КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области химической промышленности, водородной энергетики и служит для каталитического производства водорода и углеродных наноматериалов.
На сегодняшний день актуальной задачей для развития малой водородной энергетики является разработка технологии, позволяющей получать водородсодержащее топливо с высокой концентрацией водорода без примесей оксидов углерода. Таким способом является каталитическое разложение углеводородов, в ходе которого образуется водород и нановолокнистый углерод [Kuvshinov G.G., Parmon V.N., Sadykov V.A., Sobyanin V.A. New catalysts and catalytic processes to produce hydrogen and syngas from natural gas and other light hydrocarbons // Studies in Surface Science and Catalysis, 1998, vol. 119. p. 677].
Для проведения процесса каталитического разложения углеводородов обычно используют реакторы, изготовленные из нержавеющей стали или кварцевого стекла.
Известен каталитический реактор для получения водорода и углеродных наноматериалов, описанный в работе [Соловьев Е.А., Кувшинов Г.Г. Влияние состава катализатора на процесс получения водорода селективным каталитическим пиролизом пропана// Альтернативная энергетика и экология. - 2011. - №10. - С. 127-132], состоящий из кварцевого стакана с внутренним диаметром 28 мм и высотой 150 мм, который герметично присоединяется к металлической головке посредством накидной гайки с прокладкой из терморасширенного графита. Подаваемый в реактор исходный углеводородный газ поступает через входной штуцер и трубку ввода непосредственно в зону реакции. Продукты реакции удаляются в систему отвода газов через выходной штуцер. Газовые тракты присоединяются к штуцерами посредством накидных гаек и конических уплотнительных втулок, которые обеспечивают герметичное и механически прочное соединение. К штоку вибрационного привода реактор присоединяется посредством скобы. Данная конструкция реактора является наиболее эффективной при использовании в условиях повышенной механической нагрузки, возникающей в результате его вибрации. Кроме того, данный вариант реактора значительно упрощает процесс загрузки катализатора и выгрузки образующегося нановолокнистого углеродного материала.
Однако указанный реактор для получения водорода и углеродных наноматериалов не может работать при давлении выше атмосферного, поэтому не представляется возможным проводить процесс получения водорода и углеродных наноматериалов при давлениях выше атмосферного.
Кроме того, известен каталитический реактор для получения водорода и углеродных наноматериалов, являющийся прототипом предлагаемой полезной модели, описание которого приводится в способе получения водорода и нановолокнистого углерода [патент RU №2312059 C1, опубл. 10.12.2007 Бюл. 34]. Каталитический реактор для получения водорода и углеродных наноматериалов, состоит из внешнего и внутреннего стакана, выполненных из кварцевого стекла, штуцеров входа и выхода газовых потоков. Каталитический реактор расположен в печи вертикально и работает в режиме виброожижения, при этом газ проходит через внешний стакан, при этом нагревается до нужной температуры, затем попадает в зону реакции внутреннего стакана через специальные отверстия.
Однако в указанном каталитическом реакторе для получения водорода и углеродных наноматериалов невозможно проведение процесса получения водорода и углеродного наноматериала при давлениях выше атмосферного, так как с увеличением давления при повышенных температурах внутренний и внешний стаканы реактора для производства водорода и нановолокнистого углерода, выполненные из кварцевого стекла, могут деформироваться. В результате чего может произойти разгерметизация каталитического реактора, а также изменение фактора-формы внутреннего и внешнего стаканов, при трансформировании которого, изменится аэродинамика газовых потоков.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности получения водорода и углеродных наноматериалов под давлением выше атмосферного.
Это достигается тем, что каталитический реактор для получения водорода и углеродных наноматериалов состоит из внешнего и внутреннего кварцевого стаканов, а также снабжен металлическим устройством крепления со штуцерами ввода и вывода газов и отверстиями, обеспечивающих уравновешивания давления между внутренним и внешним стаканами, при этом внешний стакан выполнен из нержавеющей стали.
На чертеже приведен реактор для получения водорода и наноуглеродных материалов, состоящий из штуцера ввода газа (1), кварцевой трубки подачи углеводородного газа (2), кварцевого внутреннего стакана (3), термопарного кармана (4), металлического внешнего стакана (5), накидной гайки (6), металлического устройства крепления (7) внутреннего и внешнего стакана, выполненного в форме фланца или головки (на чертеже показана головка реактора) с отверстиями (8), накидной гайки (9), штуцера вывода газовых потоков (10), при этом штуцера ввода и вывода газовых потоков закреплены на металлическом устройстве крепления.
Каталитический реактор для получения водорода и углеродных наноматериалов работает следующим образом. Исходный углеводород по газопроводу через штуцер входа (1) и кварцевую трубку ввода (2) попадает в зону внутреннего стакана (3), на дно которого предварительно загружают катализатор, при этом происходит реакция с образованием водорода и наноуглеродного материала. Температура процесса контролируется термопарой, размещенной в термопарном кармане (4). С помощью накидных гаек (6, 9) внутренний стакан (3), как и внешний стакан (5), крепятся к металлическому устройству крепления (7) резьбовым соединением. Прореагировавший газ удаляется из реактора через штуцер выхода (10) расположенного на металлическом устройстве крепления. Реактор для получения водорода и углеродных наноматериалов располагается в печи горизонтально и может работать в режиме виброожижения при температуре 500-750°С и давлениях выше атмосферного.
Каталитический реактор для получения водорода и углеродных наноматериалов работает по принципу сообщающихся сосудов, т.е. давление газов внутри металлического стакана находится в равновесии с давлением газов внутри кварцевого стакана за счет перетекания газа через специальные отверстия (8), при этом не происходит деформация и разрушение кварцевого материала, вследствие чего реактор может работать при давлениях выше атмосферного.