УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ СМЕСИ

Устройство относится к области химической промышленности, водородной энергетики и служит для каталитического производства метано-водородной смеси.
На сегодняшний день актуальной задачей для развития малой водородной энергетики является разработка технологии, позволяющей получать водородсодержащее топливо с высокой концентрацией водорода, при этом использование смеси водорода и углеводородного сырья способствует уменьшению выбросов оксидов азота и углерода, а также повышает КПД при использовании метано-водородной смеси в качестве газомоторного топлива [Кувшинов, Г.Г. Нетрадиционный процесс получения водородосодержащих топливных смесей для двигателей внутреннего сгорания / Г.Г. Кувшинов, М.В. Попов, Е.А. Соловьев, А.И. Арзуманян, Г.А. Пешков // Европейский исследователь. - 2012. - Вып. 36. - №12-1. - С. 2102-2113].
Одним из перспективных способов получения метано-водородной смеси является каталитическое разложение углеводородов [Popov, М.V. Effect of pressure on the production of hydrogen and nanofilamentous carbon by the catalytic pyrolysis of methane on Ni-containing catalysts / M.V. Popov, V.V. Shinkarev, P.I. Brezgin, E.A. Solov'ev, G.G. Kuvshinov // Kinetics and Catalysis. - 2013. - Vol. 54.- iss. 4. - P. 481-486].
Процесс каталитического разложения углеводородов обычно проводят в установках, снабженных главным образом трубчатым реактором, выполненным из нержавеющей стали.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2258031, для получения углеродных материалов из углеводородов, наряду с которыми образуется также и метано-водородная смесь. Процесс разложения углеводородов на наноуглеродный материал и метано-водродной смеси проводят в реакторе горизонтального исполнения, в который непрерывно подают катализатор, содержащий переходные металлы подгруппы железа. Нагрев реактора осуществляется с помощью трубчатой печи, закрепленной на раме. Процесс проводят непрерывно при противоточном контактировании катализатора и углеводорода. Перемещение катализатора и углеродного материала по длине осуществляется путем вибрирования реактора, с помощью шнека или транспортерной ленты. Перемешивание катализатора предотвращает агломерацию частиц. Процесс проводят в непрерывном режиме в течение 5-360 мин. Основным недостатком описанного устройства получения водорода и углеродного материала является низкая производительность.
Известно также устройство, описанное в патенте RU №2462293, для получения нановолокнистых углеродных материалов и водорода из углеводородных газов, наряду с которыми образуется также и метано-водородная смесь. Известное устройство состоит из рамы, на которой закреплена электропечь, внутри которой горизонтально помещен реактор, и вибраторов, обеспечивающих вибрацию рамы, при этом за счет этого происходит перемещение углеродного материала от места загрузки исходного катализатора к месту выгрузки готового продукта. Сам реактор непрерывного действия включает в себя корпус в виде горизонтальной трубы, закрытой с двух сторон фланцами. Реакционное пространство разделено на секции поперечными перегородками, расположенными в нижней части реактора равномерно по всей его длине. Непрерывная подача катализатора в реактор осуществляется через патрубок ввода катализатора. Исходный углеводород подается в реактор через патрубок подачи газа, смешивается с реакционной смесью, проходя через горизонтальную трубу рециркуляции, и контактирует с виброожиженным слоем катализатора, на частицах которого происходит образование углеродного материала. Нагрев слоя катализатора до температуры реакции осуществляется с помощью электропечи. Выгрузка готового углеродного материала производится через нижний патрубок. Отвод газообразных продуктов, в частности метано-водородной смеси, производится через верхний патрубок.
Однако в указанном устройстве при получения метано-водородной смеси имеет место низкое взаимодействие углеводородного газа с катализатором за счет слабого перемешивания, осуществляемого вибрацией, вследствие чего наблюдается низкая производительность устройства.
Кроме того, известно устройство для получения водорода и углеродного наноматериала, наряду с которыми образуется и метано-водородная смесь, описанное в патенте RU №157994 и являющееся прототипом. Устройство состоит из рамы, на которой установлена электропечь, внутри которой горизонтально помещен реактор, осуществляющий реверсивное вращение, а также Снабжено гибкими шланг-рукавами входа и выхода, накрученными на патрубки входа и выхода, зафиксированными одним концом на реакторе, а другим на опорных подшипниках, закрепленных на раме, шатуном, соединяющим большой шкив, расположенный на раме, с малым шкивом, закрепленным на электрическом приводе, который зафиксирован на раме, ремнем привода, связывающим большой шкив с патрубком входа.
Однако указанное устройства не обеспечивает полного взаимодействия потока исходного углеводородного газа с катализатором, т.е. при работе реактора возникает проскок потока углеводородного газа мимо насыпного сдоя катализатора вдоль центральной оси реактора. Таким образом, часть углеводородного газа не взаимодействует с катализатором, соответственно, уменьшается производительность устройства по метано-водородной смеси.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является увеличение производительности.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для получения метано-водородной смеси, состоящее из рамы, на которой установлена электропечь, внутри которой горизонтально помещен реактор, при этом устройство также снабжено гибкими шланг-рукавами входа и выхода, накрученными на патрубки входа и выхода, зафиксированными одним концом на реакторе, а другим на опорных подшипниках, закрепленных на раме, шатуном, соединяющим большой шкив, расположенный на раме, с малым шкивом, закрепленным на электрическом приводе, который зафиксирован на раме, ремнем привода, связывающим большой шкив с патрубком входа, отличается тем, что устройство дополнительно содержит эжектор с диффузором и успокоителем потока, которые закреплены к реактору вдоль центральной оси реакторной зоны.
На Рис. приведено предлагаемое устройство, которое состоит из гибкого шланг-рукава входа (1), патрубка входа (2), реактора (3), эжектора с диффузором (4), успокоителем потока (5), опорных подшипников (6, 7), рамы (на чертеже показано упрощенное изображение) (8), змеевика (9), сопла (10), электропечи (11), шланг-рукава выхода (12), патрубка выхода (13), электрического привода (14), большого шкива (15), шатуна (16), малого шкива (17), ремня привода (18).
Устройство для получения метано-водородной смеси работает следующим образом. Исходный углеводородный газ. через гибкий шланг-рукав входа (1), накрученный на патрубок входа (2), который закреплен между реактором (3) и опорным подшипником (6), зафиксированного на раме (8), при этом шланг-рукав входа (1) соединен со змеевиком (9), который обеспечивает прогрев газа. Далее углеводородный поток газа попадает в реактор (3) через сопло (10), где приобретает ускорение. После чего поток газа с ускорением попадает в эжектор с диффузором (4), зафиксированным внутри реактора (3), где создает разряжение, благодаря которому поток газа у пристеночной области реактора, куда загружается катализатор, благодаря которому проходит реакция получения водорода, начинает поступать, благодаря разницы давлений, в эжекторную зону, при этом образовавшийся водород смешивается с новым потоком газа, который еще не прореагировал с катализатором, образуя при этом более концентрированную метано-водородную смесь. Далее поток метано-водородной смеси на выходе из эжектора с диффузором (4) теряет ускорение и попадает на успокоитель потока (5), закрепленный непосредственно внутри реактора (3), который меняет направление движение потока, вследствие чего происходит циркуляция газового потока внутри реакторной зоны, соответственно, происходит перемешивание прореагировавших газовых потоков с катализатором и вновь поступившего углеводородного газа. Успокоитель потока (5) снабжен отверстиями, благодаря которым часть метано-водородной смеси покидает реакторную зону. При этом реактор (3) и змеевик (9) непосредственно нагреваются внутри электропечи (11), установленной на раме (8). Далее метано-водородная смесь удаляется из реактора через гибкий шланг-рукав выхода (12), накрученный на патрубок выхода (13), который закреплен с одной стороны с реактором (3), а с противоположной стороны -подвижно с помощью опорного подшипника (7), зафиксированного на раме (8), Вращение реактора - реверсивное, что позволяет сделать систему подачи углеводородного газа в реактор герметичным, при этом давление в реакторе может составлять до 100 атмосфер. Реверс обеспечивается конструкцией механизма, приводящего в движение реактор посредством передачи момента от электрического привода (14), закрепленного на раме (8). Большой шкив (15), закрепленный на раме (8) с возможностью вращения, совершает колебательные движения за счет передачи шатуном (16) вращения от малого шкива (17), закрепленного подвижно на электроприводе (14). Угол колебания большого шкива составляет 130°. Вращение реактора обеспечено соединением через ремень привода (18), соединяющий патрубок входа (2) с большим шкивом (15), при этом ректор (3) совершает оборот в 390°, а затем меняет направление вращения.
Техническим результатом предлагаемого устройства для получения метано-водородной смеси является увеличение производительности за счет использования в устройстве эжектора с диффузором и успокоителем потока, в результате которого происходит длительное и более глубокое взаимодействие исходного газового потока с катализатором за счет его интенсивного перемешивания.