УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДА И ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА
APPARATUS FOR PRODUCING CARBON AND HYDROGEN FROM HYDROCARBON GAS

Изобретение относится к технике утилизации углеводородного газа и производства мелкодисперсного углерода.
При разработке газоконденсатных месторождений существует проблема утилизации попутного нефтяного газа, обусловленная отсутствием развитой инфраструктуры для его переработки и транспортировки. Транспортировка попутного газа, в отличие от природного газа, содержащего преимущественно метан, затруднена наличием в нем до 50% тяжелых фракций (пропан, бутан и т.д.), способных в условиях низких температур образовывать пробки в трубопроводе. Чаще всего попутный газ используют в качестве топлива, закачивают в нефтеносные пласты для повышения их ресурса или сжигают. Между тем, попутный углеводородный газ является ценным сырьем, позволяющим извлекать его компоненты - углерод и водород - в чистом виде. Стоимость указанных компонентов значительно превосходит стоимость исходного сырья, в связи с чем технология их получения непосредственно в месте добычи попутного нефтяного газа является экономически оправданной, а работы по ее усовершенствованию - актуальными.
Известен ряд устройств для получения углерода и водорода из углеводородного газа путем пиролиза - высокотемпературного разложения в отсутствие кислорода (см., например. С.А. Анисимов. Использование вторичных энергоресурсов. Химическая техника, №8, 2005. С.13-15). Устройства такого рода содержат проточный реактор с веществом-катализатором, разогреваемый за счет сжигания части газа. Недостатки таких устройств - низкая производительность, техническая сложность вывода чистого углерода, который адсорбируется на поверхности катализатора.
Указанные недостатки преодолеваются в устройствах плазменного катализа, в которых предварительно подогретый газ направляется в область сверхвысокочастотного разряда, стекающего с металлической иглы (см., например, А.И. Бабарицкий и др. Импульсно-периодический СВЧ разряд как катализатор химической реакции. ЖТФ, 2000, т.70, вып.11. С.36-41). Недостаток таких устройств - низкая производительность, обусловленная неполным перехватом потока газа областью разряда (источник разряда - металлическое острие), необходимость дополнительного подогрева и потерь тепла по пути между областью подогрева и областью разряда.
Наиболее свободно от указанных недостатков устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа путем его разложения под воздействием сверхвысокочастотного электромагнитного поля по патенту РФ №2317943 от 20.12.2005.
Известное устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа путем содержит помещенный в прямоугольный волновод поперек его широких стенок проточный реактор, выполненный в виде диэлектрической трубы, частично заполненной газопроницаемым электропроводящим веществом, и снабженный концентратором электрического поля. Выходная область реактора примыкает к области концентрации поля. Концентратор электрического поля образован электродинамическим окружением массива газопроницаемого электропроводящего вещества, в данном устройстве - главным образом ближайшими к нему краями отверстия в волноводе, сквозь которые пропущена диэлектрическая труба
Как правило, трубу выполняют из кварцевого стекла, а в качестве заполняющего газопроницаемого электропроводящего вещества используют металлы из группы: железо, никель, титан, молибден.
Устройство работает следующим образом.
При включении источника сверхвысокочастотного излучения в волноводе устанавливается структура электромагнитного поля с максимумом в области концентратора, что приводит к возникновению псевдокоронного разряда. Вихревые токи, протекающие в примыкающем к концентратору газопроницаемом электропроводящем веществе, вызывают его разогрев. Проходящий через реактор газ также нагревается, причем при взаимодействии с поверхностью газопроницаемого электропроводящего вещества происходит возбуждение молекул газа и генерация активных частиц, способствующих его дальнейшему разложению. Попадая в область разряда, газовая смесь окончательно разлагается на углерод и водород, после чего может быть направлена на сепарацию. Производительность устройства повышена за счет того, что весь газовый поток протекает через разрядную область, а дополнительный подогреватель и попутные потери тепла устраняются тем, что разогрев реактора и образование разряда обеспечивает один и тот же источник сверхвысокочастотного излучения. Еще одним преимуществом известного устройства является ограничение потока газа и выходных продуктов диэлектрической трубой. Благодаря этому обстоятельству устраняется оседание углерода на стенках волновода и снижается опасность воспламенения смеси.
По характерным признакам данное устройство наиболее близко к заявляемому и в связи с этим выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является малый ресурс работоспособности, выражающийся в том, что токи смещения, пронизывающие трубу реактора, вызывают ее перегрев, усиливающийся за счет бомбардировки ионизованными частицами. В результате этого труба проплавляется в течение короткого времени - от нескольких секунд до нескольких минут, и устройство теряет работоспособность. Технические приемы, направленные на повышение равномерности распределения плотности разряда по периметру трубы, такие как придание устройству аксиальной симметрии, закручивание газового потока на выходе реактора, не приводят к существенному увеличению времени работы. Малый ресурс работоспособности не позволяет использовать устройство в промышленных условиях, например, в течение рабочей смены. Кроме того, устройство-прототип имеет ограниченные возможности настройки резонансной частоты для достижения уровня концентрации поля, обеспечивающего разряд, вследствие неопределенности положения массива газопроницаемого электропроводящего вещества относительно волновода.
Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении ресурса работоспособности устройства до уровня, обеспечивающего его применение в промышленных условиях, и обеспечении возможности настройки резонансной частоты.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения углерода и водорода из углеводородного газа, содержащем помещенный в прямоугольный волновод поперек его широких стенок проточный реактор, выполненный в виде диэлектрической трубы, частично заполненной газопроницаемым электропроводящим веществом, и снабженный концентратором электрического поля, причем выходная область реактора примыкает к области концентрации поля, отличие состоит в том, что в нем концентратор электрического поля снабжен полым металлическим сердечником в виде отрезка трубы, расположенным подвижно в диэлектрической трубе соосно с массивом газопроницаемого электропроводящего вещества встречно его выходной части и снабженным на обращенном к реактору конце заглушкой с калиброванным осевым отверстием. Отличие состоит также в том, что охваченные диэлектрической трубой массив заполняющего реактор газопроницаемого электропроводящего вещества, а также полый сердечник концентратора утоплены (погружены) в цилиндрические металлические отводы, выполненные на широких стенках волновода в месте его пересечения трубой реактора, на глубину, соответствующую четверти средней рабочей длины волны.
Достижимость заявленного результата подтверждается следующим.
1. Металлический сердечник, расположенный в диэлектрической трубе соосно с массивом заполняющего ее газопроницаемого электропроводящего вещества и встречно его выходной части, обеспечивает концентрацию поля между ними с осевым направлением вектора напряженности. Благодаря этому разряд происходит в направлении между массивом газопроницаемого электропроводящего вещества и сердечником, то есть вдоль оси реактора. В отличие от прототипа, где концентрация поля имеет место в радиальном направлении, с пересечением диэлектрической трубы, в предлагаемом устройстве труба в меньшей степени подвергается воздействию токов смещения и бомбардировке продуктами плазмохимической реакции, что предотвращает проплавление и в значительной степени повышает ее ресурс работоспособности.
2. Подвижное расположение металлического сердечника обеспечивает возможность настройки резонансной частоты системы «волновод - массив газопроницаемого электропроводящего вещества - сердечник» на частоту прикладываемых СВЧ колебаний, создавая благоприятные условия для возникновения разряда и максимальной передачи мощности источника колебаний плазме разряда.
3. Выполнение металлического сердечника в виде отрезка трубы обеспечивает вынос факела разряда и продуктов плазмохимической реакции из устройства для последующей утилизации.
4. Заглушка с калиброванным отверстием на обращенном к реактору конце металлического сердечника обеспечивает при продувании газа через плазму разряда ускорение потока, способствующее выносу продуктов из зоны реакции и их адиабатическое охлаждение (закалку), препятствующее протеканию обратной реакции.
5. Наличие на стенках волновода в месте его пересечения трубой реактора цилиндрических металлических отводов обеспечивает максимальную связь утопленных в них элементов резонансной системы - массива газопроницаемого электропроводящего вещества реактора и металлического сердечника - со сверхвысокочастотным полем. Совместно с цилиндрическими отводами указанные элементы образуют отрезки разомкнутых коаксиальных линий, полностью экранированные от окружающего пространства, что исключает потери СВЧ мощности на излучение.
6. Выбор глубины погружения каждого из вышеуказанных элементов в цилиндрические отводы соответствующей четверти средней рабочей длины волны, обеспечивает эффективное короткое замыкание в области пересечения вышеуказанного элемента с плоскостью широкой стенки волновода. Тем самым минимизируется реактивное сопротивление, включенное последовательно с концентратором поля и, соответственно, достигается наибольшая эффективность возбуждения разряда. Термин «соответствие четверти средней рабочей длины волны» подразумевает отличие электрической длины отрезка коаксиальной линии, заполненной диэлектриком, от его геометрической длины.
Сущность изобретения поясняется прилагаемым чертежом.
Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа содержит прямоугольный волновод 1 с помещенным поперек его широких стенок проточным реактором в виде диэлектрической трубы 2, частично заполненной газопроницаемым электропроводящим веществом 3. Реактор снабжен концентратором электрического поля, причем выходная область реактора примыкает к области концентрации поля. Отличие заявленного устройства состоит в том, что концентратор поля снабжен полым металлическим сердечником 4 в виде отрезка трубы, расположенным подвижно в диэлектрической трубе 2 соосно с массивом газопроницаемого электропроводящего вещества 3 и встречно его выходной части. Таким образом, в предлагаемом устройстве образующее концентратор электродинамическое окружение массива газопроницаемого электропроводящего вещества представлено главным образом полым металлическим сердечником 4. При этом полый металлический сердечник 4, играющий роль концентратора, снабжен на обращенном к реактору конце заглушкой 5 с калиброванным осевым отверстием 6. На широких стенках волновода 1 в месте его пересечения трубой реактора 2 выполнены цилиндрические отводы 7, в которые на четверть средней рабочей длины волны утоплены (погружены) вместе с охватывающей их диэлектрической трубой 2 массив заполняющего реактор газопроницаемого электропроводящего вещества 3, а также полый сердечник концентратора 4.
Устройство работает следующим образом. Перед возбуждением в волноводе 1 СВЧ колебаний реактор, представленный диэлектрической трубой 2 и массивом газопроницаемого электропроводящего вещества 3 и сердечником 4, продувают углеводородным газом, чтобы вытеснить воздух во избежание хлопка при запуске устройства. Затем возбуждают в волноводе 1 СВЧ колебания, причем перемещением подвижного сердечника 4 производят настройку резонансной частоты на частоту источника СВЧ колебаний. Технические средства для перемещения сердечника могут быть выбраны произвольно, простейшим является помещение его на конце диэлектрической тяги. Достижение резонанса характеризуется возникновением разряда, сопровождающегося свечением в области разрядного промежутка и выносом плазменного факела вместе с облаком пылевидного углерода из полости сердечника 4. Максимальная концентрация поля имеет место между обращенными навстречу друг другу концевыми частями сердечника 4 и массива газопроницаемого электропроводящего вещества 3. Вследствие этого разряд происходит в осевом направлении между ними, не затрагивая охватывающую их диэлектрическую трубу 2, благодаря чему исключается ее проплавление. Заглушка 5 с калиброванным отверстием 6 создает аэродинамическое препятствие потоку газа и плазмы, вызывая его ускорение и эффективный вынос продуктов реакции за пределы рабочей зоны. Расширение сечения потока после отверстия 6 до полного сечения отрезка трубы, образующей сердечник 4, вызывает адиабатическое расширение, сопровождающееся падением температуры и фиксацией равновесных парциальных концентраций продуктов реакции. Диаметр и протяженность калиброванного отверстия 6 определяются экспериментально, соразмерно давлению и скорости потока газа. Наличие цилиндрических металлических отводов 7 на широких стенках волновода 1 в области их пересечения диэлектрической трубой 2 реактора обеспечивает изоляцию внешнего пространства от СВЧ колебаний, исключая потери на излучение. Выбор глубины погружения компонентов резонансной системы (массива газопроницаемого электропроводящего вещества 3 и металлического сердечника 4) в отводы 7 соответствующей четверти средней рабочей длины волны, обеспечивает трансформацию минимального реактивного сопротивления в область их пересечения со стенкой волновода 1, чем достигается минимум препятствий протеканию тока через разрядный промежуток. Диэлектрическая труба 2, так же, как и в прототипе, обеспечивает изоляцию газового потока от окружающего воздуха, предотвращая его воспламенение.
Наличие в устройстве признаков, отличающих изобретение, обеспечивает следующие преимущества:
1) увеличенный ресурс работоспособности, выраженный в продолжительной работе без проплавления диэлектрической трубы. При этом становится возможным использовать устройство не только в лабораторных, но и в промышленных условиях;
2) возможность настройки резонансной частоты, являющаяся следствием наличия подвижного элемента - сердечника. Обеспечение простоты настройки также соответствует промышленным условиям, не требуя высокой квалификации персонала, обслуживающего устройство.
Пример практического применения. Устройство реализовано на основе магнетронного источника СВЧ колебаний от бытовой микроволновой печи с частотой 2450 МГц (средняя рабочая длина волны 12,6 см) и мощностью порядка 1 кВт. В соответствии со средней рабочей длиной волны волновод имеет стандартное сечение 72×34 мм. Свободный конец волновода заглушен короткозамыкателем. Кварцевая труба имеет диаметр 20 мм. В качестве газопроницаемого электропроводящего вещества реактора использован пористый никелид титана или железоникелевый сплав, сформованный в виде цилиндра с развитой ребристой поверхностью. Разряд уверенно зажигается и поддерживается при расходе газа от 5 до 25 литров/мин. Поток водородсодержащего выходного газа, отсепарированный от твердого углеродного продукта, и охлажденный в выходном канале, направляется на утилизацию, например, с использованием мембранной технологии.
По результатам анализа твердый выходной продукт представляет собой мелкодисперсный углерод с содержанием наноразмерных структурированных фракций (однослойные и многослойные нанотрубки, луковицы, чешуйки) не менее 65%. Продукт имеет удельную поверхность не менее 170 кв.м на грамм, что подтверждает его товарную ценность. Газообразный выходной продукт содержит водород в концентрации до 40%, непрореагировавший метан, а также небольшие количества высших углеводородов.
Степень утилизации углеводородного газа может быть повышена за счет рециркуляции отсепарированного от углерода выходного продукта, а масштабность производства - за счет параллельной работы множества устройств. Применение устройства позволит повысить степень утилизации попутного нефтяного газа в местах его добычи.