способ пиролиза углеводородов с получением углеродных наноструктур и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Устройство для пиролиза углеводородов с получением углеродных наноструктур, ацетилена и водорода, содержащее плазмохимический реактор с плазматроном, охладитель, сепаратор, линии продуктов реакции, линию подачи пиролизуемого газа, отличающийся тем, что в линию подачи пиролизуемого газа установлен эжектор, вход всасывающей полости которого соединен с емкостью «летучего» катализатора, а выход эжектора соединен с входной полостью плазматрона.

2. Способ пиролиза углеводородов, осуществляемый в устройстве по п.1, основанный на нагреве углеводородных газов в водородной электроплазменной дуге плазматрона с последующим разложением в плазмохимическом реакторе и охлаждением продуктов реакции, отличающийся тем, что в катодно-анодную область плазматрона эжектируют «летучий» катализатор, например раствор ферроцена в ксилоле, причем в качестве рабочего газа эжектора используют пиролизуемый газ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к плазмохимическому пиролизу углеводородного сырья и получению продуктов реакции.

Одной из проблем улучшения технологий плазмохимических реакций углеводородов является повышение эффективности процесса и расширение номенклатуры получаемых продуктов реакции.

Известен способ плазмохимического пиролиза углеводородного сырья посредством смешения сырья с теплоносителем, нагретым в электрической дуге, и устройство для его реализации (см. В.Н.Антонов и др. «Производство ацетилена», стр.131-151, М.: Химия, 1970).

Известен способ плазмохимического пиролиза углеводородов, характеризующийся тем, что в плазмообразующий газ вводят водяной пар (см. патент РФ № 2078117, кл. C10G 15/12, публ. 27.04.1997).

Недостатком известных технических решений является низкая эффективность процесса, в результате которого получается только один продукт - ацетилен. Все остальные побочные результаты реакции не выделяются в отдельные продуктовые компоненты.

Известен способ плазмохимического пиролиза углеводородов, в результате которого получают ацетилен и водород, и устройство для его реализации (см. патент РФ № 2202593, МПК C10G 15/12, публ. 20.04.2003 - прототип).

Недостатками данного технического решения также являются низкая эффективность процесса и узкая номенклатура получаемых продуктов реакции.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и расширение номенклатуры продуктов за счет получения углеродных наноструктур, организация непрерывного процесса разложения природного газа (метана) путем подключения предлагаемого устройства к стационарной коммуникации подачи газа.

Предлагаемое техническое решение реализуется в устройстве для пиролиза углеводородов с получением углеродных наноструктур, ацетилена и водорода, содержащем плазмохимический реактор с плазмотроном, охладитель, сепаратор, линии продуктов реакции, линию подачи пиролизуемого газа, в котором согласно изобретению в линию подачи пиролизуемого газа установлен эжектор, вход всасывающей полости которого соединен с емкостью «летучего» катализатора, а выход эжектора соединен с входной полостью плазмотрона.

В предлагаемом устройстве осуществляется способ пиролиза углеводородов, основанный на нагреве углеводородных газов в водородной электроплазменной дуге плазмотрона, с последующим разложением в плазмохимическом реакторе и охлаждением продуктов реакции, где согласно изобретению в катодно-анодную область плазмотрона эжектируют «летучий» катализатор, например раствор ферроцена в ксилоле, причем в качестве рабочего газа эжектора используют пиролизуемый газ.

Данная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря наличию управляемого количества «летучего» катализатора в катодно-анодной области плазмотрона, на выходе установки, кроме ацетилена и водорода образуется такой продукт, как наноструктурированные углеродные частицы (нанотрубки, нановолокна и т.д.).

В качестве пиролизуемых газов в предлагаемом устройстве могут использоваться газы, являющиеся членами гомологического ряда алканов (метан, этан, пропан и т.д.). «Летучим» катализатором могут являться растворы: ферроцена в ксилоле, ферроцена в бензоле, азотнокислого железа (III) в этаноле и др.

Центральным узлом предлагаемого устройства является плазмохимический реактор с плазмотроном, где происходит процесс получения веществ с помощью химических превращений (пиролиз) при температурах до 2000°С и избыточных давлениях около 0,1-0,5 кгс/см² . Нагрев углеводородных газов осуществляется «холодной» плазмой с температурой до 10000°С. Источником электрической плазмы служит двухструйный плазмотрон, в котором в качестве плазмообразующего газа используется водород или водородосодержащие газы пиролиза.

Принципиальная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1, где:

1 - плазмохимический реактор;

2 - плазмотрон;

3 - эжектор;

4 - линии подачи пиролизуемого газа;

5 - емкость с «летучим» катализатором;

6 - линия продуктов реакции;

7 - устройство выделения углеродных наноструктур;

8 - охладитель;

9 - сепаратор;

10 - агрегаты управления, датчики;

11 - линия подачи «летучего» катализатора;

12 - линия наддува пирогазом;

13 - линия возврата части газов пиролиза;

14 - линия соединения с атмосферным давлением;

15 - линии подачи водорода из накопительной емкости;

16 - линия выхода готового продукта в виде углеродных наноструктур;

17 - линия подачи пирогаза во вход охладителя и далее в сепаратор;

18 - линия отвода части пирогаза в качестве получаемого продукта на дальнейшее разделение, очистку, накопление и подачу потребителю.

Устройство для пиролиза углеводородов с получением углеродных наноструктур состоит из плазмохимического реактора 1 с двухструйным плазмотроном 2, входная полость которого соединена с выходом эжектора 3, установленного в линию подачи пиролизуемого газа 4, причем вход всасывающей полости эжектора 3 соединен с емкостью «летучего» катализатора 5.

Выход плазмохимического реактора 1 соединен линией продуктов реакции 6 со входом устройства выделения углеродных наноструктур 7, в котором имеется линия выхода готового продукта 16 в виде углеродных наноструктур - «Выход 1». Выход пирогаза из устройства 7 соединен линией подачи пирогаза 17 со входом охладителя 8 и далее с сепаратором 9. Выход сепаратора 9 имеет линию отвода части пирогаза 18 в качестве получаемого продукта на дальнейшее разделение, очистку, накопление и подачу потребителю («Выход 2») и соединен линией возврата части пирогаза 13 со входной линией подачи водорода 15 в плазмохимический реактор 1 вместо водорода для плазмообразования.

Все технологически важные линии снабжены агрегатами управления и датчиками 10.

Подготовка устройства к работе заключается в установлении необходимых давлений, расходов компонентов и подачи напряжения на электроды плазмотрона 2 для разложения пиролизуемого газа за счет нагрева в «холодной» электроплазменной дуге.

По линии подачи пиролизуемого газа 4 углеводородное сырье поступает в катодно-анодную область плазмотрона 2. Являясь рабочим газом эжектора 3, пиролизуемый газ подается в плазмохимический реактор 1 вместе с «летучим» катализатором, который засасывается эжектором 3 из емкости 5. Емкость 5 с «летучим» катализатором оснащена линией наддува пирогазом 12 и линией соединения с атмосферным давлением 14 для исключения разрежения во внутренней полости. Наличие «летучего» катализатора в области электрической дуги плазмотрона 2 изменяет ход пиролиза в плазмохимическом реакторе 1 таким образом, что наряду с основными составляющими реакции (ацетилен и водород) получается углерод, но не в виде аморфной сажи, а в виде наноструктурированных углеродных частиц (нанотрубок, нановолокон и т.п.).

Часть водородосодержащего пирогаза, получаемого в результате пиролиза углеводородного сырья, используется для поддержания реакции в качестве плазмообразующего газа путем подачи части газов пиролиза по линии возврата 13 на вход плазмотрона после прекращения подачи водорода по линиям 15.

Предлагаемое устройство было испытано в 2008 году. Результаты предварительных испытаний представлены в таблице 1.

Состав пирогаза определялся в газоаналитическом комплексе СГК-81.

Микрофотография углеродных наноструктур представлена на фиг.2.

Таблица 1 Результаты предварительных испытаний предлагаемого
устройства
№ п/п	Наименование параметра	Среднее значение параметра
1	Расход газообразного водорода на входе (при запуске)	100 нм3/ч
2	Избыточное давление газообразного водорода на входе (при запуске)	6 кгс/см2
3	Температура газообразного водорода на входе (при запуске)	20°С
4	Расход природного газа на входе	120 нм3/ч
5	Избыточное давление природного газа на входе	3 кгс/см2
6	Температура природного газа на входе	20°С
7	Расход «летучего» катализатора на входе	10 л/ч
8	Температура «летучего» катализатора на входе	20°С
9	Напряжение на электродах	1200 В
10	Сила постоянного тока	225 А
	Состав продуктов разложения природного газа
	(пирогаза), в том числе:
	Н2	70 об.%
11	С2Н2	10 об.%
	СН4	13,5 об.%
	Сm Нn	6 об.%
	Углеродных наноструктур	до 1 кг/ч

Микрофотография углеродных наноструктур получена на электронном микроскопе Scanning Electron Microscope JEOL SM-6380LV.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит наряду с традиционными составляющими реакции пиролиза углеводородов (ацетилен и водород) получить наноструктурированные частицы углерода (нанотрубки, нановолокна и т.д.) и тем самым повысить эффективность процесса и расширить номенклатуру получаемых продуктов пиролиза.