшей мере одно устройство позиционировано ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода по направлению течения основного потока, причем предпочтительно по меньшей мере одно устройство для создания турбулентности и/или противоточного смешения смеси выбирают из группы, состоящей из пассивной решетки, статического смесителя, изгиба реактора и их комбинаций, причем предпочтительно изгиб реактора вызывает изменение направления течения смеси относительно направления течения основного потока по меньшей мере на 80°, предпочтительно по меньшей мере на 135°.

8. Устройство для получения водорода и твердого углерода по любому из предшествующих пунктов, в котором

по меньшей 5% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 5% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции, причем предпочтительно по меньшей мере 10% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется в абсолютных цифрах по меньшей мере на 10% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазмообразующего плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, во второй реакторной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 15%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 20%, от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции.

9. Способ получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы, отличающийся тем, что способ включает стадии:

а) выведения содержащего С₁-С₄-алканы газа из устройства для создания содержащего С₁-С₄-алканы газа;

b) введения содержащего С₁-С₄-алканы газа, выведенного из устройства для подачи содержащего С₁-С₄-алканы газа, по меньшей мере в первый реактор;

причем указанный реактор представляет собой реактор для генерирования термической плазмы посредством электрической дуги, причем указанный реактор включает:

i) плазменную секцию, включающую

анод и катод для генерирования электрической дуги, причем дуга является протяженной внутри плазменной секции, и

по меньшей мере один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в плазменную секцию реактора,

причем анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и причем анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод, и

причем указанный анод и указанный катод размещены так, что генерированная ими дуга возникает в указанной плазменной секции с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и причем опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода, и

ii) вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока, причем вторая реакторная секция включает

первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока, и

выпускные устройства для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока,

причем первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции,

и причем содержащий С₁-С₄-алканы газ вводится в реактор по меньшей мере через один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в плазменную секцию реактора;

с) генерирования электрической дуги между анодом и катодом, протяженной внутри плазменной секции реактора;

d) формирования плазменного газа в плазменной секции реактора с помощью электрической дуги из содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого в плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в плазменную секцию;

е) введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию,

причем введение проводят таким образом, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который поступает во вторую реакторную секцию по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги, образованной анодом и катодом, так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа, которая вводится в первую подсекцию второй реакторной секции по меньшей мере через один второй питающий трубопровод,

причем плазменный газ в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводится в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, имеет среднюю температуру в диапазоне от 1200 до 3000°С и включает ацетилен, образуя тем самым смесь, сформированную введением содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере через один второй питающий трубопровод в плазмообразующий плазменный газ, который в диапазоне от по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вниз до конца первой подсекции второй реакторной секции имеет среднюю температуру по меньшей мере 850°С и менее чем 3000°С;

f) пропускания смеси ниже по потоку через вторую реакторную секцию по направлению течения основного потока, причем

указанное пропускание является таким, что в первой подсекции второй реакторной секции среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, составляет величину в диапазоне от 100 до 2000 мс, и

пропускание является таким, что во всей второй реакторной секции среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазмообразующего плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, составляет величину в диапазоне от 200 до 20000 мс, и

по меньшей мере 5% атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, имеют время пребывания во второй реакторной секции, которое отклоняется по абсолютной величине по меньшей мере на 5% от среднего времени пребывания всех атомов смеси, образованной из плазменного газа, вышедшего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода во второй реакторной секции, и

водород и твердый углерод образуются реакциями, протекающими в смеси во второй реакторной секции, и также в плазменной секции;

g) регулирования средней температуры смеси во второй подсекции второй реакторной секции по меньшей мере на 650°С и на менее 1500°С, причем среднюю температуру смеси из плазменного газа и содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимой через по меньшей мере второй питающий трубопровод, на конце второй реакторной секции регулируют на среднюю температуру, которая по меньшей мере на 200 К является более низкой, чем средняя температура плазменного газа в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводят в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод; и

h) выведения смеси на конце реактора через выпускные устройства для выведения смеси из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока.

10. Способ по п. 9, в котором

способ дополнительно включает стадию i) обработки смеси, выводимой через выпускные устройства, с использованием по меньшей мере одного устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, для получения потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи, и потока, включающего газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи;

причем стадию i) предпочтительно проводят по меньшей мере в одном устройстве для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, образованными в реакторе, причем указанное по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, используют для отделения газообразных компонентов от твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, смеси для обогащения твердыми компонентами смеси, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения твердыми компонентами

находится в сообщении по текучей среде с выпускными устройствами реактора, и

имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и

имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, включающего газообразные компоненты смеси и сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, сравнительно со смесью, поступающей по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей; и/или

среднее время пребывания атомов смеси, образованной из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере из одного второго питающего трубопровода, в диапазоне от начала второй реакторной секции вниз до и включительно устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, составляет величину в диапазоне от 200 до 20000 мс.

11. Способ по п. 10, причем способ дополнительно включает стадию

j) обработки потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи, по меньшей мере в одном устройстве для получения потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи,

причем стадию j) предпочтительно проводят по меньшей мере в одном устройстве для обогащения водородом из потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи, по сравнению с потоком, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, причем по меньшей мере одно устройство для обогащения водородом

находится в сообщении по текучей среде по меньшей мере с одним выпускным каналом для потока, имеющего сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, по меньшей мере одного устройства для обогащения смеси твердыми компонентами, предпочтительно газовой сажей, и

имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, имеющего повышенную концентрацию водорода, по сравнению с потоком, включающим газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации твердых компонентов смеси, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом, и

имеет по меньшей мере один выпускной канал для потока, включающего газообразные компоненты смеси при сниженной концентрации водорода, сравнительно с потоком, имеющим сниженную концентрацию водорода, сравнительно с потоком, имеющим сниженную концентрацию твердых компонентов, предпочтительно газовой сажи, поступающим по меньшей мере в одно устройство для обогащения водородом.

12. Способ по любому из пп. 9-11, отличающийся тем, что

реактор в первой подсекции второй реакторной секции и/или в плазменной секции в диапазоне ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз до конца плазменной секции включает по меньшей мере в одной точке поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, причем предпочтительно давление непосредственно выше по потоку от самой дальней выше по потоку точки по направлению течения основного потока, в которой поперечное сечение потока поперек направления течения основного потока является большим по меньшей мере в 5 раз, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, составляет величину в диапазоне от 0,5 до 30 бар (0,05-3 МПа) избыточного давления.

13. Способ по любому из пп. 9-12, отличающийся тем, что

содержащий С₁-С₄-алканы газ вводят по меньшей мере через один второй питающий трубопровод в плазменный газ поперечно направлению течения основного потока; и/или

проводят по меньшей мере третье введение содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, причем третье введение проводят по меньшей мере через один третий питающий трубопровод, который размещен по направлению течения основного потока ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию, и причем положение по меньшей мере одного третьего питающего трубопровода предпочтительно определяет начало второй подсекции второй реакторной секции.

14. Способ по любому из пп. 9-13, отличающийся тем, что

нелетучий углерод, предпочтительно газовая сажа, предпочтительно газовая сажа, которая составляет часть газовой сажи, образованной в указанном способе и отделенной способом по п. 10 или 11, диспергированная в водороде и/или в содержащем С₁-С₄-алканы газе, вводится во вторую реакторную секцию либо непосредственно, либо, предпочтительно, введением по меньшей мере в один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции, газовый поток, содержащий нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, непосредственно перед точкой введения во вторую реакторную секцию или непосредственно перед точкой введения по меньшей мере в один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в первую подсекцию второй реакторной секции, соответственно, предпочтительно имеет концентрацию нелетучего углерода, предпочтительно газовой сажи, в диапазоне от 1 до 100 г/м_н³, где г/м_н³ означает количество граммов в расчете на нормальный кубический метр, и причем предпочтительно отношение величины расхода газового потока, содержащего нелетучий углерод, предпочтительно газовую сажу, непосредственно перед точкой введения во вторую реакторную секцию или непосредственно перед точкой введения по меньшей мере в один второй питающий трубопровод, соответственно, к сумме расхода потока содержащего С₁-С₄-алканы газа и расхода потока содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода в единицах м_н³/час составляет величину в диапазоне от 0,01 до 10%, предпочтительно от 0,1 до 5%; и/или

плазменный газ в положении, в котором содержащий С₁-С₄-алканы газ вводят в плазменный газ по меньшей мере через один второй питающий трубопровод, включает по меньшей мере 2 об. %, предпочтительно по меньшей мере 4 об. %, еще более предпочтительно по меньшей мере 6 об. %, наиболее предпочтительно более 8 об. % ацетилена; и/или

электрическая дуга, генерированная анодом и катодом, вращается вокруг оси, протяженной от катода до анода, предпочтительно вращение электрической дуги создается устройством, выбранным из группы, состоящей из магнитного устройства или устройства для создания завихрения содержащего С₁-С₄-алканы газа по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, перед его введением в плазменную секцию, причем предпочтительно электрическая дуга вращается вокруг оси, которая ориентирована по направлению течения основного потока, причем предпочтительно электрическая дуга вращается с частотой по меньшей мере 0,1 с^-1, более предпочтительно по меньшей мере 0,2 с^-1, еще более предпочтительно по меньшей мере 0,5 с^-1.

15. Способ по любому из пп. 9-14, отличающийся тем, что

во второй реакторной секции создают дополнительные турбулентность и/или противоточное смешение смеси, в частности дополнительную турбулентность в смеси по направлению течения основного потока ниже по потоку от по меньшей мере одного второго питающего трубопровода предпочтительно с использованием по меньшей мере одного устройства для создания турбулентности и/или противоточного смешения смеси, в частности, выбранного из группы, состоящей из пассивной решетки, статического смесителя, изгиба реактора и их комбинации.

16. Способ по любому из пп. 9-15, отличающийся тем, что

анод и катод по меньшей мере первого реактора размещены концентрически и катод имеет полый канал с главной осью, протяженной вдоль направления течения основного потока, причем полый канал имеет два противолежащих конца, причем конец, обращенный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, закрыт, и причем конец, ориентированный по направлению течения основного потока, открыт и находится выше по потоку и концентрически относительно открытого конца анода, ориентированного по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, причем анод и катод размещены так, что опорные точки электрической дуги контактируют с внутренней поверхностью полого канала анода и внутренней поверхностью полого канала катода, соответственно, причем предпочтительно анод и катод размещены так, что имеется зазор по направлению течения основного потока между концом катода, ориентированным по направлению течения основного потока, и концом анода, ориентированным по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, причем длина указанного зазора предпочтительно составляет по меньшей мере 0,3-кратную, более предпочтительно по меньшей мере 0,5-кратную величину среднего внутреннего диаметра полого канала анода в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода, причем предпочтительно по меньшей мере один первый питающий трубопровод размещен так, что введение плазменного газа в плазменную секцию реактора через по меньшей мере один первый питающий трубопровод происходит в указанный зазор между анодом и катодом; и/или

содержащий С₁-С₄-алканы газ плазменного газа и/или по меньшей мере одного второго питающего трубопровода представляет собой природный газ или газ, включающий метан.

17. Применение устройства в способе получения водорода и твердого углерода из содержащего С₁-С₄-алканы газа с помощью термической плазмы по любому из пп. 9-16, отличающийся тем, что устройство включает

по меньшей мере один реактор для генерирования термической плазмы с помощью электрической дуги, причем реактор включает:

i) плазменную секцию, включающую

анод и катод для генерирования электрической дуги, причем дуга является протяженной внутри плазменной секции, и

по меньшей мере один первый питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа в плазменную секцию реактора,

причем анод имеет полый канал вдоль направления течения основного потока плазменного газа, который имеет внутреннюю поверхность, выпускной канал по направлению течения основного потока плазменного газа, который образует открытый конец анода по направлению течения основного потока, и по меньшей мере один впускной канал для приема содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого в плазменную секцию реактора по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, причем впускной канал образует открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и причем анод конфигурирован так, что плазменный газ протекает по полому каналу через открытый конец анода, ориентированный по направлению, противоположному относительно направления течения основного потока, и открытый конец анода по направлению течения основного потока, причем плазменный газ контактирует с внутренней поверхностью полого канала анода при его проходе через анод, и

причем указанный анод и указанный катод размещены так, что генерированная ими дуга возникает в указанной плазменной секции с образованием плазменного газа в указанной плазменной секции из содержащего С₁-С₄-алканы газа, вводимого в указанную плазменную секцию по меньшей мере через один первый питающий трубопровод, и причем опорные точки электрической дуги в контакте с анодом находятся на внутренней поверхности полого канала анода, и

ii) вторую реакторную секцию непосредственно ниже по потоку относительно плазменной секции реактора по направлению течения основного потока, причем вторая реакторная секция включает

первую подсекцию и вторую подсекцию, причем вторая подсекция находится непосредственно ниже по потоку относительно первой подсекции по направлению течения основного потока, и

выпускные устройства для выведения компонентов из реактора, причем выпускные устройства размещены на конце второй реакторной секции по направлению течения основного потока,

причем первая подсекция включает по меньшей мере один второй питающий трубопровод для введения содержащего С₁-С₄-алканы газа во вторую реакторную секцию,

причем по меньшей мере один второй питающий трубопровод размещен так, что содержащий С₁-С₄-алканы газ, который поступает в реактор через по меньшей мере один второй питающий трубопровод, вводится в плазменный газ в положении ниже по потоку относительно опорных точек электрической дуги по направлению течения основного потока так, что в первой подсекции второй реакторной секции ниже по потоку относительно по меньшей мере одного второго питающего трубопровода образуется смесь из плазменного газа, выходящего из плазменной секции, и содержащего С₁-С₄-алканы газа из по меньшей мере одного второго питающего трубопровода, и

причем положение по меньшей мере одного второго питающего трубопровода вдоль направления течения основного потока определяет начало второй реакторной секции и ее первой подсекции, и

причем объем плазменной секции, которая начинается в самом дальнем выше по потоку положении, в котором внутренняя поверхность полого канала анода обращена к электрической дуге, и достигает вниз конца плазменной секции реактора, имеет объем в диапазоне от 0,0001 до 0,4 м³ и определяет базовый объем, и

причем объем первой подсекции второй реакторной секции превышает базовый объем на величину в диапазоне от 10 до 200 раз, и

причем объем всей второй реакторной секции составляет величину в диапазоне от 20 до 2000 величин базового объема, и

причем реактор в первой подсекции второй реакторной секции и/или в плазменной секции в диапазоне ниже по потоку по направлению течения основного потока относительно опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода вниз к концу плазменной секции включает по меньшей мере одно место поперечного сечения потока поперек направления течения основного потока, которое является большим по меньшей мере в 5 раз по сравнению со средним поперечным сечением потока анода поперек направления течения основного потока в диапазоне опорных точек электрической дуги на внутренней поверхности полого канала анода.