Способы получения водорода и азота с применением перерабатывающего газообразные исходные материалы реактора

1. Способ получения водорода и азота с применением перерабатывающего газообразные исходные материалы реактора, содержащего реакционную камеру, выполненную с возможностью сообщения по текучей среде с камерой сгорания по одному или нескольким путям движения текучей среды, причем способ включает:
введение газообразных исходных материалов, содержащих углеводороды, в реакционную камеру;
введение горючей газовой смеси в камеру сгорания, причем горючая газовая смесь содержит воздух и один или несколько горючих газов;
сжигание горючей газовой смеси в камере сгорания таким образом, чтобы получить один или несколько газообразных продуктов сгорания, в том числе азот, и таким образом, чтобы заставить по меньшей мере часть одного или нескольких газообразных продуктов сгорания втекать в реакционную камеру по одному или нескольким путям движения текучей среды и смешиваться с газообразными исходными материалами, причем, в результате смешивания по меньшей мере части одного или нескольких газообразных продуктов сгорания с газообразными исходными материалами, энергия передается от по меньшей мере части одного или нескольких газообразных продуктов сгорания газообразным исходным материалам и в результате этого вызывает химическую реакцию, в которой газообразные исходные материалы разлагаются с образованием одного или нескольких газообразных продуктов реакции, в том числе водорода;
удаление смешанного потока продуктов из перерабатывающего газообразные исходные материалы реактора, причем смешанный поток продуктов содержит водород из одного или нескольких газообразных продуктов реакции и азот из одного или нескольких газообразных продуктов сгорания;
сбор водорода и азота из смешанного потока продуктов; и
изменение одного или нескольких технологических параметров таким образом, что сбор водорода и азота осуществляется согласно желательному соотношению.
2. Способ по п. 1, в котором желательное соотношение водорода и азота составляет от приблизительно 1:1 до приблизительно 5:1.
3. Способ по п. 1, в котором желательное соотношение водорода и азота составляет приблизительно 3:1.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором один или несколько параметров включают один или несколько из следующих параметров:
давление газообразных исходных материалов на впуске реакционной камеры;
температура газообразных исходных материалов на впуске реакционной камеры;
давление горючей газовой смеси на впуске камеры сгорания;
температура горючей газовой смеси на впуске камеры сгорания;
стехиометрия воздуха в горючей газовой смеси;
количество газа, удаляемого из камеры сгорания; и
степень отделения водорода посредством водородного сепаратора, через который пропускают смешанный поток продуктов.
5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором удаление смешанного потока продуктов включает удаление из реакционной камеры потока газообразных продуктов реакции, содержащего по меньшей мере часть одного или нескольких газообразных продуктов реакции.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором удаление смешанного потока продуктов включает удаление из камеры сгорания потока газообразных продуктов сгорания, содержащего по меньшей мере часть одного или нескольких газообразных продуктов сгорания.
7. Способ по п. 6, дополнительно включающий удаление по меньшей мере части потока газообразных продуктов сгорания.
8. Способ по п. 7, в котором изменение одного или нескольких параметров включает изменение количества удаляемого газа в потоке газообразных продуктов сгорания, в котором количество удаляемого газа является показателем удаляемого относительного количества потока газообразных продуктов сгорания.
9. Способ по п. 8, в котором изменение количества удаляемого газа включает изменение одного или нескольких из следующих параметров:
продолжительность удаления по меньшей мере части потока газообразных продуктов сгорания;
частота удаления по меньшей мере части потока газообразных продуктов сгорания;
размер одного или нескольких вентиляционных отверстий, используемых для удаления по меньшей мере части потока газообразных продуктов сгорания;
число вентиляционных отверстий, используемых для удаления по меньшей мере части потока газообразных продуктов сгорания; и
перепад давления на пути вентиляционного потока, который используется для удаления по меньшей мере части потока газообразных продуктов сгорания.
10. Способ по п. 8 или 9, в котором количество удаляемого газа составляет от приблизительно 10% до приблизительно 100% количества одного или нескольких газообразных продуктов сгорания, которые образуются в камере сгорания.
11. Способ по п. 10, в котором количество удаляемого газа составляет приблизительно 80% количества одного или нескольких газообразных продуктов сгорания, которые образуются в камере сгорания.
12. Способ по любому из пп. 8-11, в котором изменение количества удаляемого газа основано на измеренном или вычисленном технологическом параметре способа.
13. Способ по п. 12, в котором измеренный или вычисленный технологический параметр включает один или несколько из следующих параметров:
концентрация водорода в смешанном потоке продуктов;
скорость потока газообразных исходных материалов; и
соотношение водорода и азота в смешанном потоке продуктов.
14. Способ по любому из пп. 7-13, в котором стадии введения газообразных исходных материалов, введения горючей газовой смеси и сжигания горючей газовой смеси повторяются множество раз в качестве части множества соответствующих реакционных циклов, и при этом стадия удаления по меньшей мере части потока газообразных продуктов сгорания осуществляется в каждом реакционном цикле или в каждом заданном числе реакционных циклов.
15. Способ по любому из пп. 1-14, в котором изменение одного или нескольких технологических параметров включает регулирование стехиометрии воздуха в горючей газовой смеси в пределах диапазона от приблизительно 0,6 до приблизительно 1,4.
16. Способ по п. 15, в котором регулирование стехиометрии воздуха в горючей газовой смеси включает регулирование стехиометрии воздуха в горючей газовой смеси до приблизительно 1,2.
17. Способ по п. 15 или 16, в котором регулирование стехиометрии воздуха в горючей газовой смеси включает изменение одного или нескольких из следующих параметров: давление одного или нескольких горючих газов на впуске камеры сгорания; и давление воздуха на впуске камеры сгорания.
18. Способ по любому из пп. 1-17, в котором изменение одного или нескольких технологических параметров включает регулирование давления или температуры горючей газовой смеси на впуске камеры сгорания посредством регулирование одного или нескольких из следующих устройств: компрессор для рециркуляции отходящего газа, удаляемого из перерабатывающего исходные материалы реактора; и питающий воздушный компрессор для введения окислителя в перерабатывающий исходные материалы реактор.
19. Способ по любому из пп. 1-18, в котором изменение одного или нескольких технологических параметров включает регулирование давления или температуры газообразных исходных материалов на впуске реакционной камеры посредством регулирования производительности одного или нескольких из следующих устройств: компрессор для рециркуляции отходящего газа, удаляемого из перерабатывающего исходные материалы реактора; и питающий воздушный компрессор для введения газообразных исходных материалов в перерабатывающий исходные материалы реактор.
20. Способ по любому из пп. 1-19, в котором сбор водорода и азота из смешанного потока продуктов содержит отделение по меньшей мере некоторого количества водорода из смешанного потока продуктов.
21. Способ по п. 20, в котором отделение по меньшей мере некоторого количества водорода включает применение одного или нескольких из следующих средств: мембранный сепаратор; химическая адсорбция; адсорбция при переменном давлении; и адсорбция при переменной температуре.
22. Способ по п. 21, в котором мембранный сепаратор представляет собой полимерный мембранный сепаратор или палладиевый мембранный сепаратор.
23. Способ по любому из пп. 20-22, дополнительно включающий рециркуляцию водорода, который не отделен от смешанного потока продуктов, в перерабатывающий исходные материалы реактор.
24. Способ по любому из пп. 1-23, в котором горючая газовая смесь поступает в камеру сгорания при давлении, которое равняется давлению, при котором газообразные исходные материалы поступают в реакционную камеру.
25. Способ по любому из пп. 1-24, в котором введение горючей газовой смеси в камеру сгорания включает регулирование количества горючей газовой смеси, которая поступает в камеру сгорания, посредством регулирования одного или нескольких параметров из давления и температуры горючей газовой смеси.
26. Способ по любому из пп. 1-25, дополнительно включающий, в течение введения горючей газовой смеси в камеру сгорания, регулирование температуры горючей газовой смеси от приблизительно 300 K до приблизительно 600 K.
27. Способ по любому из пп. 1-26, дополнительно включающий, в течение введения газообразных исходных материалов в реакционную камеру, регулирование температуры газообразных исходных материалов от приблизительно 1000 K до приблизительно 1300 K.
28. Способ по любому из пп. 1-27, дополнительно включающий, в течение введения горючей газовой смеси в камеру сгорания, регулирование давления горючей газовой смеси на уровне от приблизительно 1 бар до приблизительно 20 бар.
29. Способ по п. 28, в котором регулирование давления горючей газовой смеси содержит регулирование давления горючей газовой смеси от приблизительно 12 бар до приблизительно 14 бар.
30. Способ по любому из пп. 1-29, дополнительно включающий предварительное нагревание газообразных исходных материалов перед введением газообразных исходных материалов в реакционную камеру.
31. Способ по любому из пп. 1-30, дополнительно включающий предварительное нагревание горючей газовой смеси перед введением горючей газовой смеси в камеру сгорания.
32. Способ по любому из пп. 1-31, в котором соотношение объема реакционной камеры и объема камеры сгорания составляет менее чем или равняется приблизительно 10:1.
33. Способ по п. 32, в котором соотношение объема реакционной камеры и объема камеры сгорания составляет от приблизительно 3:1 до приблизительно 6:1.
34. Способ по любому из пп. 1-33, в котором соотношение длины реакционной камеры и диаметра реакционной камеры составляет менее чем или равняется приблизительно 30:1.
35. Способ по п. 34, в котором соотношение длины реакционной камеры и диаметра реакционной камеры составляет от приблизительно 8:1 до приблизительно 12:1.
36. Способ по любому из пп. 1-35, в котором газообразные исходные материалы представляют собой смесь природного газа и рециркуляционного газа, содержащего один или несколько газов, удаленных из смешанного потока продуктов.
37. Способ по п. 36, в котором рециркуляционный газ содержит один или несколько из следующих газов: рециркуляционные непрореагировавшие газообразные исходные материалы, водород, монооксид углерода, диоксид углерода и азот.
38. Способ по любому из пп. 1-37, в котором введение горючей газовой смеси в камеру сгорания происходит одновременно с введением газообразных исходных материалов в реакционную камеру.
39. Способ по любому из пп. 1-38, в котором, в течение удаление смешанного потока продуктов, давление внутри реакционной камеры уменьшается достаточно быстро таким образом, чтобы ингибировать образование углеродистых отложений внутри реакционной камеры.
40. Способ по п. 39, в котором давление внутри реакционной камеры уменьшается по меньшей мере на 25% в течение менее чем одной секунды.
41. Способ по любому из пп. 1-40, в котором волна давления, производимая посредством сжигания горючей газовой смеси, ингибирует образование углеродистых отложений внутри реакционной камеры.
42. Способ по любому из пп. 1-41, в котором энергия передается от по меньшей мере части одного или нескольких газообразных продуктов сгорания газообразным исходным материалам посредством газодинамического сжатия и смешивания.
43. Система, содержащая:
перерабатывающий газообразные исходные материалы реактор, содержащий:
реакционную камеру;
камеру сгорания, выполненную с возможностью сообщения по текучей среде с реакционной камерой по одному или нескольким путям движения текучей среды; и
воспламенитель;
клапанное устройство для регулирования потока газов в перерабатывающий газообразные исходные материалы реактор и из него; и
один или несколько регуляторов, выполненных с возможностью осуществления способа, включая:
регулирование клапанного устройства для введения газообразных исходных материалов, содержащих углеводороды, в реакционную камеру;
регулирование клапанного устройства для введения горючей газовой смеси в камеру сгорания, причем горючая газовая смесь содержит воздух и один или несколько горючих газов;
регулирование воспламенителя для сжигания горючей газовой смеси в камере сгорания таким образом, чтобы получить один или несколько газообразных продуктов сгорания, в том числе азот, и таким образом, чтобы заставить по меньшей мере часть одного или нескольких газообразных продуктов сгорания втекать в реакционную камеру по одному или нескольким путям движения текучей среды и смешиваться с газообразными исходными материалами, причем, в результате смешивания по меньшей мере части одного или нескольких газообразных продуктов сгорания с газообразными исходными материалами, энергия передается от по меньшей мере части одного или нескольких газообразных продуктов сгорания газообразным исходным материалам и в результате этого вызывает химическую реакцию, в которой газообразные исходные материалы разлагаются с образованием одного или нескольких газообразных продуктов реакции, в том числе водорода;
регулирование клапанного устройства для удаления смешанного потока продуктов из перерабатывающего исходные материалы реактора, причем смешанный поток продуктов содержит водород и азот;
сбор водорода и азота из смешанного потока продуктов; и
изменение одного или нескольких технологических параметров таким образом, что сбор водорода и азота осуществляется согласно желательному соотношению.
44. Система по п. 43, в которой желательное соотношение водорода и азота составляет от приблизительно 1:1 до приблизительно 5:1.
45. Система по п. 43 или 44, в которой желательное соотношение водорода и азота составляет приблизительно 3:1.
46. Система по любому из пп. 43-45, в которой камера сгорания расположена внутри реакционной камеры.
47. Система по любому из пп. 43-46, в которой камера сгорания сдвинута от продольной оси реакционной камеры.
48. Система по любому из пп. 43-45, в которой камера сгорания расположена снаружи реакционной камеры.
49. Система по любому из пп. 43-48, в которой камера сгорания содержит одно или несколько образованных в ней отверстий.
50. Система по любому из пп. 43-49, в которой клапанное устройство содержит клапаны, присоединенные к общему приводному валу.
51. Система по п. 50, в которой клапанное устройство содержит тарельчатые клапаны, упорядоченные кулачковым валом.
52. Система по любому из пп. 43-51, дополнительно содержащая углеродный сепаратор для отделения углерода из смешанного потока продуктов.
53. Система по п. 52, в которой углеродный сепаратор содержит одно или несколько из следующих устройств: циклон, спеченный металлический фильтр и мешочный фильтр.
54. Система по любому из пп. 43-53, дополнительно содержащая водородный сепаратор для отделения водорода из смешанного потока продуктов.
55. Система по п. 54, в которой водородный сепаратор выполнен с возможностью пропускания через него азота.
56. Система по п. 54 или 55, в которой водородный сепаратор содержит одно или несколько из следующих устройств: мембранный сепаратор, устройство для химической адсорбции, устройство для адсорбции при переменном давлении и устройство для адсорбции при переменной температуре.
57. Система по п. 56, в которой мембранный сепаратор представляет собой полимерный мембранный сепаратор или палладиевый мембранный сепаратор.
58. Система по любому из пп. 43-57, дополнительно содержащая одно или несколько вентиляционных отверстий, расположенных в одной или нескольких из следующих зон: в камере сгорания; ниже по потоку относительно перерабатывающего исходные материалы реактора; ниже по потоку относительно углеродного сепаратора; а также в рециркуляционном трубопроводе для рециркуляции потока синтетического газа, образованного в результате отделения углерода и водорода от смешанного потока продуктов.
59. Система по п. 58, в которой один или несколько регуляторов выполнены с дополнительной возможностью изменения одного или нескольких из следующих параметров:
продолжительность открытия одного или нескольких вентиляционных отверстий;
частота открытия одного или нескольких вентиляционных отверстий; и
размер одного или нескольких отверстий из одного или нескольких вентиляционных отверстий.