СПОСОБ ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PYROLYSIS OF HYDROCARBONS TO OBTAIN CARBON NANOSTRUCTURES AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

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.
2
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/см. 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 1Результаты предварительных испытаний предлагаемого
устройства
№ п/п
Наименование параметра
Среднее значение параметра
1
Расход газообразного водорода на входе (при запуске)
100 нм<sup>3</sup>/ч
2
Избыточное давление газообразного водорода на входе (при запуске)
6 кгс/см<sup>2</sup>
3
Температура газообразного водорода на входе (при запуске)
20°С
4
Расход природного газа на входе
120 нм<sup>3</sup>/ч
5
Избыточное давление природного газа на входе
3 кгс/см<sup>2</sup>
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:
Н<sub>2</sub>
70 об.%
11
С<sub>2</sub>Н<sub>2</sub>
10 об.%
СН<sub>4</sub>
13,5 об.%
С<sub>m</sub>Н<sub>n</sub>
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.