УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДА И ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к оборудованию для производства чистых продуктов - углерода и водорода и может использоваться в технологии получения волокнистых углеродных материалов методом пиролиза ароматических и неароматических углеводородов при утилизации газообразных продуктов пиролиза.
Технология получения волокнистых углеродных материалов заключается в проведении пиролиза углеводородных газов, либо углеродосодержащих материалов в присутствии катализаторов, преимущественно на основе дисперсного никеля, либо сплавов на его основе, а также других активных металлов с последующим охлаждением продуктов пиролиза. При этом получаются нановолокнистые углеродные материалы (целевой продукт) и газообразные продукты пиролиза, содержащие водород и углеводородные газы, из которых при утилизации
могут быть получены чистые продукты - углерод и водород, широко применяемые в технологических процессах.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2312 059 МПК С01В 3/26, 2006, содержащее реактор в виде наружного и внутреннего стаканов. Пространство между стаканами соединено входным патрубком с линией подачи углеводородного газа - пропана, а внутренний стакан - с выходным патрубком. В нижней части внутреннего стакана выполнены отверстия, расположенные выше слоя катализатора, помещенного во внутреннем стакане. Реактор соединен посредством штока с виброприводом и помещен в нагреватель, выполненный в виде обечайки из теплоизолятора, на внутренней поверхности которого расположен нагревательный элемент в виде спирали.
Однако в таком реакторе газообразные продукты пиролиза представляют собой смесь водорода и метана, разделение которых представляет сложную техническую задачу. Другим недостатком известного устройства является невозможность утилизации газообразных продуктов пиролиза.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Известно также устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа (патент РФ №2317943, С01В 3/2610, 2006 г.), содержащее проточный реактор с раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода, источник энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля, связанный со сверхвысокочастотным
волноводом. В этом устройстве проточный реактор помещен в сверхвысокочастотный волновод, выполненный прямоугольным, и выполнен в виде продолговатой цилиндрической камеры из радиопрозрачного термостойкого материала. Камера частично заполнена газопроницаемым электропроводящим веществом - инициатором, выбранным из группы: титан, никель, никелид титана, никелид алюминия, молибден и снабжен концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля, размещенным непосредственно после вещества - инициатора.
Однако и в этом устройстве газообразные продукты пиролиза представляют собой смесь водорода и метана, разделение которых представляет сложную техническую задачу, а полученный углеродный материал состоит из аморфного и наноструктурированного углеродного материала. Такое устройство сложно в изготовлении и эксплуатации, хотя согласно описанию изобретения абсолютный выход углерода и водорода пропорционален объему реактора и поэтому нет принципиальных препятствий для экстенсивного промышленного масштабирования. В действительности ограничителем масштабирования является сложность создания равномерного температурного поля в реакторе посредством СВЧ-излучения, т.к. для этого требуется использование дополнительных устройств.
Указанные недостатки также обусловлены конструктивными признаками известного технического решения
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано I устройство по патенту РФ №2317943.
Технический результат предлагаемой полезной модели обеспечение утилизации газообразных продуктов каталитического пиролиза, упрощение конструкции и эксплуатации устройства.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для получения углерода и водорода из углеводородного газа, содержащем проточный реактор с раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода, частично заполненный газопроницаемым электропроводящим веществом, в котором установлен нагреватель, реактор выполнен в виде герметичного корпуса, в котором помещена соединенная с линией углеводородного газа и с источником электропитания электродная камера, в которой в качестве электропроводящего вещества используется получаемый углерод, а на выходе водорода внутри герметичного корпуса помещено фильтрующее устройство с использованием катализаторов, преимущественно на основе дисперсного никеля, либо сплавов на его основе, а также других активных металлов.
Электродная камера может быть выполнена в виде стакана с установленным на днище из электроизоляционного материала электродом и помещенным над стаканом разгрузочным устройством.
Герметичный корпус может быть снабжен устройством для выгрузки углеродного материала в виде открытой сверху обоймы с установленным в ней приводным шнеком.
Разгрузочное устройство может быть выполнено в виде конической вставки, закрепленной над стаканом.
В нижней части электродной камеры помещена пористая электропроводящая загрузка.
На выходе из устройства для выгрузки углерода установлена крышка.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно - следственная связь.
Выполнение реактора в виде герметичного корпуса, в котором помещена соединенная с линией углеводородного газа и с источником электропитания электродная камера, в которой в качестве электропроводящего вещества используется получаемый углерод, а на выходе водорода внутри герметичного корпуса помещено фильтрующее устройство с использованием катализаторов, преимущественно на основе дисперсного никеля, либо сплавов на его основе, а также других активных металлов обеспечивает утилизацию газообразных продуктов каталитического пиролиза, содержащих водород, метан и другие углеводородные газы путем нагрева в электродной камере, в которой выделяется большая часть углерода, так и в фильтрующем устройстве, в котором происходит окончательная очистка продуцируемого водорода от примесей углеводородного газа.
Электродная камера может быть выполнена в виде стакана с установленным на днище из электроизоляционного материала электродом и помещенным над стаканом разгрузочным устройством. Такая.
Конструкция благодаря своей простоте изготовления и эксплуатации устройства обеспечивает проведение лабораторных исследований по утилизации продуктов каталитического пиролиза углеводородных газов. При изготовлении установки для промышленного получения водорода в качестве целевого продукта, электродная камера может представлять многоэлектродную систему, например, сотовой конструкции.
Герметичный корпус может быть снабжен устройством для выгрузки углеродного материала в виде открытой сверху обоймы с установленным в ней приводным шнеком, это обеспечивает периодическую выгрузку твердых продуктов пиролиза (в основном аморфной формы углерода) без разборки устройства, что обеспечивает. упрощение эксплуатации устройства.
Разгрузочное устройство может быть выполнено в виде конической вставки, закрепленной над стаканом, что позволяет не только удалять полученный углерод из электродной камеры, но и поддерживать примерно на одном уровне электрические и технологические параметры электродной камеры - величину омического сопротивления, температуру и поверхность контакта, что обеспечивает упрощение эксплуатации устройства.
В нижней части электродной камеры может быть помещена пористая электропроводящая загрузка, которая обеспечивает распределение потоков углеводородного газа во всем объеме электродной камеры, что позволяет упростить конструкцию.
На выходе из устройства для выгрузки углерода установлена крышка, ее назначение - исключить попадание в полость устройства кислорода воздуха, исключая возможность окисления продуктов пиролиза.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию «новизна».
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций реакторов для синтеза волокнистых углеродных материалов с получением технического результата, заключающегося в утилизации газообразных продуктов каталитического пиролиза, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию «промышленная применимость».
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения:
фиг.1 - показан общий вид устройства для получения углерода и водорода из углеводородного газа в разрезе;
фиг.2 - то же, вид сбоку.
Перечень позиций:
1 - герметичный корпус;
2 - крышка корпуса;
3 - уплотнение;
4 - фильтр каталитический;
5 - патрубок отвода чистого водорода;
6 - патрубок отвода аргона при продувке;
7 - патрубок отвода циркулирующего технического водорода;
8 - разгрузочная вставка;
9 - электродная камера;
10 - манометр;
11 - электрод;
12 - керамическое днище;
13 - пористая электропроводящая загрузка;
14 - токоподводящее устройство;
15 - приводной шнек устройства для выгрузки углерода;
16 - крышка;
17 - теплоизоляция;
18 - патрубок подачи углеводородного газа.
Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа содержит изготовленные из жаропрочной стали герметичный корпус 1 и крышку 2, между которыми установлено уплотнение 3. На крышке 2 установлен фильтр каталитический 4 с патрубком 5 отвода чистого водорода, а также патрубок отвода аргона при продувке 6 и патрубок
отвода циркулирующего технического водорода 7. На крышке 2 также установлена разгрузочная вставка 8, выполненная в виде конуса. В герметичном корпусе 1 установлена электродная камера 9 в виде стакана. На крышке 2 установлен манометр 10. В электродной камере 9 установлен электрод 11, выполненный в виде стержня с крестообразным сечением, который своим основанием закреплен в керамическом днище стакана 12, на котором помещена пористая электропроводящая загрузка 13. На корпусе 1 установлено токоподводящее устройство 14 в виде герметичного ввода, электрически соединенного с электродом 11 и со стенкой электродной камеры 9. В нижней части герметичной камеры 1 установлено устройство для выгрузки твердых продуктов пиролиза - углерода с приводным шнеком 15, на выходе которого установлена крышка 16. Внешняя поверхность герметичного корпуса снабжена теплоизоляцией 17. На герметичном корпусе установлен патрубок подачи углеводородного газа 18.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Полость герметичного корпуса 1 продувается аргоном для удаления кислорода, для чего через патрубок 18 в устройство подается аргон, который выводится через патрубок 6 на крышке 2. После продувки в устройство через патрубок 18 подаются газообразные продукты каталитического пиролиза - в основном не прореагировавший
углеводородный газ - преимущественно метан, пропан и водород. На электродную камеру 9 через токоподводящее устройство 14 подается напряжение, под действием которого в пористой электропроводящей загрузке 13, помещенной на керамическом днище 12, возникает ток между электродом 11 и боковой стенкой электродной камеры 9 и происходит разогрев загрузки 13. При достижении температуры порядка 500-700°С происходит пиролиз углеводородного газа и на загрузке 13 оседает слой аморфного углерода, а газообразные продукты пиролиза с повышенным содержанием водорода через патрубок 7 вновь поступают на вход патрубка 18 вместе с углеводородным газом. При работе устройства слой углерода в электродной камере постоянно увеличивается и для поддержания температуры в электродной камере требуется подача электроэнергии. При достижении слоем углерода верхней части электродной камеры 9 происходит ее разгрузка за счет взаимодействия верхнего слоя углерода с разгрузочной вставкой 8. Углерод поступает в нижнюю часть герметичного корпуса 1 и периодически удаляется из устройства приводным шнеком 15 при снятой на момент выгрузки крышке 16. Благодаря теплоизоляции 17 и циркуляции газа в герметичном корпусе 1 создается однородное тепловое поле, обеспечивающее работу фильтра каталитического 4, установленного на крышке 2, в режиме каталитического пиролиза и при отборе чистого водорода через патрубок 5 происходит его очистка от углеводородных примесей. Давление газов в герметичном корпусе 1 контролируется и поддерживается по показаниям манометра 10.
Предлагаемое устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа обеспечивает утилизацию газообразных продуктов каталитического пиролиза, простоту конструкции и эксплуатации устройства.