[go: up one dir, main page]

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 PDF

Info

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
Application number
RU2021118622A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Николаевич Цой
Леонид Анатольевич Цой
Максим Леонидович Цой
Игорь Робертович Трушников
Андрей Сергеевич Кузнецов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Бета-технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Бета-технологии" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Бета-технологии"
Priority to RU2021118622A priority Critical patent/RU2770519C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2770519C1 publication Critical patent/RU2770519C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32Production 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
    • C01B3/34Production 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
    • C07C2/76Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen
    • C07C2/80Processes 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

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: invention relates to a method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam conversion of hydrocarbon gases, in which the flow of the initial gas feedstock is fed into the reactor, ionized by electronic radiation with simultaneous exposure to electromagnetic radiation. Water is introduced into the feedstock stream in proportions from 1:20 to 1:2 by weight, ionization is carried out by a flow of electrons with an energy from 0.3 to 10.0 MeV at a gas-water mixture temperature from 5 to 200°C, static pressure from 0.1 to 0.2 MPa and an average energy density of electromagnetic radiation from 0.1 to 10 kW/m3.EFFECT: increase in the energy efficiency of the process.8 cl, 3 dwg

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 pipe 2 into the reactor, which includes a chamber 3 having a cylindrical (Fig. 1) or conical (Fig. 3) shape, connected at the ends with devices 4 and 5 for product selection.

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, water 7 is supplied into the pipe 2 or directly into the chamber 3 through the pipe 6 along with the flow 1 in liquid (Fig. 1) or gaseous (in the form of steam) (Fig. 3) state. Depending on the composition of the feedstock and the main purpose of the process (mainly hydrogen production or gas liquefaction), the amount of water supplied can exceed from one to ten units relative to the mass of gas, i.e. be in proportion from (20:1) to (2:1), and further, when justifying the limiting values of the process parameters, the words “decreases”, “decreases in a noticeable way” mean a statistically significant decrease in energy efficiency by 20% of the maximum value.

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 pipe 6 is equipped with a nozzle 8 (Fig. 3). Entering the chamber 3, the input stream of a mixture of hydrocarbon-containing gas with water is treated with electrons and an electromagnetic field, more precisely, the magnetic component of the electromagnetic field.

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 chamber 3 in a spiral, cylindrical if chamber 3 has a cylindrical shape (Fig. 1), or conical if chamber 3 has a conical shape (Fig. 3). In the drawings, the turns of the trajectory spiral are conventionally shown by dotted lines. Giving the chamber a conical shape is expedient, since as the mixture passes along the chamber 3, the properties of the flow processed by the electrons change.

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 chamber 3 coaxially with it, the flow of the gas-water mixture, partially processed by electrons and physical fields, is directed in the opposite direction along the axis of the chamber 3, inside the vortex spiral of the input flow. The directions of movement of forward and reverse flows in the drawings are shown by arrows. At the same time, part of the flow moving near the walls of the chamber 3, through the gap between them and the reflector 9, enters the device 4 for separating and collecting the liquid product 10, which in the simplest case includes a sump 11.

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 liquid product 10 from it, can be sent to the inlet 2 for re-treatment. Along the way, the resulting hydrogen can be separated from it. An adjustable valve 12 is used to control the flows.

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 chamber 3, the flow containing heavier radiolysis products is re-processed by electrons and the magnetic component of the electromagnetic field, which increases the energy efficiency of the process.

Вторично прошедший обработку поток улавливается раструбом 5 и направляется в устройство для отделения водорода и жидкого продукта.The recycled stream is captured by the socket 5 and sent to a device for separating hydrogen and liquid product.

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 window 13, covered with separating foil 14. Depending on the transverse size of chamber 3 and the composition of the feedstock, the energy of electrons removed to chamber 3 can range from 0.3 up to 10.0 MeV.

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 generator 15 is used, the design of which depends on the frequency of the input field. So, for microwave frequencies in the range of 300 MHz - 40 GHz, horn, loop (pos. 16 in Fig. 3) or slot antennas are optimal. Antennas for lower frequencies can be frame, as conditionally shown in pos. 17 in FIG. 1, and contain from one to several thousand turns, depending on the frequency of the input electromagnetic field. Directional antennas are preferred, which emit an electromagnetic wave, the Poynting vector of which is directed along the axis of the camera 3.

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)

1. Способ получения водорода и жидких углеводородов бета- и паровой конверсией углеводородных газов, при котором поток исходного газового сырья подают в реактор, ионизируют электронным излучением с одновременным воздействием на него электромагнитного излучения, отличающийся тем, что в поток исходного сырья вводят воду в пропорциях от 1:20 до 1:2 по массе, ионизацию производят потоком электронов с энергией от 0,3 до 10,0 МэВ при температуре смеси газа с водой от 5 до 200°С, статическом давлении от 0,1 до 0,2 МПа и средней плотности энергии электромагнитного излучения от 0,1 до 10 кВт/м³.1. A method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam reforming of hydrocarbon gases, in which the feed gas feed stream is fed into the reactor, ionized by electron radiation with simultaneous exposure to electromagnetic radiation, characterized in that water is introduced into the feed feed stream in proportions from 1:20 to 1:2 by mass, ionization is carried out by an electron flow with an energy of 0.3 to 10.0 MeV at a gas-water mixture temperature of 5 to 200°C, a static pressure of 0.1 to 0.2 MPa and average energy density of electromagnetic radiation from 0.1 to 10 kW/m³. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электромагнитное излучение устанавливают для обеспечения спиновых переходов в возбуждённых молекулах, ионах и радикальных парах, возникновение которых обусловлено воздействием ускоренных электронов и вторичных гамма-квантов. 2. The method according to claim 1, characterized in that electromagnetic radiation is set to provide spin transitions in excited molecules, ions and radical pairs, the occurrence of which is due to the action of accelerated electrons and secondary gamma quanta. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие электромагнитным излучением осуществляют при частоте от 40 Гц до 40 ГГц.3. The method according to claim 1, characterized in that the exposure to electromagnetic radiation is carried out at a frequency of 40 Hz to 40 GHz. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в исходное сырьё вводят воду в виде водяного пара.4. The method according to claim 1, characterized in that water is introduced into the feedstock in the form of steam. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в исходное сырьё вводят диспергированную воду с размерами капель менее 10 мкм. 5. The method according to p. 1, characterized in that dispersed water with a droplet size of less than 10 microns is introduced into the feedstock. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед обработкой электронами поток смеси закручивают, придавая траекториям молекул вихревую форму трёхмерной цилиндрической или конической спирали.6. The method according to claim 1, characterized in that before processing by electrons, the mixture flow is twisted, giving the molecular trajectories a vortex shape of a three-dimensional cylindrical or conical spiral. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что смесь подают в реактор по касательной к его стенке под углом от 60 до 90° к направлению её перемещения в ходе обработки. 7. The method according to claim 6, characterized in that the mixture is fed into the reactor tangentially to its wall at an angle of 60 to 90° to the direction of its movement during processing. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что обработку смеси проводят в реакторе, выполненном в виде трубы Ранка. 8. The method according to p. 6, characterized in that the mixture is processed in a reactor made in the form of a Ranque tube.
RU2021118622A 2021-06-25 2021-06-25 Method for producing hydrogen and liquid hydrocarbons by beta and steam conversion of hydrocarbon gases RU2770519C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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