Устройство для конверсии газов в плазме
Использование: в нефтехимической, газовой и химической отраслям промышленности, в частности, для плазмохимической конверсии углеводородного сырья. Сущность полезной модели: устройство для конверсии газов в плазме, содержит герметичную реакционную камеру с патрубками для ввода воды и сырьевого углеводородного газа и вывода воды и газообразных продуктов реакции, частично заполненную водой, в которую погружен многоискровой разрядник, выполненный в виде цилиндрической трубки из диэлектрического материиала, на поверхности которой, охватывая ее, размещены, по меньшей мере, два электрода в виде 
U
-образных цилиндрических металлических колец, которые подключены к генератору высоковольтных импульсов, при этом стенки цилиндрической трубки между электродами выполнены перфорированными. При наличии в многоискровом разряднике более двух электродов последние размещены на равном расстоянии друг от друга, а генератор подключен к крайним торцевым электродам. Полезная модель позволяет: повысить степень конверсии углеводородных газов с малыми энергетическими затратами, за счет формирования разряда в пузырьках углеводородного газа и осуществления конверсии газов в проточном режиме, а также повысить надежность работы устройства и упростить ее конструкцию. 1 н.з.п. ф-лы., 3 илл.
Полезная модель относится к нефтехимической, газовой и химической отраслям промышленности, в частности, к установкам плазмохимической конверсии углеводородного сырья.
Известно устройство для конверсии газов в плазме СВЧ-разряда, предназначенное для конверсии углеводородных газов, смешанных с, по крайней мере, одним газом, выбранным из ряда: углекислый газ, кислород и воздух, содержащее реакционную камеру, генератор микроволновых колебаний и волновод, причем волновод выполнен в виде цилиндрических коаксиально расположенных внешнего и внутреннего электродов, размещенных снаружи и внутри реакционной камеры соответственно, реакционная камера и волновод размещены на генераторе микроволновых колебаний, внутренний электрод изготовлен заостренным на конце, а в торце реакционной камеры выполнено отверстие для вывода целевого продукта (RU 80449).
Известное устройство обладает следующими недостатками:
- для инициирования СВЧ-разряда требуется подача в реакционную камеру аргона,
- для осуществления конверсии газов необходимо введение окислительного газа (углекислого газа, кислорода или воздуха),
- ценными продуктами конверсии являются только монооксид углерода и водород.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели по технической сути и достигаемому результату является устройство для конверсии газов в плазме, содержащее центральный заземленный вращающийся электрод и множество игольчатых электродов, закрепленных на стенках цилиндрической реакционной камеры, выполненной из диэлектрического материала, таким образом, что расстояние от концов игольчатых электродов до центрального заземленного электрода равно 5 мм. (US 2009038933). Через зазор между центральным электродом и стенками реакционной камеры пропускается углеводородный газ, в котором генерируется холодный дуговой разряд, за счет которого осуществляется конверсия газа.
Недостатками указанного устройства являются необходимость вращения центрального заземленного электрода во избежание образования проводящих мостов из твердого углерода между электродами, малое содержание ацетилена в выходных газах (3,07%), низкая степень конверсии исходных газов, а также образование значительных количеств мелкодисперсного углерода (сажи), что требует применения специальных фильтрующих устройств на выходе установки.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка устройства для конверсии газов в плазме, обеспечивающего повышение степени конверсии углеводородных газов с малыми энергетическими затратами, за счет формирования разряда в пузырьках углеводородного газа и осуществления конверсии газов в проточном режиме, а также упрощение конструкции.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для конверсии газов в плазме, содержит герметичную реакционную камеру с патрубками для ввода воды и сырьевого углеводородного газа и вывода воды и газообразных продуктов реакции, частично заполненную водой, в которую погружен многоискровой разрядник, выполненный в виде цилиндрической трубки из диэлектрического материиала, на поверхности которой, охватывая ее, размещены, по меньшей мере, два электрода в виде U-образных цилиндрических металлических колец, которые подключены к генератору высоковольтных импульсов, при этом стенки цилиндрической трубки между электродами выполнены перфорированными.
А также тем, что при наличии в многоискровом разряднике более двух электродов последние размещены на равном расстоянии друг от друга, а генератор подключен к крайним торцевым электродам.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2. 3. - диаграммы, иллюстрирующие работу устройства.
Устройство содержит герметичную реакционную камеру 1 с крышкой 2, изготовленные из диэлектрического материала, и с патрубками 3, 4, 5, 6, соответственно, для ввода воды и сырьевого углеводородного газа и вывода воды и газообразных продуктов реакции. Камера 1 заполнена водой, в которой размещен многоискровой разрядник, полностью погруженный в воду. Многоискровой разрядник выполнен в виде цилиндрической трубки 7 из диэлектрического материала, на поверхности которой, охватывая ее размещены, по меньшей мере, два электрода 8, в виде «U»-образных цилиндрических металлических колец, которые подключены к генератору высоковольтных импульсов 9. На стенках цилиндрической трубки 7 выполнены перфорационные отверстия 10. Число кольцеобразных электродов может варьироваться в зависимости от желаемой производительности и мощности источника питания для генератора и при наличии в более двух электродов последние размещают на равном расстоянии друг от друга, при этом генератор подключен к крайним торцевым электродам.
Устройство работает следующим образом.
Через реакционную камеру 1, до ее заполнения водой, через патрубок 4 пропускают газ, при этом патрубки 3 и 5 перекрыты, патрубок 6 открыт. Через патрубок 3 производят заполнение реакционной камеры 1 водой, так что многоискровой разрядник оказывается полностью погруженным в воду. Включают генератор 9 и подают высоковольтные импульсы к крайним электродам 8 многоискрового разрядника. При пропускании углеводородного газа через устройство происходит генерирование разряда во время барботажа газа, причем образующиеся частицы мелкодисперсного углерода остаются в водной фазе, а газообразные продукты отбираются через патрубок 6. При этом в пузырьках углеводородного газа, барботируемого между кольцеобразными электродами 8, формируется импульсно-периодический разряд, который обеспечивает трансформацию углеводородного газа.
Работа предлагаемого устройства иллюстрируется следующим примером.
Плазмообразующий газ СH4 подавали в реакционную камеру 1 объемом 0,4 л, выполненную из оргстекла, многоискровой разрядник был погружен в воду на 1-2 см, скорость прокачки газа составляла 0,5-4,0 л/мин. Параметры генератора: напряжение U=40кВ, длительность импульса 0,5-1,0 мкс, частота следования импульсов 10-100 Гц, энергия накопительного конденсатора 0,4 Дж.
Анализ прошедшего через разрядное устройство газа производился с помощью специальных тест-трубок ИТТИК/В7 (000 "Импульс" С/П) -определялись ацетилен (С2H2, углекислый газ (СO 2), монооксид углерода (СО); ИК-спектрограф "SPECORD-C 2H2" - определялся ацетилен (С2 Н2); и методами газовой хроматографии - определялись метан (CH4), и водород (Н2). Образование других углеводородов не наблюдалось. Результаты по конверсии метана представлены на Фиг.2 и Фиг.3.
Формирование разряда в пузырьках органического газа в водной среде имеет следующие преимущества по сравнению с разрядными системами, реализуемыми в газах при атмосферном давлении:
1. Наличие воды препятствует расширению плазменного канала, повышая тем самым температуру плазмы и ее концентрацию, что приводит к росту конверсии органических газов и повышению выхода ацетилена до 5,7%, а также позволяет обойтись без применения заостренных игольчатых электродов.
2. Нахождение разрядного устройства в воде способствует охлаждению электродов.
3. В разрядных системах, функционирующих в газах при атмосферном давлении, в ходе конверсии на рабочих поверхностях электродов осаждаются частицы углерода, которые препятствуют их стабильной работе. В предлагаемой конструкции разрядная система обеспечивает удаление основной массы углеродных частиц в воду, что обеспечивает стабильную длительную работу разрядной системы.
4. Продукты плазмохимических реакций, образующиеся в разрядном канале в пузырях газа в водной среде, подвергаются более эффективной "закалке" (охлаждению), что повышает степень конверсии газов.
Предлагаемое устройство является простым в изготовлении, не включает дорогостоящего механического и электронного оборудования, обладает низкой электроемкостью. Конструкция разрядного устройства позволяет надежно, стабильно генерировать термодинамически неравновесную плазму в воде.
1. Устройство для конверсии газов в плазме, характеризующееся тем, что оно содержит герметичную реакционную камеру с патрубками для ввода воды и сырьевого углеводородного газа и вывода воды и газообразных продуктов реакции, частично заполненную водой, в которую погружен многоискровой разрядник, выполненный в виде цилиндрической трубки из диэлектрического материала, на поверхности которой, охватывая ее, размещены, по меньшей мере, два электрода в виде U-образных цилиндрических металлических колец, которые подключены к генератору высоковольтных импульсов, при этом стенки цилиндрической трубки между электродами выполнены перфорированными.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при наличии в многоискровом разряднике более двух электродов последние размещены на равном расстоянии друг от друга, а генератор подключен к крайним торцевым электродам.
