Инсталация за производство на водородни и въглеродни наноматериали и структури от въглеводороден газ,

производство

Собственици на патент RU 2425795:

Изобретението се отнася до химическата промишленост. Вакуумната камера на плазмено-дъговия реактор 1 е пълна с въглеводороден газ. Чрез докосване на графитни електроди 3 и 4 се запалва електрическа дъга. Провежда се високотемпературна пиролиза. Въглеводородният газ се подава непрекъснато в камерата на реактора 1. Растежът на въглеродни наноструктури се извършва върху силиконова плоча 2. Силиконовата плоча 2 има формата на пръстеновидна шайба, върху която се отлагат частиците на катализатора. Полученият водород се отстранява през паладиев филтър 5 и се изпомпва в резервоар 7 с помощта на помпа-компресор 6. Изобретението прави възможно получаването на едно- и многослойни въглеродни нанотръби без примеси на други модификации на въглерод и водород. 2 т.п. ф-лия, 1 ил.

Изобретението се отнася до областта на нанотехнологиите. Изобретението се отнася до химическата промишленост и е предназначено за производството на два търговски значими продукта, а именно водородни и въглеродни наноматериали и структури, от въглеводороди, включително свързан нефтен газ (APG). Полученият въглероден наноструктуриран материал се използва в химията, физиката, инженерството, енергетиката, електрониката, биологията, медицината и други области, по-специално може да се използва в производството на сорбенти, катализатори и композитни материали. Изобретението се отнася и до енергетиката. Полученият водород може да се използва за собствено енергоснабдяване чрез изгаряне на водород и възстановяване на топлината, което едновременно ще намали разходите за енергия, ще намали рисковете за околната среда, ще охлади изходящите реакционни продукти и ще улесни тяхното събиране и транспортиране. Освен това,Водородът е обещаващо високоефективно екологично гориво.

Развитието на водородната енергетика е едно от приоритетните направления не само в България, но и в целия свят. За водородната енергия намаляването на разходите за производство на водород е от решаващо значение. Това обстоятелство отново привлече вниманието към неравновесните процеси на превръщане на въглеводородите в синтезен газ или въглерод и водород. Понастоящем най-обещаващите области на плазмено-химичната обработка на въглеводородни суровини включват:

- разработване на процеси на преобразуване с използване на неравновесна плазма при атмосферно налягане - високоволтова слаботокова корона, бариера, тлеещи разряди на постоянен, променлив, HF и микровълнов ток, импулсни периодични и несамостоятелни разряди с повишена мощност, приближаващи мощността на електродъговите разряди;

- разработване на нови типове генератори на неравновесна плазма при атмосферно и повишено налягане;

- плазмено активиране на горене, окисление и превръщане на въглеводороди;

- разработване на хибридни методи за преобразуване, които намаляват разходите за енергия и увеличават добивите на продуктите за преобразуване.

Настоящото изобретение се отнася до разработване на устройства за прилагане на така наречените хибридни методи, а именно плазмено-каталитично превръщане на въглеводороди, за получаване на въглеродни наноматериали и водород.

Изобретението позволява да се увеличи производителността на сажди и фулерени с минимална консумация на енергия, изключва се повреда на дъгата и изгаряне на стената на разрядната камера. Процесът е непрекъснат.

Недостатъците на този аналог трябва да включват факта, че анодът е консуматив, т.к. синтезът се извършва чрез разпрашаване на анода в среда от инертен газ. Водород инаноматериалите не се синтезират.

Предимството на този аналог е в увеличаването на съдържанието на въглеродни нанотръби в катодния депозит чрез разширяване и контролиране на зоната на действие на температурите, които са характерни за първата въглеродна йонизация върху крайната работна повърхност на цилиндричен графитен анод, както и в осигуряването на устройството със структурни елементи, които позволяват създаване на разпределение на температурата, характерно за първата въглеродна йонизация в свободния край на анода по цялата му повърхност.

Недостатъците на този аналог: консумативен анод, водородът не се синтезира.

Устройство за производство на въглеродни структури [патент US 2002179428, 2002.12.05, IPC B01J 3/00; B01J 19/08; С01В 31/02; B01J 3/00; B01J 19/08; С01В 31/00], който включва разрядна камера, в която са разположени два коаксиални графитни електрода, източник на захранване за поддържане на напрежението между електродите и генератор на магнитно поле.

Аналогови недостатъци: водородът не се синтезира, синтезът се извършва в среда на инертен газ чрез разпрашаване на анода, използването на генератор на магнитно поле усложнява дизайна.

Известно е устройство за производство на еднослойни въглеродни нанотръби и водород в плазмата на електродъговия разряд в присъствието на катализатор [JP 7197325, 1995.08.01, IPC D01F 9/127; С01В 31/02; D01F 9/12], който включва разрядна камера, два графитни електрода, метална жица е вкарана в един от електродите в отвор, направен в графитена пръчка. Процесът протича в среда на въглеводороден газ, електродът и металът се изпаряват в плазмата.

Недостатъци: анодът е консуматив. Водородът се синтезира, но няма устройство за събирането му.

Предимствата на аналога, като устройство за производство на водород и въглерод, включват ефективенпроцес на каталитична пиролиза, определен от избраната схема на нагряване с използване на микровълново поле.

Недостатъкът е, че изходът съдържа различни алотропни модификации на въглерода. Проблемът с отделянето на определени модификации в момента не е решен.

Предимствата на прототипа трябва да включват значително намаляване на потреблението на енергия чрез използване на възстановяване на отработените газове след пиролиза и висока степен на използване на оригиналните въглеводороди. Устройството позволява да се осигури непрекъснато производство на технически въглерод и водород, да се контролира качеството на крайния продукт.

Прототипът осигурява технологични отвори за подаване на специални вещества, а именно частици от желязо, калай или други метали за управление на параметрите на процеса, но това не дава възможност за получаване на наноматериали и структури с висока селективност. Следователно, недостатъкът е, че изходът може да съдържа различни алотропни модификации на въглерода. Проблемът с отделянето на определени модификации в момента не е решен.

Проблемът, към който е насочено настоящото изобретение, е разработването на инсталация за производство на въглеводороден газ, включително APG, въглеродни наноматериали и структури с висока селективност, състоящи се главно от едно- и многослойни въглеродни нанотръби без примеси на други модификации на въглерод и водород.

Разработеният обект се основава на няколко идеи:

- комбинация от плазмени и каталитични методи за разграждане на въглеводороди;

- непрекъснато подаване на работен газ, който може да бъде всеки въглеводороден газ, включително ПНГ. Всички тези точки са важни за оптимизиране на качествения състав на кондензатавъглерод.

За постигането на тази задача се предлага устройство, което се състои от плазмено-дъгов реактор, паладиев филтър, който е селективен за водород, помпа-компресор и резервоар за събиране на водород. Плазмено-дъговият реактор включва вакуумна камера, система за вакуумно изпомпване, система за захранване с променлив ток, система за водно охлаждане, система за подаване и разреждане на газ и измервателни системи за наблюдение на налягането и електрическите параметри на разряда. Вакуумната камера е запечатан съд от неръждаема стомана. Коаксиално във вакуумната камера са разположени графитни електроди, между които гори дъга в атмосфера на въглеводороден газ при налягане 0,5÷2 atm. Единият електрод е прът, чийто диаметър се определя от мощността на разряда и е подвижен, за да се променя междуелектродното разстояние. Другият електрод е под формата на таблетка с по-голям диаметър, което позволява да се подобри разсейването на топлината и да се предвидят евентуални премествания на електродите един спрямо друг. Разстоянието между електродите е избрано така, че температурата да е достатъчна за пълна пиролиза на въглеводородния газ до атомните компоненти на водорода и въглерода. Използването на източник на променлив ток, провеждането на процеса при повишено налягане, както и промяната на междуелектродното разстояние позволяват да се постигне, че електродите практически не се консумират, а въглеводородният газ е суровината за синтеза на наноструктури. За получаване на каталитично активен въглероден кондензат във вакуумната камера на плазмено-дъговия реактор допълнително се поставя силиконова плоча под формата на пръстеновидна шайба, върху която се отлагат частици на катализатора чрез пръскане, а плочата е монтирана върху електрод, който има формата на таблетка,чийто диаметър е по-голям от диаметъра на другия електрод. Като катализатор се използват частици от желязо, никел, кобалт, иридий. Плочата има формата на пръстеновидна шайба със съотношение на диаметрите на кръговете, образуващи шайбата, равно на 1/7.

Предложената инсталация за производство на водородни и въглеродни наноматериали и структури от въглеводороден газ е илюстрирана с чертеж, където всички елементи са показани схематично и в произволен мащаб. Инсталацията съдържа плазмено-дъгов реактор 1, паладиев филтър 5, помпа-компресор 6 и резервоар за събиране на водород 7. Вакуумната камера на плазмено-дъговия реактор съдържа коаксиално разположени графитни електроди 3 и 4. Подвижният електрод 4 е графитен прът, чийто диаметър се определя от мощността на разреждане. Стационарният електрод 3 има формата на графитна пелета, чийто диаметър е равен на диаметъра на електрода 4 или повече, което в последния случай позволява да се подобри отвеждането на топлината и да се осигурят възможни измествания на електродите 3 и 4 спрямо общата ос, на която те първоначално са разположени. За да се получи каталитично активен въглероден кондензат, в камерата на плазмено-дъговия реактор е монтирана силиконова плоча 2, която има формата на пръстеновидна шайба с нанесени върху нея частици от редица метали (каталитични частици). Движението на електрода 4 се извършва ръчно с помощта на силфонен възел за предаване на постъпателно движение (не е показано на диаграмата).

Инсталацията работи по следния начин.

Вакуумната камера на реактора се запълва с въглеводороден газ, избран от гамата: метан, свързан нефтен газ, ацетилен, пропан, бутан, природен газ, чрез докосване на електродите се запалва електрическа дъга с променлив ток и се извършва високотемпературна пиролиза при налягане 0,5-2 atm. В камерата на реактора се подава въглеводороден газнепрекъснато. Растежът на въглеродни наноструктури, които са предимно едно- и многослойни нанотръби, без образуването на други въглеродни структури, се случва директно върху плочата върху каталитични метални частици. Полученият водород се отстранява през паладиев филтър и се изпомпва в резервоара с помощта на помпа-компресор.

Изработена е лабораторна инсталация за получаване на наноматериали и структури от въглеводороден газ с капацитет 10 g/h. Проведени са серия от експерименти и е извършен анализ на получения материал с помощта на електронна микроскопия, която показва, че въглеродни наноматериали с висока селективност се формират върху плоча с частици на катализатор, състоящи се главно от едно- и многостенни въглеродни нанотръби без примеси на други въглеродни модификации. Експериментите показват, че тази инсталация позволява получаването на висококачествени продукти, икономична е по отношение на консумацията на енергия и е екологична.

1. Инсталация за производство на въглероден материал и водород, състояща се от плазмено-дъгов реактор, включващ вакуумна камера с коаксиално разположени графитни електроди, единият от които е подвижен, система за вакуумно изпомпване, система за захранване с променлив ток, система за водно охлаждане, система за подаване и изпускане на газ, измервателни системи за наблюдение на налягането и електрическите параметри на разряда, характеризиращи се с това, че инсталацията съдържа допълнително пала диев филтър, помпа-компресор и резервоар за събиране на водород, вакуумна камера на плазмено-дъговия реактор и допълнително съдържа силиконова плоча под формата на пръстеновидна шайба, върху която се отлагат частици на катализатора, а плочата е монтирана върху електрод с ниска консумация с форма на таблетка, чийто диаметър е по-голям от диаметъра на другия електрод.

2. Инсталация съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че като катализатор се използват частици от желязо, никел, кобалт, иридий.

3. Инсталация съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че съотношението на диаметъра на отвора в плочата и диаметъра на плочата е 1/7.