Плазмохимический реактор Российский патент 2025 года по МПК H05H1/46 B01J19/12 C01B3/24 C01B32/05 

Изобретение относится к технике переработки углеводородного сырья, в частности природного газа, и производству водорода и углерода.

Одной из проблем рационального природопользования является переработка природного и попутного газа нефтедобычи. Здесь возможны многие варианты: превращение газа в жидкую фракцию; использование в качестве источника для производства электроэнергии, а также конверсия в такие ценные продукты как углерод и водород. Перспективность получения углерода подтверждается большим интересом, связанным с его главной ролью в нанотехнологиях, открывающих широкие возможности применения углерода в фармакологии, материаловедении, электронике, автомобильной и авиакосмической отраслях, в военном деле и т.п.

Не менее значима и проблема получения водорода, необходимость в котором для нужд энергетики трудно переоценить.

Таким образом, подтверждается актуальность разработки технологии и средств получения чистого углерода и водорода, повышения эффективности процессов.

Известно устройство для получения водорода и углерода из углеводородного газа (метана) [А.И. Бабарицкий и др. Импульсно-периодический СВЧ разряд как катализатор химической реакции // ЖТФ. - 2000. - Т. 70. - Вып. 11. - С. 36-41], которое реализует процесс термической диссоциации метана на водород и углерод: при воздействии плазмы импульсно-периодического СВЧ разряда на предварительно нагретый газ. Устройство содержит источник нагрева газа, СВЧ генератор, ферритовый циркулятор, разрядную камеру, волноводы для подачи в разрядную камеру СВЧ энергии. Недостатками известного устройства являются: необходимость дополнительного внешнего источника тепла для предварительного нагрева исходного углеводородного газа, т.е. неизбежные потери тепловой энергии и усложнение конструкции, а также относительно низкие степень конверсии метана и выход водорода и углерода.

Известно устройство для плазмохимической конверсии углеводородного газа (метана) в водород и углерод [патент RU 2522636 C1, МПК C01B 31/02 (2006.01), B82B 3/00 (2006.01), H05H 1/46 (2006.01), B82Y 40/00 (2011.01), C01B 3/26 (2006.01), опубл. 20.07.2014], в котором предварительный нагрев и последующая диссоциация углеводородного газа на водород и углерод осуществляется совмещенным воздействием плазмы СВЧ разряда и катализатора. Устройство содержит проточный реактор из радиопрозрачного термостойкого материала, заполненный катализатором, помещенный в сверхвысокочастотный волновод, соединенный с источником сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, снабженный концентратором СВЧ электромагнитного поля, выполненным в виде волноводно-коаксиального перехода (ВКП) с полым внутренним и внешним проводниками, образующими разрядную камеру, и системой вспомогательного разряда. Ввод конвертируемого газа (метана) осуществляется аксиально, т.е. по полому внутреннему проводнику ВКП. Недостатком известного устройства является то, что при больших расходах конвертируемого газа и высоких уровнях подаваемой СВЧ мощности в разрядную камеру, происходит разогрев внутреннего проводника ВКП с последующим его оплавлением и образованием наростов из углеродного порошка, которые в дальнейшем перекрывают межэлектродное пространство ВКП с последующим прекращением разряда.

Известно принятое за прототип устройство для плазмохимической конверсии углеводородного газа (метана) в водород и углерод [патент RU 167295, МПК C01B 31/02 (2006.01), H05H 1/46 (2006.01), опубл. 27.12.2016], в котором предварительный нагрев и последующая диссоциация углеводородного газа на водород и углерод осуществляется воздействием плазмы СВЧ разряда в отсутствии катализатора. Устройство содержит сверхвысокочастотный прямоугольный волновод, соединенный с источником электромагнитного излучения, снабженный концентратором СВЧ электромагнитного поля, выполненным в виде волноводно-коаксиального перехода с внешним и внутренним проводниками коаксиала, образующими разрядную камеру, устройство ввода конвертируемого газа в разрядную камеру, систему вспомогательного разряда, выполненную из четырех разрядников, расположенных в плоскости поперечного сечения разрядной камеры, равномерно по ее окружности, при этом продольные оси разрядников ориентированы тангенциально по отношению к боковой поверхности разрядной камеры в одном направлении, причем устройство ввода конвертируемого газа в разрядную камеру выполнено из четырех газопроводов, расположенных с интервалом в 90° между разрядниками системы вспомогательного разряда, причем газопроводы конвертируемого газа ориентированы тангенционально по отношению к боковой поверхности разрядной камеры и в одном направлении с разрядниками системы вспомогательного разряда.

Недостатком известного устройства является то, что при высокой мощности, рассеиваемой в разряде, происходит нагрев внутреннего проводника коаксиальной линии ВКП, вплоть до его плавления. Кроме того, на разогретом до высокой температуры проводнике в присутствии метана происходит образование углерода, который в виде углеродного мостика перекрывает разрядный промежуток и, как следствие, прекращает СВЧ разряд.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности работы плазмохимического реактора за счет увеличения стабильности СВЧ разряда, увеличения выхода продуктов конверсии, производительности и продолжительности непрерывной работы плазмохимического реактора.

На Фиг. 1 схематически представлена схема конструкции заявляемого плазмохимического реактора.

Предлагаемый плазмохимический реактор содержит волновод прямоугольного сечения 1, циркулятор 2, источник электромагнитного излучения (магнетрон) 3, подвижный короткозамыкающий поршень 4, волноводно-коаксиальный переход (ВКП) 5, полый внешний проводник 6, полый внутренний проводник 7, разрядную камеру 8, электрод искрового разрядника 9, изолятор 10, радиопрозрачные диэлектрические перегородки 11, сборник углерода 12, обмотка электромагнитного вибратора 13, подвижный металлический шток 14, трубку 15. Также реактор снабжен газопроводами для ввода азота N₂, для ввода метана СН₄ и для вывода метано-водородной смеси.

Также предлагаемый плазмохимический реактор снабжен концентратором СВЧ электромагнитного поля, выполненным в виде волноводно-коасиального перехода (ВКП) 5 с полым внешним 6 и внутренним 7 проводниками, образующими разрядную камеру 8, системой вспомогательного разряда, сборником углерода 12 в нижнем конце плазмохимического реактора, газопроводами.

В предлагаемом плазмохимическом реакторе система вспомогательного разряда образована искровым разрядником, к электроду 9 которого подводится высокое напряжение через изолятор 10. Искровой разрядник расположен на внешней стороне ВКП 5 тангенциально к боковой поверхности разрядной камеры 8. Для защиты источника электромагнитного излучения (магнетрона) 3 и подвижного короткозамыкающего поршня 4 от продуктов конверсии установлены радиопрозрачные диэлектрические перегородки 11. Полый внутренний 7 проводник разрядной камеры 8 запаян с обоих концов. На его верхнем конце размещен электромагнитный вибратор 13, представляющий собой обмотку, запитанную от источника синусоидального тока (на Фиг. 1 не показан), и подвижный металлический шток 14. Шток 14 расположен по оси обмотки электромагнитного вибратора 13 и соосно с полым внутренним проводником 7. Кроме того, внутри полого внутреннего проводника 7 соосно с ним размещена трубка 15, которая совместно с полым внутренним проводником 7 образует канал его водяного охлаждения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Первоначально предлагаемый плазмохимический ректор продувают азотом с целью вытеснения из его объема кислорода воздуха. Затем подают азот в разрядник системы вспомогательного разряда и высокое напряжение на его электрод 9 через изолятор 10. Под воздействием высокого напряжения возникает электрический разряд, создающий начальную концентрацию плазмы, достаточную для инициирования основного СВЧ разряда.

После этого, в разрядную камеру 8 через волновод 1 подают природный газ (метан), а от магнетрона 3 через циркулятор 2 и ВКП 5 в разрядную камеру 8 подают СВЧ энергию. Одновременно с подачей СВЧ энергии подают синусоидальный ток на обмотку электромагнитного вибратора 13, шток 14 которого начинает вибрировать, передавая при соприкосновении с верхним концом механические колебания полому внутреннему проводнику 7. Кроме этого, через трубку 15 вводят воду для охлаждения полого внутреннего проводника 7 разрядной камеры 8.

Под воздействием СВЧ энергии в разрядной камере 8 в среде метана зажигается СВЧ разряд атмосферного давления. В плазме СВЧ разряда при высокой температуре происходит реакция разложения метана на водород и углеродный материал. Охлаждение полого внутреннего проводника 7 и его принудительное механическое колебание препятствует перегреву полого внутреннего проводника 7 и образованию углеродного мостика в разрядном промежутке, тем самым, препятствует прекращению СВЧ разряда, что позволяет стабилизировать работу плазмохимического реактора в целом, а также позволяет увеличить продолжительность его работы. Углерод, образующийся в результате плазмохимической реакции, собирается в сборнике 12, а метано-водородная смесь выводится наружу.

В конкретном примере реализации предлагаемого изобретения полый внутренний проводник 7, являющийся электродом разрядной камеры, выполнен из нержавеющей стали в виде трубки диаметром 30 мм и длиной ℓ, определяющейся из условия , где - целые числа, - четверть рабочей длины волны СВЧ генератора. При значении рабочей частоты СВЧ генератора МГц, см данное условие выбора длины электрода диктуется необходимостью расположения торца электрода в пучности электрической напряженности СВЧ поля.

Полый внешний проводник 6, представляющий собой цилиндрическую разрядную камеру, снабженную системой вспомогательного разряда, в своем продолжении (за пределами разрядной камеры) является круглым волноводом с внутренним диаметром 70 мм, запредельным для волны СВЧ генератора см. За счет образования отраженной волны от запредельного волновода увеличивается напряженность электрического поля у торца электрода до пробивной, что повышает стабильность зажигания СВЧ разряда и повышает эффективность процесса конверсии.

Подвод СВЧ энергии в разрядную камеру осуществляют от СВЧ генератора с регулируемой выходной мощностью 3 через циркулятор 4 по волноводу прямоугольного сечения 90×45 мм².

В качестве СВЧ генератора использован магнетрон типа М-168 с выходной мощностью до 5 кВт в непрерывном режиме производства АО «НПП» «Магратеп» г. Фрязино Московской области, а в качестве циркулятора - ферритовый вентиль типа ВФВВ2-39 производства ООО «НПО» «ФЕРРИТ» г. С.-Петербург.

Ввод конвертируемого газа осуществляют через прямоугольный волновод. Импульсы высокого напряжения от источника 15 кВ с частотой 100 Гц подают на электрод разрядника. Катушка электромагнитного вибратора питается от источника синусоидального тока частотой 50 Гц. Диаметр штока вибратора равен диаметру полого трубчатого внутреннего проводника, т.е. 30 мм. Внутри полого внутреннего проводника размещалась трубка диаметром 15 мм для образования вместе с ним канала водяного охлаждения.

По сравнению с прототипом предложенное исполнение полого внутреннего проводника с расположением внутри него трубки и размещением на его верхнем конце электромагнитного вибратора, приводит к повышению эффективности за счет стабильности СВЧ разряда, увеличению выхода продуктов конверсии, производительности и продолжительности непрерывной работы плазмохимического реактора.

Изобретение относится к нефтедобыче и может быть использовано при переработке природного или попутного газа и их конверсии в водород и углерод. Плазмохимический реактор содержит СВЧ-волновод прямоугольного сечения 1, циркулятор 2, источник электромагнитного излучения 3, подвижный короткозамыкающий поршень 4, волноводно-коаксиальный переход (ВКП) 5, полый внешний проводник 6, полый внутренний проводник 7, образующие разрядную камеру 8, электрод искрового разрядника 9, изолятор 10, радиопрозрачные диэлектрические перегородки 11, сборник углерода 12, электромагнитный вибратор 13, подвижный металлический шток 14 и трубку 15. Также реактор снабжен газопроводами для ввода азота N₂ и метана СН₄ и для вывода метано-водородной смеси. Электромагнитный вибратор 13 размещён на верхнем конце полого внутреннего проводника 7, а соосно с указанным проводником внутри него размещена трубка 15, образующая совместно с ним канал водяного охлаждения. Изобретение позволяет повысить эффективность реактора, увеличить продолжительность его непрерывной работы, производительность а также выход продуктов конверсии. 1 ил.

Плазмохимический реактор, содержащий сверхвысокочастотный волновод прямоугольного сечения, соединённый с одной стороны через циркулятор с источником электромагнитного излучения, а с другой – с подвижным короткозамыкающим поршнем, при этом указанный плазмохимический реактор содержит концентратор СВЧ электромагнитного поля, выполненный в виде волноводно-коаксиального перехода с полыми внешним и внутренним проводниками, образующими разрядную камеру, систему вспомогательного разряда, газопроводы, сборник углерода, отличающийся тем, что на верхнем конце внутреннего полого проводника расположен электромагнитный вибратор, а внутри полого внутреннего проводника расположена трубка, образующая с его стенкой канал водяного охлаждения.