RU2770519C1 - Method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam conversion of hydrocarbon gases - Google Patents
Method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam conversion of hydrocarbon gases Download PDFInfo
- Publication number
- RU2770519C1 RU2770519C1 RU2021118622A RU2021118622A RU2770519C1 RU 2770519 C1 RU2770519 C1 RU 2770519C1 RU 2021118622 A RU2021118622 A RU 2021118622A RU 2021118622 A RU2021118622 A RU 2021118622A RU 2770519 C1 RU2770519 C1 RU 2770519C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- reactor
- electromagnetic radiation
- water
- energy
- Prior art date
Links
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 title claims abstract description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 title claims abstract description 20
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 16
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 14
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 title claims abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 50
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 35
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000000047 product Substances 0.000 description 10
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 9
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 6
- 239000012263 liquid product Substances 0.000 description 5
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical group 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000987 absorbed dose Toxicity 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003608 radiolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C2/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
- C07C2/76—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen
- C07C2/80—Processes with the aid of electrical means
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам и устройствам для получения водорода и жидких продуктов, содержащих в молекулах атомы углерода, кислорода и водорода, из газообразных углеводородов (с частичным отщеплением водорода и перестроением конфигурации связей атомов).The invention relates to methods and devices for producing hydrogen and liquid products containing carbon, oxygen and hydrogen atoms in molecules from gaseous hydrocarbons (with partial elimination of hydrogen and reconfiguration of atomic bonds).
Термины, используемые в настоящем описании, имеют следующее толкование:The terms used in the present description have the following interpretation:
- ионизирующее излучение: воздействие ускоренными электронами, которое вызывает возбуждение, радикализацию и ионизацию (образование ионов обоих знаков) вещества среды, в которой оно распространяется;- ionizing radiation: exposure to accelerated electrons, which causes excitation, radicalization and ionization (the formation of ions of both signs) of the substance of the environment in which it propagates;
- углеводородсодержащий газ: метан, этан, пропан, бутан или их смеси в произвольной пропорции;- hydrocarbon-containing gas : methane, ethane, propane, butane or their mixtures in any proportion;
- энергетическая эффективность, или эффективность по энергозатратам: показатель, оцениваемый отношением затраченной энергии к количеству полезного продукта на выходе процесса. В настоящем описании энергетическая эффективность оценивается по выходу водорода, являющегося наиболее целевым продуктом.- energy efficiency, or efficiency in terms of energy consumption : an indicator estimated by the ratio of energy expended to the amount of useful product at the output of the process. In the present description, energy efficiency is evaluated by the yield of hydrogen, which is the most targeted product.
Известен ряд способов и устройств для конверсии лёгких газообразных углеводородов в жидкие, основанных на облучении исходного газа из группы алканов или его смеси с водяным паром потоком ускоренных электронов.A number of methods and devices for the conversion of light gaseous hydrocarbons into liquid ones are known, based on the irradiation of the source gas from the alkane group or its mixture with water vapor with a stream of accelerated electrons.
Все эти способы не обеспечивают энергетической эффективности процесса, и потому сведения об их широкомасштабном промышленном применении пока отсутствуют.All these methods do not provide the energy efficiency of the process, and therefore there is still no information about their large-scale industrial application.
Например, известна патентная заявка на способ и устройство для превращения газообразных гидрокарбонатов (природного газа) и пара в жидкое топливо в количестве от 1 грамма до 100 тонн посредством облучения потоком электронов с энергией (0,5…10) МэВ в течение от 1 с и до свыше 300 с при мощности поглощённой дозы от 1 кГр/с до и свыше 8 кГр/с [WO 2021007550 A1].For example, a patent application is known for a method and device for converting gaseous hydrocarbonates (natural gas) and steam into liquid fuel in an amount from 1 gram to 100 tons by irradiation with an electron beam with an energy of (0.5 ... 10) MeV for 1 s and up to over 300 s at an absorbed dose rate from 1 kGy/s to and over 8 kGy/s [WO 2021007550 A1].
Заявленная конструкция реакционной камеры не обеспечивает полного использования энергии электронного потока, а значительная часть израсходованной энергии идет на получение нежелательных сопутствующих продуктов. Даже если предположить, что среди миллионов сочетаний заявленных режимов имеются те, которые могут обеспечить экономически оправданный процесс, сведений о таких режимах заявка не содержит и по существу представляет собой лишь постановку задачи, но не её решение.The proposed design of the reaction chamber does not ensure the full use of the energy of the electron beam, and a significant part of the energy consumed is used to obtain unwanted by-products. Even if we assume that among the millions of combinations of the declared regimes there are those that can provide an economically justified process, the application does not contain information about such regimes and, in essence, is only a statement of the problem, but not its solution.
Известен способ конверсии лёгких углеводородов в более тяжёлые посредством воздействия на них пучка ускоренных электронов, причём для более полного использования энергии электронов исходный поток углеводородов разделяют на два, направляют их встречно поперёк направления движения электронов, а затем поворачивают суммарный поток по направлению движения электронов [DE 10163474 А1]. Реакционная камера при этом имеет Т-образную форму, где горизонтальной части буквы соответствуют подводящие газ каналы, а вертикальной - собственно реакционная часть, где потоки газа и электронов движутся попутно.There is a known method of converting light hydrocarbons into heavier ones by exposing them to a beam of accelerated electrons, and for a more complete use of the energy of electrons, the initial flow of hydrocarbons is divided into two, directed oppositely across the direction of electron movement, and then the total flow is turned in the direction of electron movement [DE 10163474 A1]. The reaction chamber in this case has a T-shape, where the horizontal part of the letter corresponds to the gas supply channels, and the vertical part corresponds to the actual reaction part, where the gas and electron flows move along.
Казалось бы, при достаточной длине реакционной части камеры вся энергия электронов будет отдана процессу ионизации газа. Однако из-за рассеяния электронов на молекулах газа направление их движения изменяется, и значительная их часть, ещё не растратив своей энергии, оседает на стенках камеры, нагревая их. Процесс оказывается малоэффективным по энергозатратам.It would seem that with a sufficient length of the reaction part of the chamber, all the energy of the electrons will be given to the process of gas ionization. However, due to the scattering of electrons by gas molecules, the direction of their movement changes, and a significant part of them, not yet wasting their energy, settles on the walls of the chamber, heating them. The process is inefficient in terms of energy consumption.
Известен способ конверсии метана, этана или пропана в высокомолекулярные соединения, при котором исходную смесь газов вводят в магнитное поле и облучают потоком электронов, а также устройство для реализации этого способа, содержащее электронный ускоритель с развёрткой пучка, подковообразный постоянный магнит, между полюсами которого расположен реактор (реакционная камера), имеющий в одной из стенок фольговое окно для выпуска электронов [US 2892946]. При этом магнитное поле, будучи поперечным по отношению к траекториям электронов при входе в реактор, заворачивает электроны по спирали, сужающейся по мере потери ими энергии на ионизацию газа. Благодаря этому электроны не достигают стенок реактора и полностью отдают свою энергию технологическому процессу.There is a known method for the conversion of methane, ethane or propane into macromolecular compounds, in which the initial mixture of gases is introduced into a magnetic field and irradiated with a stream of electrons, as well as a device for implementing this method, containing an electron accelerator with a beam sweep, a horseshoe-shaped permanent magnet, between the poles of which a reactor is located (reaction chamber), having a foil window in one of the walls for the release of electrons [US 2892946]. In this case, the magnetic field, being transverse with respect to the trajectories of electrons at the entrance to the reactor, wraps the electrons in a spiral, narrowing as they lose energy to ionize the gas. Due to this, the electrons do not reach the walls of the reactor and completely give their energy to the technological process.
Известный способ также неэффективен по энергозатратам из-за необходимости создания сильного, учитывая почти световую скорость электронов, магнитного поля во всём объёме реактора, который в промышленных установках может достигать нескольких кубометров.The known method is also inefficient in terms of energy consumption due to the need to create a strong magnetic field, taking into account almost the speed of light of electrons, in the entire volume of the reactor, which in industrial installations can reach several cubic meters.
Общий недостаток всех способов конверсии, использующих только электронное облучение, состоит в том, что значительная часть энергии электронного потока расходуется на возникновение переходных продуктов (3/4), спиновое состояние которых находится на триплетном уровне, не способном формировать желаемые продукты. При переходе из возбуждённого в основное состояние основная часть полученной ими энергии излучается на стенки реакционной камеры, никак не содействуя повышению выхода продукта.A common disadvantage of all conversion methods using only electron irradiation is that a significant part of the energy of the electron beam is spent on the formation of transition products (3/4), the spin state of which is at the triplet level, which is not capable of forming the desired products. During the transition from the excited state to the ground state, the main part of the energy received by them is radiated onto the walls of the reaction chamber, without contributing to an increase in the product yield.
Известен ряд способов конверсии лёгких углеводородов в более тяжёлые с попутным получением водорода посредством воздействия СВЧ-излучения на смесь газообразных лёгких (с небольшим числом атомов углерода в молекуле) углеводородов с водяным паром [WO 200612388, WO 2009145936, RU 2513622, RU 2427527, RU 2588258, RU 2646607, US 5328577]. Производительность всех известных способов ограничена мощностью выпускаемой промышленностью СВЧ-генераторов, работающих в непрерывном режиме.There are a number of methods for converting light hydrocarbons into heavier ones with the associated production of hydrogen by exposure to microwave radiation on a mixture of gaseous light (with a small number of carbon atoms in the molecule) hydrocarbons with steam [WO 200612388, WO 2009145936, RU 2513622, RU 2427527, RU 2588258 , RU 2646607, US 5328577]. The performance of all known methods is limited by the power of commercially available microwave generators operating in continuous mode.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ конверсии, проводимый в реакторе, состоящем из двух реакционных камер, при котором газообразную смесь лёгких углеводородов вводят в первую реакционную камеру объёмом 0,01 м3, ионизируют импульсным (не более 1 мкс) электронным излучением с энергией электронов (0,05…1) МэВ с одновременным возбуждением молекул электромагнитным полем с частотой 2400 МГц при средней плотности энергии электромагнитного поля в камере около 1500 кВт/м3, а затем переводят во вторую реакционную камеру, где обрабатывают электромагнитным полем с частотой 1600 МГц, понижая при этом уровень поглощённой энергии СВЧ-излучения [RU 2149884]. То есть процесс ведут в две стадии. Сведения об энергетической эффективности процесса в источнике не приводятся.The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a conversion method carried out in a reactor consisting of two reaction chambers, in which a gaseous mixture of light hydrocarbons is introduced into the first reaction chamber with a volume of 0.01 m 3 , ionized by a pulse (no more than 1 μs) electron radiation with electron energy (0.05 ... 1) MeV with simultaneous excitation of molecules by an electromagnetic field with a frequency of 2400 MHz at an average energy density of the electromagnetic field in the chamber of about 1500 kW / m 3 , and then transferred to the second reaction chamber, where it is treated with an electromagnetic field with a frequency of 1600 MHz, while lowering the level of absorbed energy of microwave radiation [RU 2149884]. That is, the process is carried out in two stages. Information about the energy efficiency of the process is not given in the source.
Недостаток известного способа состоит в его низкой энергетической эффективности. Производительность процесса из-за малой средней мощности импульсных ускорителей, работающих с высокой (не менее 105) скважностью, настолько невелика, что известный способ промышленного интереса не представляет.The disadvantage of the known method is its low energy efficiency. The productivity of the process due to the low average power of pulsed accelerators operating with a high (at least 10 5 ) duty cycle is so low that the known method is of no industrial interest.
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного по энергозатратам способа конверсии лёгких углеводородов из группы алканов в более тяжёлые с попутным получением водорода.The objective of the present invention is to create an energy-efficient method for the conversion of light hydrocarbons from the group of alkanes to heavier ones with the associated production of hydrogen.
Технический результат от использования предложенного способа состоит в повышении энергетической эффективности процесса.The technical result of using the proposed method is to increase the energy efficiency of the process.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе получения водорода и жидких углеводородов бета- и паровой конверсией углеводородных газов, при котором поток исходного сырья подают в реактор, ионизируют электронным излучением с одновременным воздействием на него электромагнитного излучения, в поток исходного сырья вводят воду в пропорциях от (1:20) до (1:2) по массе, ионизацию производят потоком электронов с энергией (0,3…6) МэВ при температуре смеси газа с водой (5…200)°С, статическом давлении (0,1…0,2) МПа и средней плотности энергии электромагнитного излучения (0,1…10) кВт/м3.This result is achieved by the fact that in the known method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta- and steam reforming of hydrocarbon gases, in which the feedstock stream is fed into the reactor, ionized by electron radiation with simultaneous exposure to electromagnetic radiation, water is introduced into the feedstock stream in proportions from (1:20) to (1:2) by mass, ionization is carried out by a stream of electrons with an energy of (0.3 ... 6) MeV at a temperature of a mixture of gas with water (5 ... 200) ° C, a static pressure of (0.1 ... 0.2) MPa and the average energy density of electromagnetic radiation (0.1 ... 10) kW / m 3 .
Предлагаемый способ характеризуется следующими параметрами:The proposed method is characterized by the following parameters:
- Электромагнитное излучение устанавливают довольно слабым, исключая нагрев, лишь для обеспечения спиновых переходов в радикальных парах.- Electromagnetic radiation is set rather weak, excluding heating, only to ensure spin transitions in radical pairs.
- Воздействие электромагнитным излучением осуществляют при частоте 40 Гц - 40 ГГц.- Exposure to electromagnetic radiation is carried out at a frequency of 40 Hz - 40 GHz.
- Воду вводят в исходное сырьё в виде водяного пара.- Water is introduced into the raw material in the form of steam.
- Воду вводят в исходное сырьё в виде диспергированной жидкости.- Water is introduced into the feedstock in the form of a dispersed liquid.
- Перед обработкой электронами поток смеси закручивают в трёхмерной цилиндрической или конической спирали.- Before being processed by electrons, the mixture flow is twisted in a three-dimensional cylindrical or conical spiral.
- Смесь подают в реактор по касательной к его стенке под углом (60…90)° к направлению её перемещения в ходе обработки.- The mixture is fed into the reactor tangentially to its wall at an angle of (60…90)° to the direction of its movement during processing.
- Обработку смеси проводят в реакторе, выполненном в виде трубы Ранка. - The mixture is processed in a reactor made in the form of a Rank tube.
Вода в жидком или парообразном состоянии в заявленных пределах минимизирует энергозатраты при заданном выходе жидких углеводородов и водорода, снижается чувствительность выхода к колебаниям молекулярной массы исходного сырья. Water in a liquid or vapor state within the stated limits minimizes energy consumption at a given yield of liquid hydrocarbons and hydrogen, reduces the sensitivity of the yield to fluctuations in the molecular weight of the feedstock.
Благодаря проведению процесса при заявленных температуре и давлении смеси на входе в реактор достигается максимальный выход жидких углеводородов при минимальных энергозатратах и достаточной для промышленного применения надёжности используемого оборудования.By carrying out the process at the declared temperature and pressure of the mixture at the inlet to the reactor, the maximum yield of liquid hydrocarbons is achieved with minimal energy consumption and the reliability of the equipment used is sufficient for industrial use.
Благодаря обработке смеси при энергии (0,3…10) МэВ повышается энергетическая эффективность процесса.Due to the processing of the mixture at an energy of (0.3 ... 10) MeV, the energy efficiency of the process increases.
Благодаря тому, что плотность энергии электромагнитного излучения не превышает 10 кВт/м3, существенно повышается энергетическая эффективность процесса за счет синглет-триплет-синглетных переходов, что практически не требует затрат энергии, но зато способен повысить почти втрое выход продуктов.Because the energy density of electromagnetic radiation does not exceed 10 kW/m
Благодаря тому, что перед обработкой электронами поток смеси закручивают, повышается энергетическая эффективность процесса.Due to the fact that the mixture flow is swirled before electron treatment, the energy efficiency of the process is increased.
Благодаря проведению процесса в трубе Ранка повышается его энергетическая эффективность, поскольку поток закрученной обрабатываемой смеси дважды, туда - по спирали и обратно - вдоль оси, проходит через зону облучения с промежуточным отбором жидкого продукта.Due to the process in the Rank tube, its energy efficiency increases, since the flow of the swirling processed mixture passes twice, back and forth in a spiral and back along the axis, through the irradiation zone with an intermediate selection of a liquid product.
Существо изобретения поясняется чертежами, где показаны основные элементы установки, реализующей предложенный способ, а также траектории частиц смеси в ней. The essence of the invention is illustrated by drawings, which show the main elements of the installation that implements the proposed method, as well as the trajectory of the particles of the mixture in it.
На фиг. 1 схематически показана установка для осуществления предложенного способа, в которой в поток исходного сырья подмешивается вода в жидком виде, а смесь закручивают в виде трёхмерной цилиндрической спирали. In FIG. 1 schematically shows the installation for implementing the proposed method, in which water in liquid form is mixed into the feedstock stream, and the mixture is twisted in the form of a three-dimensional cylindrical spiral.
На фиг. 2 схематически показано взаимное положение камеры реактора и входного патрубка.In FIG. 2 schematically shows the relative position of the reactor chamber and the inlet pipe.
На фиг. 3 схематически показана установка для осуществления предложенного способа, в которой в поток исходного сырья подмешивается вода в виде пара, а смесь закручивают в виде трёхмерной конической спирали.In FIG. Figure 3 schematically shows the installation for implementing the proposed method, in which water in the form of steam is mixed into the feedstock stream, and the mixture is twisted in the form of a three-dimensional conical spiral.
Предложенный способ осуществляется следующим образом. The proposed method is carried out as follows.
Поток 1 углеводородсодержащего газа, состоящий, например, из одного из первых четырёх членов гомологического ряда метана или их смеси, через патрубок 2 подаётся в реактор, включающий камеру 3, имеющую цилиндрическую (фиг. 1) или коническую (фиг. 3) форму, соединённую по концам с устройствами 4 и 5 для отбора продукта. Stream 1 of a hydrocarbon-containing gas, consisting, for example, of one of the first four members of the homologous series of methane or a mixture thereof, is fed through a
Одновременно с потоком 1 в патрубок 2 или непосредственно в камеру 3 через патрубок 6 попутно с потоком 1 подают воду 7 в жидком (фиг. 1) или газообразном (в виде пара) (фиг. 3) состоянии. В зависимости от состава исходного сырья и основной цели процесса (преимущественно получение водорода или сжижение газа) количество подаваемой воды может превышать от единицы до десяти единиц по отношению к массе газа, т.е. составлять пропорцию от (20:1) до (2:1), и далее при обосновании предельных значений параметров процесса слова «снижается», «снижается заметным образом» означают статистически значимое снижение энергетической эффективности на 20 % от максимального значения.Simultaneously with flow 1,
Для ускорения испарения воды, подаваемой в жидком виде, её диспергируют до размеров частиц от 10 мкм и менее, для чего конец патрубка 6 снабжается форсункой 8 (фиг. 3). Поступающий в камеру 3 входной поток смеси углеводородсодержащего газа с водой обрабатывают электронами и электромагнитным полем, точнее магнитной составляющей электромагнитного поля.To accelerate the evaporation of water supplied in liquid form, it is dispersed to a particle size of 10 microns or less, for which the end of the
Для наилучшего перемешивания смеси и повышения однородности ионизации всего поступающего в реактор потока смеси газа с водой его закручивают, например, вводя тангенциально к её оси (фиг. 1 и 2), т.е. к направлению перемещения смеси в ходе обработки. Это придаёт траекториям молекул в реакторе вихревую форму, увеличивая константы скорости радиационно-химических реакций на три порядка. Молекулы в завихрённом потоке движутся вдоль стенок камеры 3 по спирали, цилиндрической, если камера 3 имеет цилиндрическую форму (фиг. 1), или конической, если камера 3 имеет коническую форму (фиг. 3). На чертежах витки траекторной спирали условно показаны пунктирными линиями. Придание камере конической формы целесообразно, поскольку по мере прохождения смеси вдоль камеры 3 свойства потока, обрабатываемого электронами, изменяются.For the best mixing of the mixture and increasing the uniformity of ionization of the entire gas-water mixture flow entering the reactor, it is swirled, for example, by introducing it tangentially to its axis (Figs. 1 and 2), i.e. to the direction of movement of the mixture during processing. This gives the molecular trajectories in the reactor a vortex shape, increasing the rate constants of radiation-chemical reactions by three orders of magnitude. Molecules in a swirling flow move along the walls of
Отражаясь от отражателя 9, установленного с зазором относительно стенок камеры 3 соосно с ней, частично обработанный электронами и физическими полями поток газо-водяной смеси направляется в обратную сторону вдоль оси камеры 3, внутри вихревой спирали входного потока. Направления движения прямого и обратного потоков на чертежах показаны стрелками. При этом часть потока, движущаяся вблизи стенок камеры 3, через зазор между ними и отражателем 9 попадает в устройство 4 для отделения и сбора жидкого продукта 10, включающее в простейшем случае отстойник 11.Reflecting from the reflector 9, installed with a gap relative to the walls of the
Часть обработанного прямого потока, прошедшая через зазор, после отделения от неё водорода и затребованного жидкого продукта 10, может быть направлена во входной патрубок 2 для повторной обработки. Попутно из неё может быть выделен полученный водород. Для управления потоками служит регулируемый клапан 12.Part of the processed forward flow that has passed through the gap, after the separation of hydrogen and the requested
В ходе обратного движения к входной части камеры 3 поток, содержащий более тяжелые продукты радиолиза, повторно обрабатываются электронами и магнитной составляющей электромагнитного поля, что повышает энергетическую эффективность процесса.During the reverse movement to the inlet part of the
Вторично прошедший обработку поток улавливается раструбом 5 и направляется в устройство для отделения водорода и жидкого продукта.The recycled stream is captured by the
Поступивший в камеру завихренный поток ионизируют электронным излучением, с выводом электронов из вакуума в газ через окно 13, перекрытое разделительной фольгой 14. В зависимости от поперечного размера камеры 3 и состава исходного сырья энергия выведенных в камеру 3 электронов может лежать в пределах от 0,3 до 10,0 МэВ.The vortex flow entering the chamber is ionized by electron radiation, with the electrons withdrawn from vacuum into the gas through
Выполнение реактора в виде трубы Ранка, как это показано на чертежах, обеспечивает двойное прохождение части смеси через поток ускоренных электронов: сначала в виде пристеночного потока, а затем в виде осевого потока в обратную сторону..The execution of the reactor in the form of a Ranque tube, as shown in the drawings, provides a double passage of a part of the mixture through the stream of accelerated electrons: first in the form of a near-wall flow, and then in the form of an axial flow in the opposite direction..
Температура потока смеси на входе в реактор должна лежать в пределах (5…200)°С.The temperature of the mixture flow at the inlet to the reactor should be in the range (5...200)°C.
Давление в смеси в реакторе должно находиться в пределах (0,1…0,2) МПа.The pressure in the mixture in the reactor must be within (0.1 ... 0.2) MPa.
Поступивший в реактор поток смеси одновременно с ионизацией его электронами подвергают воздействию магнитной составляющей электромагнитного поля частотой 40 Гц - 40 ГГц при плотности вводимой в реактор энергии (0,1…10) кВт/м3. Для ввода в реактор электромагнитного поля служит подключённая к генератору 15 антенна, конструктивное исполнение которой зависит от частоты вводимого поля. Так, для сверхвысоких частот диапазона 300 МГц - 40 ГГц оптимальной являются рупорная, петлевая (поз. 16 на фиг. 3) или щелевая антенны. Антенны для более низких частот могут быть рамочные, как условно показано поз. 17 на фиг. 1, и содержать от одного до нескольких тысяч витков в зависимости от частоты вводимого электромагнитного поля. Предпочтительными являются направленные антенны, излучающие электромагнитную волну, вектор Пойнтинга которой направлен вдоль оси камеры 3.The flow of the mixture entering the reactor simultaneously with its ionization by electrons is exposed to the magnetic component of the electromagnetic field with a frequency of 40 Hz - 40 GHz at an energy density introduced into the reactor (0.1...10) kW/m 3 . To enter the electromagnetic field into the reactor, an antenna connected to the
В предложенном способе используется свойство магнитной составляющей электромагнитной волны воздействовать на спиновые состояния радикальных пар, которые могут участвовать в рекомбинации в основном в синглетном состоянии. Переменное поле магнитной составляющей электромагнитной волны резонансным образом изменяет населённость синглетных и триплетных состояний радикальных пар.The proposed method uses the property of the magnetic component of an electromagnetic wave to affect the spin states of radical pairs that can participate in recombination mainly in the singlet state. The alternating field of the magnetic component of the electromagnetic wave resonantly changes the population of singlet and triplet states of radical pairs.
Электромагнитное излучение устанавливают для обеспечения спиновых переходов в радикальных парах.Electromagnetic radiation is set to provide spin transitions in radical pairs.
Необходимые параметры электронного и электромагнитного излучения подбираются экспериментальным путём по максимальному выходу затребованного продукта в зависимости от состава исходного сырья и конструкции конкретного реактора.The required parameters of electronic and electromagnetic radiation are selected experimentally according to the maximum yield of the requested product, depending on the composition of the feedstock and the design of a particular reactor.
Во всех известных из уровня техники способах и устройствах для конверсии газа в жидкость электромагнитное излучение используется с целью ионизации обрабатываемой смеси, т.е. для образования радикальных пар. Эффекты спиновой динамики, на которых основан предложенный способ, просто не учитывались и в ходе экспериментов не замечались из-за того, что в реактор вводилась энергия, на несколько порядков большая той, которая требовалась для изменения спинового состояния радикальных пар, причём частоты электромагнитного излучения не подбирались в резонанс с частотами спиновых переходов, а использовались те, которые обеспечивало промышленное оборудование для СВЧ-нагрева, преимущественно 2,45 и 1,2 ГГц, т.е. частотами, не самыми оптимальными для воздействия на резонансное значение межатомных связей. In all methods and devices known from the prior art for gas-to-liquid conversion, electromagnetic radiation is used to ionize the treated mixture, i.e. to form radical pairs. The effects of spin dynamics, on which the proposed method is based, were simply not taken into account and were not noticed during the experiments due to the fact that the energy introduced into the reactor was several orders of magnitude greater than that required to change the spin state of radical pairs, and the frequency of electromagnetic radiation did not were selected in resonance with the frequencies of spin transitions, and those provided by industrial equipment for microwave heating, mainly 2.45 and 1.2 GHz, i.e., were used. frequencies that are not the most optimal for influencing the resonant value of interatomic bonds.
Эксперименты на лабораторной установке показали, что энергозатраты на получение водорода из метана и водяного пара в заданных условиях составляют порядка 0,5 эВ/молек Н2 или 11,2 ккал/моль, что указывает на участие цепных процессов в получении ценного продукта. Себестоимость продукта оценивается порядка 0,2 $/кг водорода.Experiments on a laboratory facility showed that the energy consumption for hydrogen production from methane and water vapor under given conditions is about 0.5 eV/mol H 2 or 11.2 kcal/mol, which indicates the participation of chain processes in obtaining a valuable product. The cost of the product is estimated at about $0.2/kg of hydrogen.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021118622A RU2770519C1 (en) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | Method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam conversion of hydrocarbon gases |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021118622A RU2770519C1 (en) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | Method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam conversion of hydrocarbon gases |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2770519C1 true RU2770519C1 (en) | 2022-04-18 |
Family
ID=81212722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021118622A RU2770519C1 (en) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | Method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam conversion of hydrocarbon gases |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2770519C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2149884C1 (en) * | 1999-01-06 | 2000-05-27 | Открытое акционерное общество "Томскгазпром" | Method of converting light hydrocarbons into heavier hydrocarbons |
| DE10163474A1 (en) * | 2001-12-21 | 2003-07-10 | Siemens Ag | Method and device for treating and / or reforming gaseous fuels and associated application |
| RU2317943C2 (en) * | 2005-12-20 | 2008-02-27 | ОАО "Томскгазпром" | Process of producing carbon and hydrogen from hydrocarbon gas and apparatus |
| WO2021007550A1 (en) * | 2019-07-11 | 2021-01-14 | The Texas A & M University System | Hydrocarbon conversion to liquid fuel by high-energy electron beam irradiation |
-
2021
- 2021-06-25 RU RU2021118622A patent/RU2770519C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2149884C1 (en) * | 1999-01-06 | 2000-05-27 | Открытое акционерное общество "Томскгазпром" | Method of converting light hydrocarbons into heavier hydrocarbons |
| DE10163474A1 (en) * | 2001-12-21 | 2003-07-10 | Siemens Ag | Method and device for treating and / or reforming gaseous fuels and associated application |
| RU2317943C2 (en) * | 2005-12-20 | 2008-02-27 | ОАО "Томскгазпром" | Process of producing carbon and hydrogen from hydrocarbon gas and apparatus |
| WO2021007550A1 (en) * | 2019-07-11 | 2021-01-14 | The Texas A & M University System | Hydrocarbon conversion to liquid fuel by high-energy electron beam irradiation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9293302B2 (en) | Method for processing a gas and a device for performing the method | |
| US20120034135A1 (en) | Plasma reactor | |
| US8784949B2 (en) | Remote non-thermal atmospheric plasma treatment of temperature sensitive particulate materials and apparatus therefore | |
| NO20101156A1 (en) | Hydrogen production apparatus, system and method | |
| Wang et al. | Study on n-hexadecane cracking with introducing water by pulsed discharge in liquid | |
| US20110011728A1 (en) | System and method for conversion of molecular weights of fluids | |
| CA2810095C (en) | Device and method for the treatment of a gaseous medium and use of the device for the treatment of a gaseous medium, liquid, solid, surface or any combination thereof | |
| RU2770519C1 (en) | Method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam conversion of hydrocarbon gases | |
| Martin et al. | Combined microwave and accelerated electron beam irradiation facilities for applied physics and chemistry | |
| Miller | Organic plasma chemistry | |
| Khudozhitkov et al. | Registration of protoned argon and helium in a clustered gas flow of argon-hydrogen and helium-hydrogen mixtures | |
| RU2142496C1 (en) | Method and apparatus for initiating chemical reactions in petroleum and petroleum product processing | |
| Sharafutdinov et al. | Dependence of the Methane Decomposition Factor in Cold Electron-Beam Plasma upon Input Power | |
| RU2423318C2 (en) | Method of producing fullerene-containing black and device to this end | |
| Gong et al. | Investigation of gas-liquid discharge characteristics in atmospheric air and argon | |
| RU2799318C1 (en) | Device for carrying out chemical reactions in cold plasma | |
| Leshchik et al. | Effect of reactor wall temperature on benzene oxidation in a barrier discharge | |
| US12104223B2 (en) | Advanced beneficiation process for beneficiation, mobilization, extraction, separation, and concentration of mineralogical resources | |
| Zarvin et al. | On the possibility to repay of associated gas torches by using plasma-chemical conversion of methane | |
| RU2232210C1 (en) | Electric power installation for production of hydrogen and oxygen | |
| RU2235113C1 (en) | Method of modifying fuel oil and apparatus for implementation thereof | |
| RU27595U1 (en) | HYDROGEN AND OXYGEN POWER PLANT | |
| Ryabov et al. | Transformations of Propane and Its Mixture with Methane in the Presence of Water in Dielectric-Barrier Discharge | |
| Moore | Chemical processing of binary mixtures in a continuous flow microwave discharge reactor | |
| CH720593A1 (en) | DISSOCIATION PROCESS AND SYSTEM FOR THE DISSOCIATION OF CARBON DIOXIDE AND/OR METHANE |