ES2350467T3 - Método de producir hidrógeno y carbono con un catalizador de negro de carbono. - Google Patents

Método de producir hidrógeno y carbono con un catalizador de negro de carbono. Download PDF

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Abstract

Un método de producir hidrógeno y carbono por pirólisis de un gas orgánico (1) que utiliza carbono en polvo (5) como un catalizador para precipitación de carbono, incluyendo estimular la precipitación de carbono guiando el gas (1) a través de una cámara de reacción calentada (3) donde las moléculas de carbono procedentes del gas se pueden unir a las partículas catalíticas (5) produciendo el crecimiento de éstas a un tamaño preestablecido que puede ser mecánicamente atrapado, caracterizado por guiar el gas que sale de la cámara de reacción a una cámara de separación (7) incluyendo un filtro de membrana (8) para producir una fracción de permeato y una fracción de retentato; y haciendo volver dicha fracción de retentato al lado de entrada de la cámara de reacción.

Description

La invención incluye un método, dispositivo y aplicación de producción energéticamente eficiente de hidrógeno y carbono por pirólisis en base a gas natural, metano u otros gases orgánicos como materia prima. La presente invención proporciona un método de producir hidrógeno y carbono como se expone en la reivindicación 1. También proporciona un aparato para producir hidrógeno y carbono como se expone en la reivindicación 5. El método para precipitación de carbono sólido usa carbono en polvo finamente distribuido como catalizador para el proceso de precipitación. Moléculas de carbono procedentes del gas se unen a las partículas catalíticas produciendo el crecimiento de éstas a un tamaño atrapable. El material catalítico es regenerado por el suministro continuo de carbono finamente triturado del proceso.
El dispositivo está diseñado como una cámara de reacción termoaislada con espacio para el material catalítico. La temperatura en la zona de reacción es controlada por medio de la energía suministrada. También puede tener lugar calentamiento usando fuentes de calor alternativas, y, por lo tanto, el sistema puede usar el calor excedente de procesos a alta temperatura como fuente de energía para todo o para partes del proceso. El dispositivo presenta buena eficiencia a un rango de temperatura de 400°C a 2000°C. La tasa de reacción y la pureza de los productos finales pueden ser controladas por optimización de la presión y la temperatura.
Además, la invención cubre la aplicación de sistemas de pirólisis compactos para uso en vehículos, para preprocesado de gases conteniendo hidrocarbonos y para producción de combustible para pilas de combustible polimérico. Las pilas de combustible utilizan hidrógeno como combustible y generan potencia eléctrica para propulsión del vehículo. Tanto el sistema de pirólisis como las pilas de combustible pueden ser diseñados de forma compacta para montaje en vehículos ordinarios.
El dispositivo y método es especialmente adecuado en entornos con limitado suministro de hidrógeno y oxígeno, pero con buenos suministros de energía. Un ejemplo de tales entornos son los vehículos y unidades que operan fuera de la atmósfera terrestre.
El carbono químicamente limpio (negro de carbón) ha sido un producto industrial importante durante muchos años. Se usan grandes cantidades en la producción de neumáticos para automóviles. El material también se usa en productos de pintura, en lubricantes y en productos médicos. Se han desarrollado varios métodos para la producción de carbono de gases de hidrocarbono durante un período de años. La fraccionación de carbono y hidrógeno de dichos gases centra actualmente la atención por razones medioambientales en conexión con la producción de potencia eléctrica a base de gas natural. También la industria espacial tiene interés en la producción de hidrógeno como parte de la producción de agua en viajes/estaciones espaciales tripulados.
Un método conocido para fraccionación de hidrocarbonos es el uso de arco de plasma. Este método se describe en la Patente de Estados Unidos número 5.527.518. Otro método se describe en la Patente de Estados Unidos número
4.631.180. Ambos métodos implican combustión y utilizan oxígeno en la producción.
Un método para fraccionar hidrocarbonos se describe en la Patente de Estados Unidos número 5.198.084. Este método se usa para gasificación de material conteniendo carbono, y el gas es calentado por medio de tecnología de microondas en el denominado reactor de plasma.
Los métodos indicados para fraccionación de hidrógeno y carbono a partir de hidrocarbonos utilizan diferentes procesos de calentamiento y combustión en atmósferas con insuficiente suministro de oxígeno. El método según la invención difiere significativamente de estas técnicas porque utiliza carbono en polvo como catalizador para la fraccionación de hidrocarbonos en un entorno sin oxígeno.
Una patente DD 118263 por la que se caracteriza la invención, describe un método para pirólisis donde las partículas de carbono se usan como catalizador. Las partículas son pasadas a través de un gas conteniendo hidrógeno que se calienta a una temperatura de 1000°C1800°C. La invención difiere significativamente de ella por el hecho de que el dispositivo y el método se basan en partículas de carbono estacionarias contenidas en una cámara de reacción compacta. Esto hace posible producir un sistema mucho más compacto en comparación con sistemas con partículas móviles o deposición de carbono en superficies. Además, el nuevo método es significativamente más eficiente energéticamente porque el proceso de pirólisis opera a temperatura inferior a 400°C.
El método y el dispositivo según la invención se han de usar en un sistema de proceso para la producción de hidrógeno y carbono en base a gas natural, metano u otros gases orgánicos como materia prima. Una realización preferida de la presente invención se describirá ahora con referencia al diagrama esquemático de la figura 1. Gas
(1)
conteniendo hidrocarbonos es guiado a través de un filtro (2) a una cámara de reacción termoaislada (3) y calentado por medio de bobinas calefactoras eléctricas o calor excedente de otros procesos a alta temperatura. La temperatura en la cámara de reacción (3) recibe un gradiente creciente en la dirección de flujo (de abajo arriba) desde 300 a un máximo de 2000°C. La cámara de reacción (3) contiene carbono en polvo finamente distribuido
(5)
que actúa como catalizador para la recogida de carbono sólido del gas. Las moléculas de carbono en el gas ca
lentado se unen al carbono en polvo (5) en una forma que hace que las partículas catalíticas crezcan. Las partículas de carbono que crecen son atrapadas por medio de un sistema mecánico (por ejemplo una centrífuga) en las partes inferiores de la cámara de reacción (6), cuando el tamaño de grano llega a un cierto nivel. El contenido de carbono en el gas recibe un gradiente decreciente hacia arriba en la cámara de reacción (3), y el gas contiene principalmente hidrógeno en la parte superior (12). El gas enriquecido con hidrógeno es guiado a una cámara de separación (7), donde partes del gas son separadas a través de un filtro de membrana (8). La fracción de permeato del gas (9) puede ser optimizada con respecto a la pureza del hidrógeno. Antes del almacenamiento (10), el gas es guiado a través de un filtro (11) para extracción de constituyentes traza. La fracción de retentato del gas
(12)
procedente de la cámara de separación (7) es devuelta al lado de entrada de la cámara de reacción.
De camino al filtro de constituyentes traza (11) el gas procesado (9) pasa a través de un intercambiador de calor (13) para precalentamiento del gas de alimentación (1). El intercambio de calor entre gas procesado y de alimentación induce una reducción de la necesidad de suministro de energía para el sistema.
El atrapamiento de carbono granulado tiene lugar de forma continua en las partes inferiores de la cámara de reacción (6). Cuando las partículas catalíticas crecen y son atrapadas, el sistema necesita suministro de material catalítico nuevo. Según la invención, el material catalítico es producido de forma continua por reciclado, trituración (16) e inyección en la parte superior de la cámara de recepción de una fracción controlada (15) del carbono separado (14). Este proceso de reciclado mantiene un equilibrio óptimo con respecto a la cantidad y distribución de tamaño de las partículas de carbono.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Un método de producir hidrógeno y carbono por pirólisis de un gas orgánico (1) que utiliza carbono en polvo (5) como un catalizador para precipitación de carbono, incluyendo estimular la precipitación de carbono guiando el gas (1) a través de una cámara de reacción calentada (3) donde las moléculas de carbono procedentes del gas se pueden unir a las partículas catalíticas (5) produciendo el crecimiento de éstas a un tamaño preestablecido que puede ser mecánicamente atrapado, caracterizado por guiar el gas que sale de la cámara de reacción a una cámara de separación (7) incluyendo un filtro de membrana (8) para producir una fracción de permeato y una fracción de retentato; y haciendo volver dicha fracción de retentato al lado de entrada de la cámara de reacción.
  2. 2.
    Un método según la reivindicación 1 caracterizado por triturar una cantidad controlada de carbono precipitado (14) y hacer volver el carbono triturado a la cámara de reacción (3) en un proceso continuo para mantenimiento de un equilibrio óptimo con respecto a la cantidad y la distribución de tamaño de las partículas de carbono.
  3. 3.
    Un método según la reivindicación 1 o 2 incluyendo calentar dicha cámara de reacción usando el calor excedente de otro proceso a alta temperatura.
  4. 4.
    Un método según la reivindicación 1, 2 o 3 incluyendo calentar dicha cámara de reacción a una temperatura de entre 400 y 2000°C.
  5. 5.
    Aparato para producir hidrógeno y carbono en un proceso cerrado por pirólisis de un gas orgánico que utiliza carbono en polvo como un catalizador para precipitación de carbono, conteniendo dicho aparato una cámara de reacción térmicamente aislada (3) conteniendo dicho carbono en polvo (5); medios para calentar dicha cámara de reacción y medios para pasar dicho gas a través de la cámara de reacción; caracterizado porque el aparato in
    cluye además una cámara de separación (7) incluyendo un filtro de membrana (8) para separar dicho gas en una fracción de permeato y una fracción de retentato; y medios para hacer volver dicha fracción de retentato al la
    5 do de entrada de la cámara de reacción.
  6. 6. Aparato según la reivindicación 5 incluyendo medios para controlar la temperatura de dicha cámara de reacción.
  7. 7. Aparato según la reivindicación 5 o 6 incluyendo
    10 un intercambiador de calor (13) para transferir calor del gas (9) que sale de dicha cámara de reacción (3) al gas
    (1) que entra en la cámara de reacción.
  8. 8. Aparato según la reivindicación 5, 6 o 7 incluyendo medios (16) para triturar carbono precipitado de la
    15 cámara de reacción (3) y hacer volver una proporción de dicho carbono triturado a la cámara de reacción.
  9. 9. Un vehículo incluyendo una pila de combustible polimérico para generar potencia eléctrica para propulsión del vehículo, caracterizado porque el vehículo in
    20 cluye además un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8 para generar combustible de hidrógeno para dicha pila de combustible.
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