CN116171195A - 从烃优化生产氢气 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造含分子氢的出口气体的方法，包括将入口烃气体(1)注入反应器(11)中，使用三相等离子体炬(12)对所述入口气体(1)进行的裂化操作，并且然后输送所述出口气体(3)。从将所述入口气体(1)注入所述反应器(11)中直到输送所述出口气体(3)来进行所述制造，而所述入口气体(1)或所述出口气体(3)都不经历膨胀。

Description

从烃优化生产氢气
技术领域
本发明涉及从烃生产二氢。更具体地，它在能源领域得到应用，并且因此在能量转变中起着至关重要的作用。它还可以有利地应用于发动机单元不直接排放温室气体的氢燃料车辆的燃料补给或工业中。
现有技术水平
在当前背景下，人们对试图应对能源挑战的解决方法非常感兴趣。气候变化、资源匮乏和环境健康风险倍增是需要改变的经济和社会模式的后果。
生态转型是向新的可持续发展模式的改变，其更新消费习惯、生产工艺、共同工作和生活方式，以满足重大环境挑战。
氢气通常被认为是未来的能源。这是无碳燃料的终极形式。然而，其目前的生产伴随着大量的二氧化碳排放，使用甲烷蒸汽重整方法生产的每kg二氢大约为12kg二氧化碳，该方法是重整化石资源——占世界二氢生产的98％——的主要方法。尽管成本低廉，但是这种类型的方法每年向环境排放的二氧化碳总量为7.2亿吨，占全球二氧化碳排放量的2.25％。
已经对许多允许生产低碳氢的方法或装置进行了研究。这些中最著名的是水电解。
水电解是一种需要安装消耗大量电能的装置的方法，并且因此相对昂贵。此外，对通过电解生产的氢气赋予非碳特性需要非碳来源的电力，其使得该方法高度依赖于可再生能源。可再生能源已经在努力替代传统的、污染性的发电方法，并且无论是现在还是不久的将来，都无法满足通过电解生产氢气的日益增长的用电量。
最后，有一种方法克服了上述限制，在不排放二氧化碳的情况下和以比电解低得多的成本生产氢气。这个方法是烃的等离子体裂化。该方法的理论耗电量等于生产5.27kWh/kg的二氢，对比水电解生产39.4kWh/kg的二氢。
烃等离子体裂化是现有技术中已知的方法。然而，应当注意，到目前为止，该方法主要用于生产碳产品，并不总是允许氢气作为主要产品和以具有竞争力的成本的生产。
事实上，裂化操作包括将烃分子分解成更小的元素。这个操作的碳产物可以是气态的或部分固态的。
因此，科学和经济问题导致了烃裂化操作在允许生成固态或气态碳产物的装置的实施中的发展，不必寻求利用操作期间形成的氢气。
在实践中，碳产物被保留，而气相中存在的氢气仍然是该方法未利用的副产物。
因此，现有技术证明了一种众所周知的方法，其中等离子体射流裂化烃，以基本上提取炭黑或炔烃或烯烃。
烃的等离子体裂化最终会导致氢以二氢的形式释放。然后，反应释放的氢气被认为是副产品，因为该方法以前专注于碳产品。
为了能够保证氢气作为可用产品，例如在活动性领域，氢气必须在几百巴的压力下进行调节。
因此，现有方法对于氢气的生产不是最佳的。
文献FR2474043A1公开了一种烃裂化方法，使用等离子体炬，以氮气和氧气作为载气，其比例可以在空气中找到。进行裂化以基本上生成碳产物，即产生“炭黑”。
在文献US2016/2296905A1中，公开了通过使用管状电极炬裂化烃，然后以大约1m3/h的每小时工艺气体流速使用迷宫——使碳产物被重力捕集——来分离二氢和碳的方法。这类解决方法的主要目的是生产碳并在运行循环后回收碳。
因此，应注意，在使用烃裂化生产氢气的现有解决方法中，所生产的氢气通常是副产物，即与气相中的其他化学元素混合的副产物，其调节不允许有效操作。
总之，通过等离子体裂化操作生产烃不允许将二氢作为主要产品进行优化生产，并且需要找到改进现有方法和装置的方法和装置。
因此，本发明的目的是提供一种发明，其目的是通过等离子体裂化操作优化和连续生产烃，允许优化和优选连续生产二氢作为主要产物。
本发明的进一步目的、特征和优点将从以下描述和附图中变得明显。应当理解，还可以包括更多的优点。
发明内容
为了实现这一目的，根据一种实施方式，提供了一种用于制造含二氢的出口气体的方法，包括将烃入口气体注入反应器中，通过等离子体炬对入口气体进行裂化操作，以及然后输送出口气体。该方法被配置为使得从将入口气体注入反应器中到输送出口气体来进行生产，而入口气体或出口气体都不经历超过20％的膨胀，用三相电流供应等离子体炬，并且用等离子体进行裂化入口气体的操作，等离子体的载气是包括氢气和/或烃的混合物，所述方法包括在裂化操作下游进行的至少一次分离操作，以将出口气体与固体碳产物分离，在分离操作下游，在载气中使用部分出口气体。
因此，该方法具有能够在压力下生成二氢的特点，优选具有令人满意的纯度水平，并且因此易于利用。
从通常的方法中众所周知，碳产物可以通过等离子体裂化操作来生产。事实上，这里提供的是可用于将烃转化为二氢的有利优化方法。
转化优选在加压的反应器内通过等离子体裂化操作进行。气态的烃优选在压力下注入进行裂化操作的反应器中。
在反应器的出口处，有利地在未经历膨胀的情况下输送二氢，即气相未经历膨胀。
该方法具有烃等离子体裂化的特征，但裂化优选在压力下进行以获得此后可能的最可利用的二氢。
因此，建议考虑将氢气作为反应的主要产物。根据一种实施例，装置出口处的氢气的压力大于或等于反应器入口处的压力，或者不超过20％的损失，因为它通过了防止压力变化的装置。
有利地，反应器出口处的二氢在压力下被包含在气相中，这使得可以最小化装置出口处额外的加压步骤。因此，装置出口处的二氢更容易被利用，例如，它可以被优化为用作改装车辆的燃料气体。
事实上，当在已经很高的压力下(优选高于4巴)进行时，使氢气达到操作压力(诸如氢燃料车辆中使用的压力)的加压步骤通常不那么复杂，也不那么昂贵。
在文献FR2474043A1中，公开了烃等离子体裂化操作，该操作允许伴随着气体排放的碳产物的提取。这种气体排放没有被利用，因为它只是一种副产物，其特别可能由污染物质组成。此外，该文献似乎没有规定任何氢气生产。申请人指出，与直觉相反的是，加压的最前面的巴是最昂贵的。事实上，为了将氢气从大气压压缩到20巴，所需的能量与从20巴转换到350巴的能量相当。具体而言，将氢气从1巴压缩到20巴所需的理论能量等于5.31MJ/kg的二氢。对于从20巴转换到350巴，该能量等于4.96MJ/kg的氢气。另一方面，将甲烷从1巴压缩到20巴所需的理论能量等于0.61MJ/kg的甲烷。因此，即使要压缩的甲烷的质量流量是裂化方法中氢气的质量流速的四倍，上游甲烷的压缩也需要小于压缩下游氢气所需能量的一半。然而，从方法的角度来看，压缩甲烷所需的能量可以是免费的，因为天然气供应商可以保证上至42巴的最小连接压力，而无需额外费用。
此外，在压力下的操作允许工厂紧凑，以及设备尺寸减小，从而减少通过墙壁的热损失。
虽然传统技术建议使用如US2016/296905A1中的单相DC炬，但是在此有利地使用三相炬。这种等离子体炬技术特别适用于通过烃裂化生产二氢。事实上，裂化反应需要超过一秒的停留时间以获得相当高的氢气生产产率。与已知的用于高速等离子体射流的DC和管电极等离子体炬技术不同，三相等离子体炬具有在小于2m/s、优选小于1m/s(如果需要，大约1m/s或更小)的非常低的气体速度下操作的能力。因此，这使得三相等离子体炬适于管理和控制停留时间，并因此管理和控制裂化反应的产率。其直接结果是，对于相等的停留时间，与连接到DC等离子体炬的反应器相比，反应器的长度缩短。这样后热损失将降低。
另一方面，直流和管状电极技术不允许连续操作，因为它们需要在被腐蚀后关闭设备以替换电极。事实上，在管状结构的操作期间替换电极是非常复杂的。
使用三相技术进行加压裂化操作的另一个固有优势在于，与具有管状电极的直流技术相比，等离子气体的水头损失非常低，该技术涉及数巴的水头损失，这使得从4巴开始的裂化操作对该技术不具吸引力，因为其使用会导致入口压力大幅下降。
根据本发明的优选的可能性，通过使用专利WO 2020229408A1中描述的重新装填系统，连续地进行氢气制造，特别是不停止生产以更新电极。
裂化反应可以保持在那里，从出口气体返回载气回路，形成循环组件。通过这样的循环，并且在保持工作气体体积的情况下，申请人已经注意到非常好的产率，这导致在出口处在压力下获得氢气(因此不一定意味着随后的压缩，或者通过限制能量影响)，并且减少了炬的电消耗。
部分出口气体作为载气的重新注入与三相炬协同作用以控制裂化反应，只要该重新注入能够在裂化后重新引入残余烃，应记住，烃的体积潜热比氢气型轻载气更高，其包含反应器中的温度升高。
另一方面涉及用于制备含二氢的出口气体的装置，其包括用于将烃入口气体注入反应器中的管线，反应器包括被配置为产生裂化入口气体操作的等离子体炬，和输送出口气体的管线，装置被配置为使得入口气体从被注入到反应器中转变为作为出口气体返回，而不经历大于20％的膨胀，等离子体炬用三相电流供应，并且装置被配置为使得裂化入口气体的操作用等离子体进行，等离子体的载气是包括氢气和/或烃的混合物，装置包括位于反应器下游并且被配置为允许将气体混合物在反应器出口处分离成出口气体和固体碳产物的分离器，装置被配置为使得部分出口气体被重新注入载气中。
然而，应当指出，在实践中，不经历膨胀的方面可以容忍来自装置的元件之一(诸如反应器、过滤器或分离器)的进入气体和排出气体之间的相对压力的可察觉的下降。
然而，还应当指出，关于离开装置的所述元件的气体的压力，该膨胀不超过相对于进入气体的压力的20％的压力下降。
根据另一个可分离的方面，提供了用于制造含二氢的出口气体的装置和方法，使得至少在反应器出口处由裂化产生的基于二氢的气体的压力大于4巴，并且优选大于或等于5巴。
优选地、替代地或附加地，该反应器出口处的压力大于或等于进入反应器的入口气体的压力。
附图说明
通过对本发明的一个实施方式的详细描述，本发明的目标、目的、特征和优点将更加明显，该实施方式由以下附图说明，其中：
图1表示本发明的装置的简化技术图。
图2表示图1所示装置的技术图的替代方案。
附图和图表总是以实例的方式给出，并且不限制本发明。它们是原理的表示，以便于理解本发明，并且不一定是在实际应用的规模上。
具体实施方式
在开始对本发明的实施方式进行详细审查之前，以下列出了可选择的特征，这些特征可以组合使用或替代使用：
根据一个实施例，入口气体1的注入在大于或等于4巴的注入压力p2下进行。
根据一种实施方式，这使得可以预期所产生的氢气的再生。事实上，一旦入口气体1被注入到反应器11中，裂化操作就有利地在至少对应于输送压力p3的注入压力p2下进行。
因此，裂化操作可以有利地使用加压反应物进行。事实上，向反应器11中注入含有烃的加压气体混合物使得可以预期产物的最终加压。
结果，在裂化操作之前达到的压力水平优选至少等于4巴，并且在方法结束时获得氢气之前不会降低。在至少4巴的压力下注入入口气体1使所需产物(即氢气)的再生最大化，因为H2的加压对于其可利用性是最终必要的。
根据一个实施例，装置内可进行裂化操作的最低温度为1200℃。
根据一个实施例，该方法包括在注入反应器11的上游压缩至注入压力p2。
根据一种实施方式，这使得可以保证上述技术效果，即以注入压力p2将包含烃的入口气体1注入反应器11中，可以选择注入压力p2的值以优化方法的正确操作。
事实上，压缩最终允许入口气体1的压力从进气压力p1升高到注入压力p2。
根据一个实施例，裂化入口气体1的操作用等离子体进行，该等离子体的载气2是氢气和烃的混合物。
根据一个实施例，在方法开始时，可以使用氢气原料作为等离子体的载气。
因此，烃的注入可以有利地开始，并且可以开始再循环反应器中产生的气体以供给等离子体。然后可以停止氢气的初始供应。
根据上述实施例，应注意，用于启动的氢气没有损失，但有利地作为该方法的产物回收。因此，在没有外部氢气供应的情况下，可以回收一些产生的氢气以重新启动方法。
这使得可以提高生产产率，并且优选不排放二氧化碳。事实上，使用包括比例与环境空气中的比例相同的氮气和氧气的气体混合物作为载气2的裂化操作，可能会释放二氧化碳或产生有毒物质，诸如氰化物。
根据一个实施例，该方法包括在裂化操作下游进行的至少一个分离操作，以将出口气体3与固体碳产物4分离。
分离操作可能在产品的制造中起主要作用，特别是对于从气相中分离固相。事实上，烃的等离子体裂化可导致生成固体形式的碳产物4。
事实上，如果碳产物主要是在其固相中获得的，那么裂化生产氢气的操作就更加明智。
因此，由于可以例如通过使用颗粒过滤器来进行固相和气相的分离，因此有利于二氢的纯化。因此，剩余的气相更集中在氢气中。这使得更容易达到更高的氢气纯度水平。
根据一个实施例，在分离过程的下游，在载气2中使用部分出口气体3。
根据一个实施例，由于所使用的载气2是烃和氢气的混合物，所以其在反应器11的出口处的存在有利地允许其作为载气2重新注入。
事实上，将烃和氢气的混合物作为载气重新注入有助于优化本发明的材料产率，其中根据一个实施例，在裂化操作之后以气态形式残留的烃可以起到载气2的作用。在本发明的情况下，由裂化操作产生的气体混合物优选由氢气和烃组成，并且因此可以作为载气2重新注入，而不必担心二氧化碳的排放。
根据一个实施例，该方法包括在分离操作的下游进行的过滤操作，以产生具有比出口气体3更高的二氢浓度的纯化的出口气体6。
该过滤操作优选地允许最后剩余的烃分子与期望的二氢分离。事实上，在分离操作之后，气相和固相可以很好地和真正地分离，然而，在气相中，建议考虑烃的存在，以及少量的其他化学元素诸如氮、二氧化碳、氦、或硫化氢(H2S)的存在，其可有利地通过过滤器10或在注入反应器8的上游过滤。
因此，过滤操作有助于优化所需产物，即加压二氢，优选具有尽可能高的纯度程度。
根据一个实施例，纯化的出口气体6被储存在一个大于或等于注入压力p2的输送压力p3，优选严格大于注入压力p2。
这允许在压力下有利地积累二氢，而不用担心产物的损失或耗散。事实上，所产生的氢气可能需要储存容器15，氢气可以在该储存容器中储存，然后优选重新分配，以允许其工业或商业开发。
根据一个实施例，输送压力p3大于或等于4巴。
例如，这使得以更容易利用的压力获取和储存产品成为可能。事实上，当气体处于低输送压力p3时，气体的压力升高实施起来更加复杂。
根据一个实施例，关于纯化的出口气体6，过滤操作产生烃气体，其被重新注入等离子体反应器11中。
优选地，关于纯化的出口气体6，过滤操作产生烃气体，其与载气重新注入。
这可能增加材料产率并有利地限制氢气损失。事实上，在过滤操作结束时，可能留下烃残余物，然后它们可以重新注入反应器11中，从而可以在其中进行新的提取操作。
根据一个实施例，入口气体1是CH4。
根据一个实施例，部分固体碳产物4被输送和储存。
根据一个实施例，用三相电流供应等离子体炬12。
根据一个实施例，借助于使用设置有连续电极供应系统5的等离子体炬12连续地进行裂化操作。
根据一个实施例，用于载气的部分出口气体包括CH4。
根据一个实施例，使用等离子体炬，该等离子体炬连续地用电极供应，优选地防止反应器内的压力变化，并且不停止制造出口气体。
根据另一实施方式，该装置被配置为使得注入管线13包括多个开口到反应器11中并且相对于反应器11中的载气流2的方向以不同的和径向方向定向的注入孔。
这允许烃入口气体1在压力下最佳地分布在反应器11中。事实上，根据一个实施例，以这种方式，使用环形注入系统将具有确保入口气体1在反应器11中，在等离子体状态下的载气中，良好渗透的功能。
根据另一实施方式，本发明涉及一种装置，该装置包括用于放置在注入管线13上的入口气体1的入口压缩机7。
这确保入口气体1以注入压力p2注入反应器11中。
事实上，入口压缩机7允许入口气体1的压力从进气压力p1升高到注入压力p2。
根据另一种实施方式，其中等离子体炬12包括电极5的装置以这样的方式被配置为具有活性电极，该活性电极通过电极的连续和依次的供应而在反应器11中运行，并且防止反应器11中的压力变化。因此，在穿过反应器11的壁的活性电极周围没有压力损失。
这允许进行压力裂化操作。事实上，反应器11被配置为包括电极5，该电极5可以允许在压力下裂化，这使得可以预期产物可能的第二次压缩。因此，在裂化操作之前达到的压力水平不会降低到最终产品。
根据另一种实施方式，该装置防止从反应器11中的注入管线13的压力变化，直到其从出口气体3返回。
这使得有可能在转化中在压力下至少保持气相而不必经历膨胀。
事实上，该装置的密封性优选地允许在压力下裂化并保持氢气而不膨胀。
根据另一种实施方式，该装置包括储存元件15的下游或上游的出口压缩机8，从输送压力p3直到操作压力p4。
这可以允许所产生的氢气被包含并随后使用。
根据一种特定实施方式，至少部分固体碳产物4被输送和储存。
这也优化了转化的产率，并增加了碳产物4(即固态的碳)的生成，以生产氢气。事实上，在一种实施方式中，等离子体裂化操作允许从烃优化生产固体碳。
有利地，氢气生产伴随着固体碳副产物，其不影响每kg氢气的能量产率。因此，用于氢气生产的裂化操作可以在1200℃以上的温度下进行。
只要避免升高到高温，裂化操作优选是节能的。
进一步，例如，炭黑类型生产需要高温，优选大约2000℃，这降低了每kg氢气的方法能量平衡。
优选地，用三相电流供应等离子体炬12。
事实上，通过使用例如三相等离子体炬技术12以氢气和烃的混合物作为载气2供热，本发明于是具有必要的能量配置以在压力下进行烃的裂化。
事实上，三相等离子体炬技术特别适合于这种氢气生产方法，因为它具有以相当低的载气速度运行的能力，这允许增加停留时间并优化氢气生产。
根据一种特定实施方式，裂化操作连续进行。
事实上，借助于使用配备有连续电极供应系统5的等离子体炬12，用于生产氢气的烃裂化有利地连续操作。
根据一种特定实施方式，该装置被配置为使得入口气体1的裂化在注入压力p2下发生，并且然后通过防止压力变化的元件。
因此，根据一种实施方式，反应物在压力下的循环对于配备有等离子体电弧炬的装置是有益的。
这是因为装置中的压力升高可以以相等的功率将电弧驱动到电压大于或等于与大气压下的操作相关的电压的操作点。
因此，根据该实施例，在压力下的工作电流在等功率下比在大气压下低。
根据一种特定实施方式，该装置被配置为：
-其中部分固体碳产物4被输送并储存在碳产物4保存专用的储存元件内。
-其中用三相电流供应等离子体炬12。
-其中借助于使用配备有连续电极供应系统5的等离子体炬12连续地进行裂化操作。
根据一种特定实施方式，该装置被配置为注入管线13包括多个注入孔，其相对于反应器11中的载气2的流动方向沿不同的且径向方向定向。
根据一种特定实施方式，该装置配置有放置在注入管线13上的入口气体1的入口压缩机7。
根据一种特定实施方式，该装置被配置为等离子体炬12包括电极5，电极5被配置为连续供给防止反应器11内的压力变化。
根据一种特定实施方式，该装置被配置为防止从注入管线13到反应器11中的压力变化，直到其从出口气体3返回。
根据一种特定实施方式，该装置被配置为，其包括储存元件15的下游或上游的出口压缩机8，从出口气体3的输送压力p3到操作压力p4，被配置以升高出口气体3的压力，从输送压力p3到操作压力p4。指出在本发明的范围内，术语“氢气”被反复用作该方法靶向的产物，并且可以包括同义的术语“二氢”，该术语意指在装置提供的温度和压力条件下可以气态存在的元素氢的分子形式。
此外，应指出，方法和装置中使用的“烃”优选是甲烷，被称为“CH4”。在本发明的范围内，其还可以是包括烃或主要包含CH4的混合物的裂化甲烷或生物甲烷气的实施。
因此，根据一个实施例，入口气体1由烃组成，在字面意义上，烃基本上由碳原子和氢原子组成。
应在本发明的方法和装置中涉及的反应物和产物的不同物理状态之间进行区分。
还应指出，术语“碳产物”区别于反应物，作为包括大多数碳原子的裂化反应的产物。
例如，可以在“气相”和“固相”之间进行区分，“气相”对应于在装置内以气态从进气到输送循环的任何反应物或产物，而“固相”，例如是通过固态的碳产物存在。
本发明的目的是制造基本上由气态的氢组成的产品。因此，应特别关注以气态形式存在的化学元素。
据指出，在本发明的范围内，术语“入口气体”1包括在方法开始时进入的气相。因此，应考虑在裂化操作之前，优选入口气体1是考虑的唯一气相。
优选地，入口气体可延伸至任何气态或可转化为气态——例如从液态，特别是通过喷雾——的烃。
据指出，在本发明的范围内，术语“载气”2——其可以包括在反应器11中产生排出所需的气体——也可以称为载气。
此外，在本发明的范围内，应当指出，术语“出口气体”3包括发生裂化操作的反应器11的出口处的气相。因此，有利地存在于装置内的从反应器11的出口到过滤器10的气相被称为出口气体3。
据指出，在本发明的范围内，术语“碳产物”4包括在反应器11的内裂化操作产生的固相。因此，优选生成碳产物4，并且然后在分离器9中进行的分离步骤中与气相分离。
此外，据指出，在本发明的范围内，术语“纯化的出口气体”6包括可能在过滤器10内过滤后的出口气体3。因此，应当认为纯化的出口气体6是在其相对于出口气体3的氢气含量方面优化的气体混合物。
据指出，在本发明的范围内，术语“反应器”11包括在其中进行裂化操作的装置的元件。反应器11被理解为意指能够允许烃裂化的任何元件，优选在转化成等离子体的载气的作用下。
“入口压缩机”7将被理解为意指有利地允许入口气体1的压力从进气压力p1上升到注入压力p2的任何装置。
据指出，在本发明的范围内，术语“出口压缩机”8包括允许出口气体6的压力从输送压力p3上升到操作压力p4的任何装置。
据指出，在本发明的范围内，术语“分离器”9包括用于在反应器11的出口处将包括出口气体3的气相与包括例如碳产物4的固相分离的任何装置元件。
据指出，在本发明的范围内，术语“过滤器”10包括用于将出口气体3纯化成氢气的装置的任何元件。
在本发明的范围内，术语“电极”5包括可以在装置内捕获或释放电子的任何导电元件。
术语“储存元件”15应理解为在方法结束时用于包含、保存或封闭出口气体3或纯化的出口气体6的任何元件。
术语“等离子体炬”包括可以通过吹气体，例如，通过非常能量密集的电弧而有利地部分电离气体的任何元件。
术语“等离子体炬”也可包括感应等离子体炬。
据指出，在本发明的范围内，根据一种实施方式，术语“进气压力p1”涉及将气体引入装置的压力。
据指出，在本发明的范围内，根据一种实施方式，术语“注入压力p2”涉及将入口气体1注入反应器11中的压力。
据指出，在本发明的范围内，根据一种实施方式，术语“输送压力p3”涉及在反应器11的出口处输送出口气体3的压力。
据指出，在本发明的范围内，根据一种实施方式，术语“操作压力p4”涉及在储存元件15内储存出口气体3的压力。
本发明涉及用于将气态烃转化成气态氢的装置。该转化具有气相不膨胀的特征，换句话说，进入的反应物到排出的产物不膨胀。
根据一种可能性，没有膨胀是部分转化管线，特别是在进行裂化的反应器11处，和随后在二氢输送管线14中的密封性的结果。因此，保存了注入压力p2。术语“无膨胀”、“无压力损失”和“紧密”被理解为能够允许轻微的压降(最多20％)或一些泄漏，这是由于例如某些连接的密封性限制，或者等离子体炬12的活性电极穿过反应器11的壁的区域。这些轻微的压降也可能由于分离器9或过滤器10中不可避免的水头损失而发生。
根据一种实施方式，注入压力p2可能与输送压力p3略有不同，使得p2高于p3。
事实上，为了使入口气体1最佳地穿透反应器11，入口气体1可能优选需要调节到高于反应器11内存在的压力的注入压力p2。
通常，术语“无膨胀”或“无压力损失”在实践中可以允许轻微膨胀，但相对于注入压力p2不超过20％的压降。
因此，关注气体压力而不是固体元素是合适的。
在本发明的范围内，入口气体1以进气压力p1进入，并且然后优选在入口压缩机7中加压，入口压缩机7被理解为用于升高气体压力的任何装置。入口压缩机7可以有利地是机械的或液压的。
入口气体1以高于进气压力p1的注入压力p2离开入口压缩机7。
入口气体1包括并且优选由在反应器11内在压力下经历裂化操作的烃组成。
在注入压力p2下将入口气体1注入反应器11中。
注入可以经由多个开口到反应器11中并且相对于反应器11中的载气流方向2以不同的和径向方向定向的注入孔进行。
因此，在反应器11处集成环形注入确保了CH4或其他入口气体1更好地渗透到等离子体状态相中，其中粘度可以高于低温气体的粘度。
可选地，该操作可能需要足够的注入动能，以允许等离子体穿透到反应器11中，并在等离子体状态调节烃和载气2之间的混合物。
事实上，在高压下，气体的粘度增加，这使得混合物的均质化更加困难。环形注入主要使得可能改善流动的结构，并且从而控制其中的湍流，特别是如果注入孔轴向对称。
因此，根据一种实施方式，借助于使用配备有连续电极供应系统5的等离子体炬12进行烃裂化方法。
特别地，该装置可以在反应器11外部配备电极供应装置。
后者可以包括用于储存等待使用的多个备用电极5的库。在该实施方式中，供应装置还具有用于从反应器11外部降低活性电极的构件，使得活性电极浸入反应器11的内部体积中，并且随着其磨损而逐渐下降。当其几乎磨损时，活性电极被备用电极之一替换。
这种替换可以通过将活性电极的外端与备用电极的下端连接来完成，从而形成连续的组件，备用电极最终在反应器11中向下移动期间替换活性电极。
裂化操作在反应器11内进行而没有压力损失，从而通过装置的密封性将注入压力p2保持在最大值。
根据一种实施方式，使用三相等离子体炬技术12进行裂化操作，用氢气和烃的混合物作为载气2用于供热。
根据一个实施例，对于12kg/h的生产能力，将需要为装置提供大约120kW的功率。
根据一个实施例，对于在1巴的等离子体炬的操作，应提供500V的电压供应和150A的电流供应。
在一个实施例中，对于20巴等离子体炬的操作，应提供1500V的电压供应和50A的电流供应。
因此，等离子体裂化操作允许例如非均相混合物内出口气体3和固体碳产物4的分离。
产生非均相混合物，并且然后有利地在分离器9内经历分离步骤，出口气体3和碳产物4在分离器9被分开。这种分离可以通过重力实现。
因此，例如，可以回收固体碳产物4或出口气体3，该出口气体3由包括氢气和烃残余物的气体混合物组成，如果后者不完全，则烃残余物可能在裂化操作后残留。
根据一个实施例，在相分解步骤之后，包括且通常包括氢气和未裂化的烃的剩余物的部分气体混合物用作等离子体炬的载气2的至少一部分，其在反应器11中的循环产生等离子体。该部分气体混合物可以有利地与例如CH4混合。
事实上，作为用于等离子体的载气2的出口气体3的再循环可以使得：
-避免使用其他载气，诸如氮气或空气，这可以防止例如氢气污染或HCN的产生；
-回收反应气体中所含的部分能量，具有能量优化的目的；
-裂化等离子体炬12的排出区域内的部分烃，并且从而提高裂化效率。
在上述步骤期间，并且根据一种实施方式，碳的石墨化可以发生，即，通过裂化操作有利地解离的碳以石墨状态沉淀，特别是由于装置的压力增加，在装置中反应物循环并且在装置中它们经历转化。
根据一种特定实施方式，制造装置包括位于反应器11下游的再循环管线上的泵送系统16，并且泵送系统16被配置为将部分烃和氢气的混合物从反应器11的出口重新引导到载气注入管线。这补偿了由于过滤系统的水头损失。事实上，炬中产生的部分气体的重新注入需要的压力等于或略高于主注入管线的压力。
根据一种特定实施方式，在反应器11的出口处的用于烃和氢气的混合物的再循环管线被配置为在反应器11内将混合物至少部分地引导至等离子体炬12和/或至少部分地引导。
优选地，如图2所示，该装置包括至少一个第一调节装置17a，其包括位于再循环管线和通向过滤器10的管线之间的反应器11的出口处的交叉点处的调节阀。第一调节装置17a允许调节适于再循环以用作载气2的气体混合物的比例。该装置包括至少一个计算单元，该计算单元能够与至少一个调节阀通讯，并且被配置为分析所述混合物的数据并允许调节的伺服控制。以此方式，该装置允许按比例调节构成循环气体混合物的元素的量，从而优化装置7的效率。
优选地，第一调节装置被配置为调节载气2中甲烷(CH4)的比例。
根据一种特定实施方式，图1和图2中的装置中所示的所有管线可以包括附加的流量调节装置，并且整体可以由单个中央处理单元控制。
所获得的碳产物4可以储存在容器内，用于随后的回收和使用。
关于出口气体3，它将从分离步骤循环到过滤步骤，这将使得可以从未裂化的烃中分离氢气。
因此，过滤器10，其被理解为用于过滤出口气体3的任何元件，能够将出口气体3转化为纯化的出口气体6。后者有利地仅包含氢气，例如纯度水平超过99％。
根据一个实施例，在过滤器10的出口处，可以区分两种气相：
-纯化的出口气体6；
-在输送压力p3下由未裂化的烃和氢气组成的气体混合物；
根据一个实施例，纯化的出口气体6基本上有在输送压力p3下的二氢组成。
根据一个实施例，纯化的出口气体6可以进一步从输送压力p3加压到操作压力p4。
事实上，出口压缩机8优选允许纯化的出口气体6的压力从输送压力p3升高到操作压力p4。
因此，纯化的出口气体6例如在操作压力p4下包含在装置的出口处，在储存元件内。
因此，通常：
-注入压力p2大于或等于进气压力p1。举例来说，它至少可以高四倍。
-输送压力p3大于或等于注入压力p2。
-操作压力p4大于或等于输送压力p3。举例来说，它至少可以高十倍。进一步或替代地，操作压力p4可以高于200巴或甚至300巴。
因此，根据该实施例，在整个二氢生产步骤中，该方法在气相不膨胀的情况下进行。
根据一种实施方式，在输送压力p3下，由过滤步骤产生的由烃和氢气组成的部分气体混合物在反应器11的入口处重新引入。
这允许烃在装置中再循环，并且从而优化所述装置的效率。
烃的重新注入可在设施的上游压缩机之前或之后进行(如果存在)。优选地，烃的重新注入可以在载气中进行。
根据一种特定实施方式，用于将反应器11下游出口气体3与碳产物4分离的分离器9包括或甚至是过滤器，优选是缓冲过滤器，其包括真空密封的法兰连接并具有电抛光表面，以更好地处理纳米级(10-9-10-7米)的元素。进一步，根据同一实施例，分离器9被配置为能够承受至少200℃的温度。因此，该过滤系统允许连续操作，优选具有回收碳粉的可能性，而无需用气闸系统关机。
根据一种特定实施方式，该装置包括分离器9上游和反应器11下游的换热器15。该换热器15可以是气体-气体交换器，其中新鲜气体可以是入口气体1的至少一部分和/或离开入口压缩机7的气体的至少一部分。因此，换热器15允许入口气体1至少部分地从离开反应器11的气体混合物中回收热量。
事实上，这允许离开反应器11的气体混合物的温度在其进入分离器9之前降低，从而避免对装置的损坏，而不管反应器11中的反应产率如何。此外，换热器15通过从离开反应器11的气体混合物中回收部分废热，通过将其转移到最初可能处于环境温度的入口气体1，来提高方法的能量效率。换热器15被配置为不引起大于或等于20％的压降。
根据一个实施例，对于从甲烷的8kg/h至16kg/h的二氢生产能力，需要为装置提供大约80至160kW的功率。该生产能力对应于大约30至70kg/h的甲烷(CH4)的质量流量。等离子体裂化操作的灵活性允许其在较低的功率水平下操作，即至少20％的等离子体功率，这对应于10kg/h的最小甲烷流速，相当于15Nm3/h。
根据一个实施例，二氢生产能力可以乘以系数，例如乘以10或乘以100，并对所有设备进行缩放，而生产能力的这种缩放不必与设施尺寸的缩放成线性。有利地，所有流速和/或功率值可以相应地和成比例地适应生产能力。
根据一种特定实施方式，在分离器9的出口处，在朝向反应器11的气体混合物的再循环管线的水平，大约50％的包含高百分比的氢气的气体混合物能够朝向反应器11再循环。
此外，该装置被配置为允许烃流，优选甲烷(CH4)被供给到所述再循环管线或等离子体炬12。
根据一种特定实施方式，整个载气2包括至少部分入口气体1和/或至少部分出口气体3。
优选地，整个载气2仅包括部分入口气体1和/或部分出口气体3。
来自入口气体1的流速优选在8kg/h和16kg/h之间，优选在10kg/h和14kg/h之间并且优选上至12kg/h，并且有利地在压缩机7中经受了压缩。这种额外的甲烷流使得可以在相同功率下降低等离子体气体或载气的温度。例如，在相同的温度和体积流速下，甲烷具有比氢气更高的体积热容，并且因此可以包含更多的能量。
本发明不限于先前描述的实施方式，并且扩展到权利要求所覆盖的所有实施方式。
参考数字列表
1.入口气体
2.载气
3.出口气体
4.碳产物
5.电极
6.纯化的出口气体
7.入口压缩机
8.出口压缩机
9.分离器
10.过滤器
11.反应器
12.等离子体炬
13.注入管线
14.输送管线
15.换热器
16.泵送系统
17a.第一调节装置
17b.第二调节装置
15.储存元件
p1.进气压力
p2.注入压力
p3.输送压力
p4.操作压力。

Claims (19)

1.一种用于制造含二氢的出口气体(3)的方法，包括将烃入口气体(1)注入具有等离子体炬(12)的反应器(11)中，用所述等离子体炬(12)裂化所述入口气体(1)的操作，并且然后输送所述出口气体(3)，其特征在于从将所述入口气体(1)注入所述反应器(11)中到输送所述出口气体(3)进行所述制造，而所述入口气体(1)或所述出口气体(3)都不经历大于20％的膨胀，用三相电流供应所述等离子体炬(12)，并且用等离子体进行裂化所述入口气体(1)的操作，所述等离子体的载气(2)是包括氢气和/或烃的混合物，所述方法包括在裂化操作下游进行的至少一次分离操作，以将所述出口气体(3)与固体碳产物(4)分离，在分离操作下游，在所述载气(2)中使用部分所述出口气体(3)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述入口气体(1)的注入在大于或等于4巴的注入压力(p2)下进行。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在注入所述反应器(11)的上游压缩至注入压力(p2)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在所述分离操作的下游进行的过滤操作，以产生具有比所述出口气体(3)更高的二氢浓度的纯化的出口气体(6)。
5.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述纯化的出口气体(6)以大于或等于所述注入压力(p2)的操作压力(p4)储存。
6.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述纯化的出口气体(6)以严格高于所述注入压力(p2)的操作压力(p4)储存。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，除了所述纯化的出口气体(6)之外，所述过滤操作产生烃气体，其被重新注入所述反应器(11)中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述入口气体(1)是CH4。
9.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述载气(2)中使用的部分所述出口气体(3)包括CH4。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用等离子体炬(12)，在不停止制造所述出口气体(3)的情况下，该等离子体炬(12)连续地用电极(5)供应，以防止所述反应器(11)内的压力变化。
11.一种用于制造含二氢的出口气体(3)的装置，包括用于将烃入口气体(1)注入反应器(11)的注入管线(13)，反应器(11)包括被配置为产生所述入口气体(1)的裂化操作的等离子体炬(12)和用于出口气体(3)的输送管线(14)，所述装置被配置为使得所述入口气体(1)从其注入到所述反应器(11)中转变，直到其作为出口气体(3)返回，而不经历大于20％的膨胀，所述等离子体炬(12)用三相电流供应，并且所述装置被配置为使得裂化所述入口气体(1)的操作用等离子体进行，等离子体的载气(2)是包括氢气和/或烃的混合物，所述装置包括分离器(9)，所述分离器(9)位于所述反应器(11)下游并且被配置为允许将气体混合物在所述反应器(11)的出口处分离成出口气体(3)和固体碳产物(4)，并且使得部分所述出口气体(3)被重新注入所述载气(2)中。
12.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述注入管线(13)包括多个注入孔，其相对于所述反应器(11)中的载气(2)的流动方向以不同的和径向方向定向。
13.根据前述两项权利要求中任一项所述的装置，包括放置在所述注入管线(13)上的所述入口气体(1)的入口压缩机(7)。
14.根据前述三项权利要求中任一项所述的装置，其中，所述等离子体炬(12)包括电极(5)，所述电极(5)被配置为连续供给并防止反应器(11)内的压力变化。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，所述装置防止从所述注入管线(13)，到所述反应器(11)中的压力变化，直到其从所述出口气体(3)返回。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，包括储存元件(15)的下游或上游的出口压缩机(8)，被配置为将所述出口气体(3)的压力从输送压力(p3)升高到操作压力(p4)。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的装置，包括部分所述出口气体(3)的再循环管线上的泵送系统(16)。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的装置，包括在所述分离器(9)的上游和所述反应器(11)的下游的换热器(15)。
19.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述换热器(15)是气体-气体交换器，其中，新鲜气体是所述入口气体(1)的至少一部分。
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