ES2983689T3 - Método y aparato del aguijón de la antorcha - Google Patents

Método y aparato del aguijón de la antorcha Download PDF

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Roscoe W Taylor
Christopher J -P Cardinal
Peter L Johnson
Ned J Hardman
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Abstract

Un aparato de soplete puede comprender uno o más conjuntos de electrodos generadores de plasma y al menos un inyector de hidrocarburos contenido dentro de los electrodos. Los electrodos pueden ser concéntricos. El al menos un inyector de hidrocarburos puede estar refrigerado. También se describe un método para fabricar partículas de carbono utilizando el aparato. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato del aguijón de la antorcha
Referencia cruzada
Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de EE. UU. No. 62/329.516, presentada el 29 de abril de 2016.
Antecedentes
Las partículas se utilizan en muchas aplicaciones domésticas e industriales. Las partículas pueden producirse mediante diversos procesos químicos. El rendimiento y el suministro de energía asociados con dichos procesos químicos han evolucionado con el tiempo.
El documento WO 93/20152 describe un reactor de descomposición para su instalación en conexión con una cámara de descomposición térmica para gases de hidrocarburos.
El documento WO 00/18682 describe un medio de carbono para el almacenamiento de hidrógeno.
El documento WO 93/12030 divulga un proceso de descomposición pirolítica de hidrocarburos para obtener hidrógeno y partículas de negro de humo.
Resumen
Un reactor generador de partículas de negro de humo es el primer aspecto de la presente invención y se proporciona en la reivindicación 1. Un proceso para fabricar partículas de negro de humo es el segundo aspecto de la presente invención y se proporciona en la reivindicación 7. Las realizaciones preferidas se proporcionan en las reivindicaciones dependientes. Cualquier realización de la divulgación siguiente que no esté abarcada por las reivindicaciones se proporciona únicamente como referencia.
La presente divulgación reconoce la necesidad de procesos más eficientes y efectivos para producir partículas, tales como, por ejemplo, partículas de carbono. En la presente memoria también se reconoce la necesidad de aumentar la velocidad de producción, aumentar los rendimientos, reducir las características de desgaste del equipo de fabricación, etc. La presente divulgación puede proporcionar, por ejemplo, procesos mejorados para convertir materiales que contienen hidrocarburos en partículas de carbono.
La presente divulgación proporciona, por ejemplo, un reactor generador de partículas de negro de humo, que comprende: una sección generadora de plasma que contiene uno o más conjuntos de electrodos concéntricos configurados para generar un plasma; una sección de reactor conectada a la sección generadora de plasma; y un inyector localizado dentro de los electrodos concéntricos, en donde la temperatura centralmente dentro de los electrodos concéntricos es menor que la temperatura del plasma generado por los electrodos concéntricos. El inyector puede estar localizado centralmente dentro de los electrodos concéntricos. El reactor puede comprender además una pluralidad de inyectores contenidos dentro de los electrodos concéntricos. El inyector podría enfriarse. La temperatura centralmente dentro de los electrodos concéntricos puede ser menos de la mitad de la temperatura del plasma generado por los electrodos concéntricos.
La presente divulgación también proporciona, por ejemplo, un proceso para fabricar partículas de negro de humo, que comprende: generar un arco de plasma en una zona de alta temperatura de un reactor con electrodos concéntricos generadores de plasma; e inyectar un hidrocarburo en el reactor para formar las partículas de negro de humo, en donde el hidrocarburo se inyecta en el reactor a través de al menos un inyector de hidrocarburo localizado dentro de los electrodos concéntricos generadores de plasma, y en donde la pérdida de calor durante el proceso debida a al menos un inyector de hidrocarburo es menos de aproximadamente el 20 % de la entrada total de energía en el proceso. El al menos un inyector de hidrocarburo puede estar localizado centralmente dentro de los electrodos concéntricos generadores de plasma. La temperatura centralmente dentro de los electrodos concéntricos generadores de plasma puede ser menos de la mitad de la temperatura del arco de plasma. El hidrocarburo puede ser gas natural. El hidrocarburo inyectado puede formar las partículas de negro de humo e hidrógeno después de pasar a través de la zona de alta temperatura. Las partículas de negro de humo y el hidrógeno se pueden producir con un rendimiento superior al 95 %. El N2SA de las partículas de negro de humo puede estar entre aproximadamente 15 m<2>/g y 150 m<2>/g. La STSA de las partículas de negro de humo puede estar entre aproximadamente 15 m<2>/g y 150 m<2>/g. El DBP de las partículas de negro de humo puede ser mayor de aproximadamente 32 ml/100 g. Las partículas de negro de humo, tal como se producen, pueden tener L<c>mayor de aproximadamente 3,5 nm y d002 menor de aproximadamente 0,36 nm. La pérdida de calor durante el proceso debida a al menos un inyector de hidrocarburos puede ser menos de aproximadamente el 5 % de la entrada total de energía al proceso. La pérdida de calor durante el proceso debido a al menos un inyector de hidrocarburos puede ser menor de o igual a aproximadamente el 2 % de la entrada total de energía al proceso. Se puede permitir que el flujo de hidrocarburo desde el inyector enfriado pase a un tubo no enfriado que puede actuar como un inyector, pero se le puede permitir que se caliente hasta una temperatura superior a aproximadamente 1.600 °C. El tubo puede comprender o estar hecho de carbono o carburo de silicio u otro material de alta temperatura capaz de sobrevivir a temperaturas superiores a aproximadamente 1.600 °C. El reactor puede ser un reactor generador de partículas cerrado.
La presente divulgación también proporciona, por ejemplo, un método para fabricar partículas de negro de humo, que comprende: hacer fluir un gas de transferencia térmica entre electrodos en un reactor; generar un arco de plasma con los electrodos; e inyectar un hidrocarburo en el reactor para formar las partículas de negro de humo, en donde el hidrocarburo se inyecta en el reactor a través de al menos un inyector de hidrocarburos localizado dentro de los electrodos, y en donde las partículas de negro de humo tienen una transmitancia de extracto de tolueno mayor o igual a aproximadamente el 94 %. Las partículas de negro de humo pueden tener una transmitancia de extracto de tolueno mayor o igual a aproximadamente el 99 %. El método puede comprender además hacer fluir al menos aproximadamente el 25 % del gas de transferencia térmica entre los electrodos. Los electrodos pueden comprender un electrodo interior y unos electrodos exteriores, y el método puede comprender además hacer fluir el gas de transferencia térmica fuera del electrodo exterior. El método puede comprender además hacer fluir al menos aproximadamente el 20 % del gas de transferencia térmica fuera del electrodo exterior. Los electrodos pueden comprender un electrodo interior y unos electrodos exteriores, y el método puede comprender además hacer fluir el gas de transferencia térmica dentro del electrodo interior. El método puede comprender además hacer fluir al menos aproximadamente el 10 % del gas de transferencia térmica alrededor de al menos un inyector de hidrocarburos. El método puede comprender además hacer fluir al menos aproximadamente el 30 % del gas de transferencia térmica alrededor del al menos un inyector de hidrocarburos. El método puede comprender además hacer fluir al menos aproximadamente el 40 % del gas de transferencia térmica alrededor del al menos un inyector de hidrocarburos. El método puede comprender además variar la longitud de inserción del al menos un inyector de hidrocarburos dentro de los electrodos. El método puede comprender además variar la longitud de inserción del al menos un inyector de hidrocarburos usando un sello deslizante. El método puede comprender además variar un grado de dilución previa del hidrocarburo para controlar el área superficial y/o la estructura de las partículas de negro de humo. El método puede comprender además variar el grado de dilución previa del hidrocarburo (i) variando la longitud de inserción del al menos un inyector de hidrocarburo dentro de los electrodos, (ii) variando el caudal del gas de transferencia térmica alrededor del al menos un inyector de hidrocarburos, o (iii) una combinación de los mismos. El al menos un inyector de hidrocarburos puede enfriarse mediante un circuito de enfriamiento, y el método puede comprender además retraer el al menos un inyector de hidrocarburos tras la detección de un aumento dado en la diferencia de temperatura entre una temperatura de entrada y una temperatura de salida del circuito de enfriamiento. El método puede comprender además retraer el al menos un inyector de hidrocarburos basándose en un medidor de tensión que pesa cuánto material de electrodo queda. El método puede comprender además variar el diámetro del reactor aguas abajo de los electrodos para afectar la calidad del producto y/o la formación de depósitos. El reactor puede comprender un revestimiento que separa una zona de reacción interior de un área aislada exterior que contiene un gas diferente al de la zona de reacción interior con el fin de reducir la conductividad térmica del aislamiento en el área aislada exterior. La zona de reacción interna puede comprender un gas que comprende más de o igual a aproximadamente el 50 % de hidrógeno en volumen.
Estas y otras realizaciones se describen con más detalle a continuación.
Breve descripción de los dibujos
Las nuevas características de la invención se exponen con particularidad en las reivindicaciones adjuntas. Se obtendrá una mejor comprensión de las características y ventajas de la presente invención haciendo referencia a la siguiente descripción detallada que establece realizaciones ilustrativas, en las que se utilizan los principios de la invención, y los dibujos o figuras adjuntos (también "FIG." y "FIGS." en la presente memoria), de los cuales:
La FIG. 1 muestra una representación esquemática de un ejemplo de un reactor/aparato.
Descripción detallada
Las particularidades que se muestran en la presente memoria son a modo de ejemplo y únicamente con fines de discusión ilustrativa de las diversas realizaciones de la presente invención y se presentan con el fin de proporcionar lo que se cree que es la descripción más útil y fácilmente comprensible de los principios y aspectos conceptuales. de la invención. En este sentido, no se intenta mostrar los detalles de la invención con más detalle del necesario para una comprensión fundamental de la invención, haciendo evidente la descripción para los expertos en la técnica cómo se pueden llevar a la práctica las diversas formas de la invención.
La presente invención se describirá ahora con referencia a realizaciones más detalladas. Sin embargo, esta invención puede realizarse de diferentes formas y no debe considerarse limitada a las realizaciones expuestas en la presente memoria. Más bien, estas realizaciones se proporcionan para que esta divulgación sea minuciosa y completa. El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones.
A menos que se defina lo contrario, todos los términos técnicos y científicos utilizados en la presente memoria tienen el mismo significado que entiende comúnmente un experto en la técnica a la que pertenece esta invención. La terminología utilizada en la descripción de la invención en la presente memoria es únicamente para describir realizaciones particulares y no pretende ser limitante de la invención.
Los valores numéricos establecidos en los ejemplos específicos se informan con la mayor precisión posible. Sin embargo, cualquier valor numérico contiene inherentemente ciertos errores que necesariamente resultan de la desviación estándar encontrada en sus respectivas mediciones de ensayo. Cada rango numérico proporcionado a lo largo de esta memoria descriptiva incluirá cada rango numérico más estrecho que se encuentre dentro de dicho rango numérico más amplio, como si dichos rangos numéricos más estrechos estuvieran expresamente escritos en la presente memoria.
Las ventajas adicionales de la invención se expondrán en parte en la descripción que sigue, y en parte serán obvias a partir de la descripción, o podrán aprenderse mediante la práctica de la invención. Debe entenderse que tanto la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son únicamente ejemplares y explicativas y no son restrictivas de la invención, tal como se reivindica. Se entenderá que diferentes aspectos de la invención pueden apreciarse individualmente, colectivamente o en combinación entre sí.
La presente divulgación proporciona sistemas y métodos para afectar cambios químicos. Afectar tales cambios químicos puede incluir fabricar partículas (por ejemplo, partículas de carbono, tales como, por ejemplo, negro de humo) usando los sistemas y métodos de la presente divulgación. Si bien dichas partículas pueden describirse en la presente memoria principalmente en términos de o en el contexto de partículas de carbono, las partículas de la presente divulgación pueden incluir otros tipos de partículas. Los cambios químicos descritos en la presente memoria pueden verse afectados (p. ej., principalmente, sustancialmente, enteramente o al menos en parte) utilizando energía no asociada o estrechamente relacionada con las materias primas utilizadas para convertir materiales que contienen hidrocarburos en partículas de carbono (p. ej., negro de humo). Los sistemas y métodos descritos en la presente memoria pueden utilizar energía eléctrica para afectar los cambios químicos. Los procesos implementados con la ayuda de los sistemas y métodos de la presente memoria pueden incluir calentar un gas de transferencia térmica (por ejemplo, un gas de plasma). El gas de transferencia térmica se puede calentar con energía eléctrica (por ejemplo, de una fuente de DC o AC). El gas de transferencia térmica puede calentarse mediante un arco eléctrico. El gas de transferencia térmica calentado se puede mezclar con una materia prima de hidrocarburo para generar las partículas de carbono (por ejemplo, negro de humo).
En algunos casos, el gas de transferencia térmica puede calentarse en un entorno libre de oxígeno. En algunos casos, las partículas de carbono pueden producirse (por ejemplo, fabricarse) en una atmósfera libre de oxígeno. Una atmósfera libre de oxígeno puede comprender, por ejemplo, menos de aproximadamente un 5 % de oxígeno en volumen, menos de aproximadamente un 3 % de oxígeno (por ejemplo, en volumen) o menos de aproximadamente un 1 % de oxígeno (por ejemplo, en volumen).
Los sistemas y métodos descritos en la presente memoria pueden incluir calentar hidrocarburos rápidamente para formar partículas de carbono (por ejemplo, nanopartículas de carbono). Por ejemplo, los hidrocarburos pueden calentarse rápidamente para formar partículas de carbono (por ejemplo, nanopartículas de carbono) e hidrógeno. Las partículas de carbono (también "partículas" en la presente memoria) pueden incluir, por ejemplo, partículas de negro de humo. El hidrógeno (por ejemplo, el hidrógeno generado a partir de metano en el proceso de formación de negro de humo) puede referirse en algunos casos a hidrógeno mayoritario. Por ejemplo, una parte de este hidrógeno también puede contener metano (p. ej., metano no gastado) y/u otros hidrocarburos diversos (p. ej., etano, propano, etileno, acetileno, benceno, tolueno, hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), tales como naftaleno, etc.). En algunos ejemplos, cuando se hace referencia al hidrógeno, estos constituyentes menores pueden incluirse como parte de este flujo de gas que se utiliza dentro del sistema (por ejemplo, dentro de un sistema generador de negro de humo). El hidrógeno generado en los procesos descritos en la presente memoria se puede utilizar para muchas aplicaciones.
El gas de transferencia térmica puede comprender al menos aproximadamente un 60 % de hidrógeno hasta aproximadamente un 100 % de hidrógeno (en volumen) y puede comprender además hasta aproximadamente un 30 % de nitrógeno, hasta aproximadamente un 30 % de CO, hasta aproximadamente un 30 % de CH<4>, hasta aproximadamente un 10 % de HCN, hasta aproximadamente un 30 % de C<2>H<2>y hasta aproximadamente un 30 % de Ar. Por ejemplo, el gas de transferencia térmica puede tener más de aproximadamente un 60 % de hidrógeno.
Adicionalmente, el gas de transferencia térmica también puede comprender hidrocarburos aromáticos policíclicos tales como antraceno, naftaleno, coroneno, pireno, criseno, fluoreno y similares. Además, el gas de transferencia térmica puede tener presentes benceno y tolueno o componentes de hidrocarburos monoaromáticos similares. Por ejemplo, el gas de transferencia térmica puede comprender más de o igual a aproximadamente un 90 % de hidrógeno y aproximadamente un 0,2 % de nitrógeno, aproximadamente un 1,0 % de CO, aproximadamente un 1,1 % de CH<4>, aproximadamente un 0,1 % de HCN y aproximadamente un 0,1 % de C<2>H<2>. El gas de transferencia térmica puede comprender más de o igual a aproximadamente un 80% de hidrógeno y el resto puede comprender alguna mezcla de los gases antes mencionados, hidrocarburos aromáticos policíclicos, hidrocarburos monoaromáticos y otros componentes. Se pueden usar gases de transferencia térmica tales como oxígeno, nitrógeno, argón, helio, aire, hidrógeno, monóxido de carbono, hidrocarburos (por ejemplo, metano, etano, insaturados), etc. (usados solos o en mezclas de dos o más). El gas de transferencia térmica puede comprender más de o igual a aproximadamente un 50 % de hidrógeno en volumen. El gas de transferencia térmica puede comprender, por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, argón, helio, aire, hidrógeno, hidrocarburos (por ejemplo, metano, etano), etc. (usados solos o en mezclas de dos o más). El gas de transferencia térmica puede comprender más de aproximadamente un 70 % de H<2>en volumen y puede incluir al menos uno o más de los gases HCN, CH<4>, C<2>H<4>, C<2>H<2>, CO, benceno o hidrocarburo poliaromático (por ejemplo, naftaleno y/o antraceno) en un nivel de al menos aproximadamente 1 ppm. El gas de transferencia térmica puede tener al menos un subconjunto de tales composiciones antes, durante y/o después del calentamiento.
La materia prima de hidrocarburos puede incluir cualquier producto químico con fórmula CnHx o CnHxOy, donde n es un número entero; x está entre (i) 1 y 2n+2 o (ii) menos de 1 para combustibles tales como carbón, alquitrán de hulla, fueloil de pirólisis y similares; e y está entre 0 y n. La materia prima de hidrocarburos puede incluir, por ejemplo, hidrocarburos simples (por ejemplo, metano, etano, propano, butano, etc.), materias primas aromáticas (por ejemplo, benceno, tolueno, metilnaftaleno, fueloil de pirólisis, alquitrán de hulla, carbón, aceite pesado, aceite, bioaceite, biodiésel, otros hidrocarburos de origen biológico y similares), hidrocarburos insaturados (por ejemplo, etileno, acetileno, butadieno, estireno y similares), hidrocarburos oxigenados (por ejemplo, etanol, metanol, propanol, fenol, cetonas, éteres, ésteres y similares), o cualquier combinación de los mismos. Estos ejemplos se proporcionan como ejemplos no limitantes de materias primas de hidrocarburos aceptables que pueden combinarse y/o mezclarse además con otros componentes para la fabricación. Una materia prima de hidrocarburos puede referirse a una materia prima en la que la mayoría de la materia prima (por ejemplo, más de aproximadamente el 50 % en peso) es de naturaleza hidrocarbonada. La materia prima de hidrocarburo reactivo puede comprender al menos aproximadamente un 70 % en peso de metano, etano, propano o mezclas de los mismos. La materia prima de hidrocarburos puede ser gas natural. El hidrocarburo puede ser metano, etano o propano o mezclas de los mismos.
Las partículas de carbono pueden comprender partículas finas. Una partícula fina puede ser una partícula que tiene al menos una dimensión que es inferior a 100 nm (nanómetros). Una partícula fina puede ser un agregado que es más pequeño que aproximadamente 5 micrómetros de tamaño promedio cuando se mide en la dimensión más grande mediante microscopía electrónica de barrido o de efecto túnel. Las partículas de carbono pueden comprender partículas de carbono finas esféricas y/o elipsoidales. Las partículas esféricas o elipsoidales pueden significar partículas singulares y también pueden significar una pluralidad de partículas que están pegadas entre sí de forma análoga a la de un racimo de uvas o aciniforme. El negro de humo puede ser un ejemplo de este tipo de partículas finas de carbono. Las partículas de carbono pueden comprender grafenos de pocas capas (FLG), que pueden comprender partículas que poseen dos o más capas de grafeno y tienen una forma que se describe mejor como plana o sustancialmente plana. Las partículas de carbono pueden estar sustancialmente en forma de disco. Las partículas de carbono pueden comprender pigmento carbonoso. Una partícula de carbono puede incluir una nanopartícula de carbono. Una nanopartícula de carbono puede incluir, por ejemplo, cualquier partícula que tenga un 90 % o más de carbono, que tenga un área de superficie superior a 5 m2/g (metros cuadrados por gramo) y la esfera equivalente en volumen posea un diámetro inferior a 1 micrómetro (el desplazamiento de líquido equivale a una esfera de 1 micrómetro o menos por partícula). Esto puede comprender muchas formas diferentes que incluyen discos, cuencos, conos, discos agregados, grafeno de pocas capas (FLG), elipsoidal, elipsoidal agregado, esferas y esferas agregadas (por ejemplo, negro de humo), como ejemplos no limitantes. Las nanopartículas de carbono también pueden comprender una pluralidad de estas formas de partículas. Al menos el 90 % de las partículas en cualquier muestra dada de nanopartículas de carbono en términos numéricos puede estar dentro de los límites de esta definición de nanopartículas de carbono.
El gas de transferencia térmica se puede proporcionar al sistema (por ejemplo, a un reactor/aparato) a una velocidad de, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente 1 metro cúbico normal/hora (Nm3/h), 2 Nm3/h, 5 Nm3/h, 10 Nm3/h, 25 Nm3/h, 50 Nm3/h, 75 Nm3/h, 100 Nm3/h, 150 Nm3/h, 200 Nm3/h, 250 Nm3/h, 273 Nm3/h, 300 Nm3/h, 333 Nm3/h, 350 Nm3/h, 399 Nm3/h, 400 Nm3/h, 420 Nm3/h, 440 Nm3/h, 450 Nm3/h, 451 Nm3/h, 467 Nm3/h, 477 Nm3/h, 500 Nm3/h, 502 Nm3/h, 550 Nm3/h, 600 Nm3/h, 650 Nm3/h, 700 Nm3/h, 750 Nm3/h, 800 Nm3/h, 850 Nm3/h, 900 Nm3/h, 950 Nm3/h, 1.000 Nm3/h, 2.000 Nm3/h, 3.000 Nm3/h, 4.000 Nm3/h, 5.000 Nm3/h, 6.000 Nm3/h, 7.000 Nm3/h, 8.000 Nm3/h, 9.000 Nm3/h, 10.000 Nm3/h, 12.000 Nm3/h, 14.000 Nm3/h, 16.000 Nm3/h, 18.000 Nm3/h, 20.000 Nm3/h, 30.000 Nm3/h 40.000 Nm3/h, 50.000 Nm3/h, 60.000 Nm3/h, 70.000 Nm3/h, 80.000 Nm3/h, 90.000 Nm3/h o 100.000 Nm3 /h. Alternativamente, o además, el gas de transferencia térmica se puede proporcionar al sistema (por ejemplo, al aparato reactor) a una velocidad de, por ejemplo, menor de o igual a aproximadamente 100.000 Nm3/h, 90.000 Nm3/h, 80.000 Nm3/h, 70.000 Nm3/h, 60.000 Nm3/h, 50.000 Nm3/h, 40.000 Nm3/h, 30.000 Nm3/h, 20.000 Nm3/h, 18.000 Nm3/h, 16.000 Nm3/h, 14.000 Nm3/h, 12.000 Nm3/h, 10.000 Nm3/h, 9.000 Nm3/h, 8.000 Nm3/h, 7.000 Nm3/h, 6.000 Nm3/h, 5.000 Nm3/h, 4.000 Nm3/h, 3.000 Nm3/h, 2.000 Nm3/h, 1.000 Nm3/h, 950 Nm3/h, 900 Nm3/h, 850 Nm3/h, 800 Nm3/h, 750 Nm3/h, 700 Nm3/h, 650 Nm3/h, 600 Nm3/h, 550 Nm3/h, 502 Nm3/h, 500 Nm3/h, 477 Nm3/h, 467 Nm3/h, 451 Nm3/h, 450 Nm3/h, 440 Nm3/h, 420 Nm3/h, 400 Nm3/h, 399 Nm3/h, 350 Nm3/h, 333 Nm3/h, 300 Nm3/h, 273 Nm3/h, 250 Nm3/h, 200 Nm3/h, 150 Nm3/h, 100 Nm3/h, 75 Nm3/h, 50 Nm3/h, 25 Nm3/h, 10 Nm3/h, 5 Nm3/h o 2 Nm3/h. El gas de transferencia térmica se puede proporcionar al sistema (por ejemplo, al aparato reactor) a tales velocidades en combinación con una o más caudales de materia prima descritas en la presente memoria. El gas de transferencia térmica se puede calentar a dichos caudales a una o más temperaturas descritas en la presente memoria.
El gas de transferencia térmica se puede dividir en uno o más caminos de flujo. El caudal de gas térmico a través de un camino de flujo determinado (por ejemplo, a través de un camino de protección, a través de un camino anular y/o a través de un camino axial descrito con mayor detalle en otra parte de la presente memoria) puede ser, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente un 0%, 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 14 %, 15 %, 20 %, 24 %, 25 %, 26 %, 30 %, 32 %, 33 %, 35 %, 37 %, 38 %, 40 %, 42 %, 45 %, 48 %, 50 %, 51 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 73 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 % o 99 %. Alternativamente, o además, el caudal de gas térmico a través de un camino de flujo determinado (por ejemplo, a través de un camino de protección, a través de un camino anular y/o a través de un camino axial) puede ser, por ejemplo, menor de o igual a aproximadamente un 100 %, 99 %, 95 %, 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 73 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 51 %, 50 %, 48 %, 45 %, 42 %, 40 %, 38 %, 37 %, 35 %, 33 %, 32 %, 30 %, 26 %, 25 %, 24 %, 20 %, 15 %, 14 %, 10 %, 5 %, 2 % o 1 %.
La materia prima (por ejemplo, hidrocarburo) se puede proporcionar al sistema (por ejemplo, a un reactor/aparato) a una velocidad de, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente 50 gramos por hora (g/h), 100 g/h, 250 g/h, 500 g/h, 750 g/h, 1 kilogramo por hora (kg/h), 2 kg/h, 5 kg/h, 10 kg/h, 15 kg/h, 20 kg/h, 25 kg/h, 30 kg/h, 32 kg/h, 35 kg/h, 37 kg/h, 40 kg/h, 42 kg/h, 45 kg/h, 48 kg/h, 50 kg/h, 55 kg/h, 56 kg/h, 60 kg/h, 65 kg/h, 70 kg/h, 75 kg/h, 80 kg/h, 85 kg/h, 88 kg/h, 90 kg/h, 95 kg/h, 100 kg/h, 150 kg/h, 200 kg/h, 250 kg/h, 300 kg/h, 350 kg/h, 400 kg/h, 450 kg/h, 500 kg/h, 600 kg/h, 700 kg/h, 800 kg/h, 900 kg/h, 1.000 kg/h, 1.100 kg/h, 1.200 kg/h, 1.300 kg/h, 1.400 kg/h, 1.500 kg/h, 1.600 kg/h, 1.700 kg/h, 1.800 kg/h, 1.900 kg/h, 2.000 kg/h, 2.100 kg/h, 2.200 kg/h, 2.300 kg/h, 2.400 kg/h, 2.500 kg/h, 3.000 kg/h, 3.500 kg/h, 4.000 kg/h, 4.500 kg/h, 5.000 kg/h, 6.000 kg/h, 7.000 kg/h, 8.000 kg/h, 9.000 kg/h o 10.000 kg/h. Alternativamente, o además, la materia prima (por ejemplo, hidrocarburo) se puede proporcionar al sistema (por ejemplo, al aparato reactor) a una velocidad de, por ejemplo, menor de o igual a aproximadamente 10.000 kg/h, 9.000 kg/h., 8.000 kg/h, 7.000 kg/h, 6.000 kg/h, 5.000 kg/h, 4.500 kg/h, 4.000 kg/h, 3.500 kg/h, 3.000 kg/h, 2.500 kg/h, 2.400 kg/h, 2.300 kg/h, 2.200 kg/h, 2.100 kg/h, 2.000 kg/h, 1.900 kg/h, 1.800 kg/h, 1.700 kg/h, 1.600 kg/h, 1.500 kg/h, 1.400 kg/h, 1.300 kg/h, 1.200 kg/h, 1.100 kg/h, 1.000 kg/h, 900 kg/h, 800 kg/h, 700 kg/h, 600 kg/h, 500 kg/h, 450 kg/h, 400 kg/h, 350 kg/h, 300 kg/h, 250 kg/h, 200 kg/h, 150 kg/h, 100 kg/h, 95 kg/h, 90 kg/h, 88 kg/h, 85 kg/h, 80 kg/h, 75 kg/h, 70 kg/h, 65 kg/h, 60 kg/h, 56 kg/h, 55 kg/h, 50 kg/h, 48 kg/h, 45 kg/h, 42 kg/h, 40 kg/h, 37 kg/h, 35 kg/h, 32 kg/h, 30 kg/h, 25 kg/h, 20 kg/h, 15 kg/h, 10 kg/h, 5 kg/h, 2 kg/h, 1 kg/h, 750 g/h, 500 g/h, 250 g/h o 100 g/h.
El gas de transferencia térmica se puede calentar y/o la materia prima se puede someter a una temperatura mayor de o igual a aproximadamente 1.000 °C, 1.100 °C, 1.200 °C, 1.300 °C, 1.400 °C, 1.500 °C, 1.600 °C, 1.700 °C, 1.800 °C, 1.900 °C, 2.000 °C, 2.050 °C, 2.100 °C, 2.150 °C, 2.200 °C, 2.250 °C, 2.300 °C, 2.350 °C, 2.400 ° C, 2.450 °C, 2.500 °C, 2.550 °C, 2.600 °C, 2.650 °C, 2.700 °C, 2.750 °C, 2.800 °C, 2.850 °C, 2.900 °C, 2.950 °C, 3.000 °C, 3.050 °C, 3.100 °C, 3.150 °C, 3.200 °C, 3.250 °C, 3.300 °C, 3.350 °C, 3.400 °C o 3.450 °C. Alternativamente, o además, el gas de transferencia térmica se puede calentar y/o la materia prima se puede someter a una temperatura menor de o igual a aproximadamente 3.500 °C, 3.450 °C, 3.400 °C, 3.350 °C, 3.300 °C, 3.250 °C, 3.200 °C, 3.150 °C, 3.100 °C, 3.050 °C, 3.000 °C, 2.950 °C, 2.900 °C, 2.850 °C, 2.800 °C, 2.750 °C, 2.700 °C, 2.650 °C, 2.600 °C, 2.550 °C, 2.500 °C, 2.450 °C, 2.400 °C, 2.350 °C, 2.300 °C, 2.250 °C, 2.200 °C, 2.150 °C, 2.100 °C, 2050 ° C, 2.000 °C, 1.900 °C, 1.800 °C, 1.700 °C, 1.600 °C, 1.500 °C, 1.400 °C, 1.300 °C, 1.200 °C o 1.100 °C. El gas de transferencia térmica se puede calentar a tales temperaturas mediante un generador térmico (por ejemplo, un generador de plasma). Dichos generadores térmicos pueden tener potencias adecuadas. Los generadores térmicos pueden configurarse para operar continuamente a dichas potencias durante, por ejemplo, varios cientos o varios miles de horas en un entorno corrosivo.
Los generadores térmicos pueden operar a potencias adecuadas. La potencia puede ser, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente 0,5 kilovatios (kW), 1 kW, 1,5 kW, 2 kW, 5 kW, 10 kW, 25 kW, 50 kW, 75 kW, 100 kW, 150 kW, 200 kW, 250 kW, 300 kW, 350 kW, 400 kW, 450 kW, 500 kW, 540 kW, 550 kW, 600 kW, 650 kW, 700 kW, 750 kW, 800 kW, 850 kW, 900 kW, 950 kW, 1 megavatio (MW), 1,05 MW, 1,1 MW, 1,15 MW, 1,2 MW, 1,25 MW, 1,3 MW, 1,35 MW, 1,4 MW, 1,45 MW, 1,5 MW, 1,6 MW, 1,7 MW, 1,8 MW, 1,9 MW, 2 MW, 2,5 MW, 3 MW, 3,5 MW, 4 MW, 4,5 MW, 5 MW, 5,5 MW, 6 MW, 6,5 MW, 7 MW, 7,5 MW, 8 MW, 8,5 MW, 9 MW, 9,5 MW, 10 MW, 10,5 MW, 11 MW, 11,5 MW, 12 MW, 12,5 MW, 13 MW, 13,5 MW, 14 MW, 14,5 MW, 15 MW, 16 MW, 17 MW, 18 MW, 19 MW, 20 MW, 25 MW, 30 MW, 35 MW, 40 MW, 45 MW o 50 MW. Alternativamente, o además, la potencia puede ser, por ejemplo,<menor de o igual a aproximadamente 50 MW, 45 MW, 40 MW, 35 MW, 30 MW, 25 MW, 20>Mw,<19 MW, 18>Mw,<17>MW, 16 MW, 15 MW, 14,5 MW, 14 MW, 13,5 MW, 13 MW, 12,5 MW, 12 MW, 11,5 MW, 11 MW, 10,5 MW, 10 MW, 9,5 MW, 9 MW, 8,5 MW, 8 MW, 7,5 MW, 7 MW, 6,5 MW, 6 MW, 5,5 MW, 5 MW, 4,5 MW, 4 MW, 3,5 MW, 3 MW, 2,5 MW, 2 MW, 1,9 MW, 1,8 MW, 1,7 MW, 1,6 MW, 1,5 MW, 1,45 MW, 1,4 MW, 1,35 MW, 1,3 MW, 1,25 MW, 1,2 MW, 1,15 MW, 1,1 MW, 1,05 MW, 1 MW, 950 kW, 900 kW, 850 kW, 800 kW, 750 kW, 700 kW, 650 kW, 600 kW, 550 kW, 540 kW, 500 kW, 450 kW, 400 kW, 350 kW, 300 kW, 250 kW, 200 kW, 150 kW, 100 kW, 75 kW, 50 kW, 25 kW, 10 kW, 5 kW, 2 kW, 1,5 kW o 1 kW.
La FIG.1muestra una sección transversal de un ejemplo de un reactor100. El reactor puede comprender, por ejemplo, una cámara de plasma y una sección de reactor. Un inyector central (por ejemplo, un inyector de hidrocarburos)104que tiene una punta de inyector (por ejemplo, una punta de inyector de hidrocarburos)105puede orientarse a lo largo del eje de dos electrodos (electrodo interior103y electrodo exterior102). Los electrodos pueden ser, por ejemplo, electrodos cilíndricos concéntricos. El gas de transferencia térmica (por ejemplo, gas de plasma)101puede entrar en el espacio entre los electrodos interior y exterior. Puede haber un espacio entre el electrodo interior y exterior denominado anillo. El inyector central (también "aguijón" y "aguijón de antorcha" en la presente memoria) puede estar a una distanciaD1(por ejemplo, mayor de o igual a cero) del electrodo interno. El punto más bajo del inyector central o el punto en el que tiene lugar la inyección puede estar a una distanciaD2(por ejemplo, mayor de o igual a cero, o menor de cero) de un plano de los electrodos (por ejemplo, el planoL2creado por líneas de conexión dibujadas desde el punto más bajo del electrodo exterior al electrodo interior, como se muestra). El punto más bajo del inyector central o el punto en el que tiene lugar la inyección puede estar por encima, en o por debajo del plano de los electrodos (por ejemplo, siD2es positiva entonces la inyección de materia prima se produce por encima del planoL2,siD2es negativa entonces la inyección se produce debajo del planoL2,y siD2es cero, entonces la inyección se produce a/en el plano L2). La inyección por debajo del plano se puede habilitar, por ejemplo, mediante el uso de un inyector enfriado (por ejemplo, inyector de cobre (u otro material) enfriado por agua) o un inyector enfriado (por ejemplo, enfriado por agua) unido a un tubo no enfriado. Se puede utilizar material de revestimiento que actúa como escudo contra la radiación para proteger aún más el inyector. Puede ocurrir un cambio en la geometría en el plano imaginario indicado por la líneaL1.El reactor puede volverse más estrecho o más ancho dependiendo del ángulo a. El ángulo a (por ejemplo, hasta 90°) puede ser el ángulo entre una extensión imaginaria de una pared106de la cámara de plasma y una pared107de transición del reactor que conduce a una pared108del reactor. El punto más bajo de los electrodos puede estar a una distanciaD3(por ejemplo, mayor de o igual a cero) desde la líneaL1.La pared106de la cámara de plasma puede estar a una distanciaD4del electrodo exterior102. Las paredes108del reactor pueden estar a una distanciaD6(por ejemplo, mayor de o igual a cero) entre sí. En algunos ejemplos,D1puede ser de aproximadamente 85 milímetros (mm),D2puede ser de aproximadamente -200 mm a aproximadamente 446 mm,D3puede ser de cero a aproximadamente 1.350 mm,D6puede ser de aproximadamente 1.200 mm y a puede ser de aproximadamente 9° hasta 90°. En la invención,D4es de 73 mm a 450 mm.
El inyector o aguijón puede comprender o consistir en, por ejemplo, tres tubos concéntricos. Los tubos pueden crear, por ejemplo, dos anillos para enfriamiento (por ejemplo, enfriamiento por agua) y un camino central para la inyección de materia prima de hidrocarburos (por ejemplo, gas natural). El inyector puede enfriarse mediante un líquido refrigerante. El inyector puede enfriarse, por ejemplo, con agua o un líquido no oxidante (por ejemplo, aceite mineral, etilenglicol, propilenglicol, fluidos orgánicos sintéticos tales como, por ejemplo, DOWTHERM™, etc.). El inyector puede fabricarse a partir de materiales adecuados tales como, por ejemplo, cobre, acero inoxidable, grafito y/u otros materiales similares (por ejemplo, aleaciones) con altos puntos de fusión y buena resistencia a la corrosión (por ejemplo, al ambiente de radicales libres de hidrógeno). En algunos ejemplos, se puede utilizar un metal enfriado por agua. Se puede permitir que el flujo de hidrocarburos desde el inyector enfriado fluya hacia un tubo no enfriado. El tubo no enfriado (también "tubo" en la presente memoria) puede actuar como un inyector, pero puede calentarse a una temperatura del proceso (por ejemplo, temperatura del plasma o temperatura del gas de transferencia térmica) o a una temperatura cercana a la temperatura del proceso (por ejemplo, se puede permitir que el tubo no enfriado flote hasta o cerca de la temperatura del proceso). El tubo puede comprender o estar hecho de, por ejemplo, carbono o carburo de silicio u otro material de alta temperatura que pueda sobrevivir a temperaturas superiores a, por ejemplo, 1.600 °C.
Las puntas (también "puntas de inyector" en la presente memoria) pueden comprender (por ejemplo, tener) orificios únicos o múltiples que son paralelos al eje del inyector, en ángulo o una combinación de los mismos. En algunos casos, los orificios en ángulo pueden proporcionar un mezclado más rápido (por ejemplo, ya que corrientes distintas pueden proporcionar más superficie para el mezclado en el gas circundante). El inyector puede tener (por ejemplo, opcionalmente) puntas reemplazables que pueden desconectarse (por ejemplo, para afectar el mezclado). Una punta reemplazable en el inyector puede permitir la selección de velocidades de flujo deseadas variando el diámetro de la punta.
Se puede inyectar una corriente de gas natural u otra materia prima de hidrocarburos en (por ejemplo, en el centro de) un generador de calor (también "generador térmico" en la presente memoria). La corriente de gas natural u otra materia prima de hidrocarburos se puede inyectar con la ayuda de un inyector enfriado (por ejemplo, enfriado por agua) insertado en el generador de calor (por ejemplo, una antorcha de plasma). Usando un sello deslizante, el inyector se puede insertar a diferentes profundidades con el fin de aumentar o disminuir el tiempo de residencia en el generador de calor (por ejemplo, antorcha), y/o para mantener el tiempo de residencia en el generador de calor (por ejemplo, antorcha) en algún valor fijado (por ejemplo, a medida que se desgastan los electrodos de la antorcha de plasma).
El inyector puede insertarse en el generador de calor (por ejemplo, en el centro del generador de calor). El generador de calor puede ser, por ejemplo, una antorcha de plasma (también "antorcha" en la presente memoria). La antorcha puede comprender electrodos. Uno o más (por ejemplo, una pluralidad de) inyectores pueden estar localizados o contenidos dentro de los electrodos (por ejemplo, dentro de electrodos concéntricos). Los electrodos pueden usarse para generar un arco de plasma en una zona de alta temperatura. Una zona de alta temperatura puede ser, por ejemplo, una zona que está a una temperatura superior a aproximadamente 1.000 °C. El hidrocarburo inyectado puede formar partículas de carbono (por ejemplo, negro de humo) e hidrógeno después de pasar por la zona de alta temperatura. La temperatura dentro de una localización central de la antorcha (por ejemplo, centralmente dentro de los electrodos, tal como, por ejemplo, dentro del electrodo interno y/o adyacente al inyector) puede ser, por ejemplo, menor de o igual a aproximadamente el 100 %, 99 %, 95 %, 90 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 5 % o 1 % de la temperatura del arco de plasma. La temperatura dentro de una localización central de la antorcha (por ejemplo, centralmente dentro de los electrodos, tal como, por ejemplo, dentro del electrodo interno y/o adyacente al inyector) puede ser, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente el 0 %, 1 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 90 % o 95 % de la temperatura del arco de plasma. En algunos ejemplos, la temperatura dentro de la localización central de la antorcha (por ejemplo, centralmente dentro de los electrodos, tal como, por ejemplo, dentro del electrodo interno y/o adyacente al inyector) puede ser, por ejemplo, menos de la mitad de la temperatura del arco de plasma.
El inyector puede estar centrado en la antorcha (por ejemplo, el aguijón puede estar alineado centralmente dentro de los electrodos). Por ejemplo, el inyector puede estar centrado en la antorcha con una o más (por ejemplo, al menos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10) varillas ajustables o dedos centradores. Dichas varillas o dedos centradores pueden estar hechos de (por ejemplo, mecanizados a partir de) uno o más materiales de alta temperatura tales como, por ejemplo, carbono (por ejemplo, grafito), carburo de silicio, tungsteno y/o molibdeno. Para centrar el aguijón a lo largo del eje de la antorcha, el electrodo interior puede comprender orificios roscados (por ejemplo, tener orificios roscados mecanizados) para que se puedan insertar varillas. Las puntas de las varillas pueden tocar el diámetro exterior del inyector y guiarlo a medida que se inserta mientras permiten que el gas fluya por el electrodo interior alrededor del inyector. Alternativamente, o además, el aguijón puede empujarse a través de un orificio cónico rodeado por un anillo de orificios o ranuras que permiten que el gas fluya alrededor del aguijón. Una placa puede tener un orificio central con una forma cónica para ayudar a guiar el aguijón durante la inserción, y las ranuras u orificios que rodean el orificio central pueden permitir el flujo de gas. Un "prensaestopas" que comprende o consiste en un empaque comprimido (por ejemplo, grafito flexible o politetrafluoroetileno) puede permitir que el inyector se inserte y/o retraiga mientras se mantiene un sello. Las puntas pueden modificarse (por ejemplo, como se describe aquí en relación con las puntas reemplazables). Las puntas pueden alterarse (p. ej., cambiarse, reemplazarse, añadirse o variarse de otro modo) durante la operación (p. ej., con el sistema caliente). Por ejemplo, las puntas pueden alterarse con el sistema caliente con la ayuda de la disposición del "prensaestopas" y las válvulas de aislamiento.
La longitud de inserción del inyector dentro del generador de calor (por ejemplo, dentro de los electrodos de una antorcha) puede variarse como se describe en otra parte de la presente memoria (por ejemplo, usando un sello deslizante). En algunos casos, una variación en la longitud de inserción puede expresarse en términos de una variación enD2.La longitud de inserción se puede variar (por ejemplo, aumentar o disminuir) de modo queD2se varía (por ejemplo, aumenta o disminuye, incluyendo invierte) en, por ejemplo, más de o igual a aproximadamente un 0 %, 1 %, 2 %, 5 %,10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 %, 99 %, 100 %, 125 %, 150 %, 175 %, 200 %, 225 %, 250 %, 275 %, 300 %, 325 %, 350 %, 375 %, 400 %, 425 %, 450 %, 475 % o 500 %. Alternativamente, o además, la longitud de inserción se puede variar (por ejemplo, aumentar o disminuir) de modo queD2se varía (por ejemplo, aumenta o disminuye, incluyendo invierte) en, por ejemplo, menos de o igual a aproximadamente un 500 %, 475 %, 450 %, 425 %, 400 %, 375 %, 350 %, 325 %, 300 %, 275 %, 250 %, 225 %, 200 %, 175 %, 150 %, 125 %, 100 %, 99 %, 95 %, 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %,20 %, 15 %, 10 %, 5 %, 2 % o 1 %.
El circuito de enfriamiento (por ejemplo, enfriamiento por agua) para el inyector puede monitorizarse de cerca para detectar aumentos en la diferencia de temperatura entre los lados de entrada y salida del circuito. El circuito se puede monitorizar, por ejemplo, con el fin de evaluar el desgaste de la antorcha. Una mayor diferencia de temperatura puede indicar que la antorcha se ha desgastado hacia arriba y que las puntas de los electrodos calientes están más cerca del inyector. Una vez que se alcanza un cierto umbral, el inyector se puede retraer para devolver las pérdidas de enfriamiento a los valores originales. Se puede desencadenar una retracción, por ejemplo, ante un aumento en la diferencia de temperatura entre la temperatura de entrada y la temperatura de salida del circuito de refrigeración mayor de o igual a aproximadamente un 0,5 %, 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 %, 100 %, 150 %, 200 %, 250 % o 500 %. Se puede integrar un medidor de tensión en el soporte del electrodo para pesar cuánto material del electrodo queda. Dicha información puede usarse (por ejemplo, también) para desencadenar retracciones del inyector. En algunos casos, el medidor de tensión puede proporcionar una medición más directa del desgaste del electrodo. Otros ejemplos de prueba y detección de cambios en la longitud de los electrodos pueden incluir, por ejemplo, el uso de dispositivos ópticos tales como cámaras refrigeradas o diagnóstico láser para detectar el desgaste de los electrodos (por ejemplo, para detectar la altura de los electrodos). En algunos casos, una retracción puede corresponder a mantenerD2.Se puede desencadenar una retracción, por ejemplo, ante un cambio (por ejemplo, disminución) en el peso medido por el medidor de tensión mayor de o igual a aproximadamente un 0,5 %, 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % o 100 %. Se puede desencadenar una retracción, por ejemplo, tras un cambio (por ejemplo, una disminución en la longitud de los electrodos, que puede corresponder a un cambio en la altura de los electrodos) medido por otro dispositivo de medición tal como, por ejemplo, un dispositivo óptico ( ej., una cámara refrigerada y/o diagnóstico por láser) mayor de o igual a aproximadamente un 0,5 %, 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % o 100 %.
Uno o más (por ejemplo, tres) caminos de flujo de gas (por ejemplo, gas de transferencia térmica) pueden estar dispuestos dentro y alrededor (por ejemplo, a través) del generador de calor (por ejemplo, antorcha de plasma). Por ejemplo, uno o más caminos de flujo de gas de transferencia térmica (por ejemplo, un camino "protector", un camino "anular" y/o un camino "axial") pueden estar dispuestas dentro y alrededor (por ejemplo, a través) del generador de calor (p. ej., antorcha de plasma). El uno o más caminos de flujo de gas de transferencia térmica pueden configurarse, por ejemplo, para modular la velocidad de mezclado de la corriente de materia prima de hidrocarburos (por ejemplo, gas natural) con gases calentados (por ejemplo, para afectar la morfología del producto y/o las propiedades del producto). El camino de protección puede rodear la antorcha. El camino de protección puede ayudar a evitar que el exterior del electrodo exterior y/o el revestimiento del reactor acumulen depósitos. El camino anular puede estar (por ejemplo, puede pasar) entre los electrodos. El camino anular puede absorber (por ejemplo, la mayor parte de) calor del arco. El camino axial puede fluir hacia abajo por el interior del electrodo interno (por ejemplo, alrededor del inyector). El gas axial, al estar frío, puede proporcionar cierto grado de dilución de la materia prima de hidrocarburos (por ejemplo, gas natural) antes de que la materia prima de hidrocarburos alcance temperaturas en las que se puedan iniciar reacciones (por ejemplo, dilución previa). El grado de dilución previa puede (por ejemplo, también) ser función de la longitud de inserción. Dicho(s) factor(es) pueden afectar cuánto tiempo la materia prima de hidrocarburos (por ejemplo, gas natural) y el gas axial fluyen juntos antes de ser expuestos al calor y/o lo rápido que la materia prima de hidrocarburos alcanza la(s) temperatura(s) donde se inician las reacciones. El grado de dilución previa se puede utilizar para controlar, por ejemplo, el área superficial y/o la estructura de las partículas de carbono resultantes (por ejemplo, negro de humo). La dilución previa (por ejemplo, relación del flujo de gas axial al flujo de materia prima de hidrocarburo inyectado en base volumétrica, molar o de masa) se puede variar (por ejemplo, aumentar o disminuir) en, por ejemplo, más de o igual a aproximadamente un 0 %, 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 % o 99 %. Alternativamente, o además, la dilución previa se puede variar (por ejemplo, aumentar o disminuir) en, por ejemplo, menos de o igual a aproximadamente un 100 %, 99 %, 95 %, 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 5 %, 2 % o 1 % (p. ej., como función del peso o molar). La materia prima de hidrocarburos (por ejemplo, gas natural) y el gas axial pueden (por ejemplo, a continuación) exponerse al gas del espacio anular, cuya temperatura puede variar mucho dependiendo de la potencia de la antorcha y del caudal de gas del espacio anular. El gas del espacio anular puede afectar fuertemente, por ejemplo, el área superficial y/o la estructura del producto. Puede dirigirse más de o igual a aproximadamente un 0 %, 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 90 %, 95 % o 99 % del gas de transferencia térmica para que fluya axialmente (por ejemplo, alrededor de al menos un inyector de hidrocarburos). Alternativamente, o además, menos de o igual a aproximadamente un 100 %, 99 %, 95 %, 90 %, 75 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 5 %, 2 % o 1 % del gas de transferencia térmica se puede dirigir para que fluya axialmente (por ejemplo, alrededor de al menos un inyector de hidrocarburos).
Aguas abajo del inyector, las paredes interiores (también "capa revestimiento" y "revestimiento" en la presente memoria) del reactor pueden disponerse de varias maneras (por ejemplo, para alterar la cantidad de calor (radiación) que irradia desde las paredes en el producto en formación (partículas), y/o para dar a las partículas en formación suficiente tiempo de vuelo y evitar la acumulación de depósitos). La antorcha con inyector se puede combinar con un reactor configurado con un revestimiento que se puede utilizar para separar una zona de reacción interior y un área aislada exterior que contiene un gas diferente para reducir la conductividad térmica del aislamiento. Las propiedades del producto (partícula) (por ejemplo, la calidad del producto) pueden controlarse/verse afectadas en algunos casos por la configuración del revestimiento del reactor aguas debajo de la antorcha de plasma. Un revestimiento con un diámetro relativamente pequeño puede absorber la radiación de la antorcha y luego volver a irradiar calor hacia las partículas en formación, aumentando la velocidad de rampa de la temperatura. El diámetro se puede aumentar para reducir la cantidad de radiación transferida y alterar el historial de temperatura y tiempo de formación de partículas. Un diámetro aumentado puede (por ejemplo, también) reducir los depósitos de producto (partículas) sobre las paredes del revestimiento. Se puede utilizar una configuración cónica (por ejemplo, un revestimiento cónico). El revestimiento cónico puede proporcionar una fuerte transferencia de radiación al producto en formación al principio, mientras que el diámetro creciente puede reducir aguas abajo la posibilidad de acumulación de depósitos a medida que la materia prima de hidrocarburos (por ejemplo, gas natural) se extiende hacia las paredes. Puede usarse cualquier combinación adecuada de geometrías de diámetro pequeño, diámetro grande y cónicas (u otras) para afectar las propiedades de las partículas de carbono resultantes (por ejemplo, área superficial, estructura, morfología, etc.) y/o la formación de depósitos.
Considerando que el aguijón puede estar localizado muy cerca de la generación de calor (por ejemplo, generación de plasma), la o las pérdidas de calor debidas a los inyectores de la presente divulgación pueden ser sorprendentemente bajas. La o las pérdidas de calor debidas a los inyectores descritos en la presente memoria pueden estar por debajo de un valor determinado. La o las pérdidas de calor durante un proceso descrito en la presente memoria debidas a la presencia de al menos uno de dichos inyectores pueden ser, por ejemplo, menores de o iguales a aproximadamente un 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,5 %, 0,1 % o 0,05 % del total de energía aportada al proceso. Alternativamente, o además, la o las pérdidas de calor durante un proceso descrito en la presente memoria debidas a la presencia de al menos uno de dichos inyectores pueden ser, por ejemplo, mayores de o iguales a aproximadamente un 0 %, 0,05 %, 0,1 %, 0,5 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 % o 45 % del total de energía aportada al proceso. En algunos ejemplos, la o las pérdidas de calor resultantes de los inyectores de la presente divulgación (por ejemplo, pérdidas de calor debidas a un aguijón enfriado por agua) pueden ser menos de aproximadamente el 2 % de la energía (por ejemplo, energía de calentamiento) añadida al sistema (p. ej., para descomponer metano en negro de humo e hidrógeno).
Se puede utilizar protección contra la radiación para ayudar en la protección del aguijón. La protección contra la radiación puede comprender material de alta temperatura (por ejemplo, grafito o carburo de silicio) que puede absorber y reemitir radiación. La protección contra la radiación puede absorber al menos una porción (por ejemplo, la mayoría) de la radiación. La protección contra la radiación puede volver a emitir al menos una parte de la radiación. La protección contra la radiación puede evitar que el inyector (por ejemplo, un inyector enfriado, tal como, por ejemplo, un inyector enfriado por agua) quede expuesto a la carga térmica completa (por ejemplo, carga de calor radiativo) del arco de plasma (por ejemplo, que puede exceder los 5.000 °C en algunas zonas). La protección contra la radiación puede ser, por ejemplo, cilíndrica, cónica, cuadrada o rectangular.
Se pueden generar partículas de carbono (por ejemplo, negro de humo), o partículas de carbono (por ejemplo, negro de humo) e hidrógeno, con un rendimiento (por ejemplo, rendimiento de partículas de carbono basado en la tasa de conversión de la materia prima, basado en el hidrocarburo total inyectado, en un porcentaje en peso de carbono, medida en moles de carbono producto frente a moles de carbono reactante, o basado en la tasa de conversión total de la materia prima) de, por ejemplo, más de o igual a aproximadamente un 1 %, 5 %, 10 %, 25 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 %, 99,5 % o 99,9 %. Alternativamente, o además, las partículas de carbono se pueden generar con un rendimiento (por ejemplo, rendimiento de partículas de carbono basado en la tasa de conversión de la materia prima, basado en el hidrocarburo total inyectado, en una base de porcentaje en peso de carbono, medido en moles de carbono producto frente a moles de carbono reactante, o basado en la tasa de conversión total de la materia prima) de, por ejemplo, menos de o igual a aproximadamente un 100 %, 99,9 %, 99,5 %, 99 %, 98 %, 97 %, 96 %, 95 %, 94 %, 93 %, 92 %, 91 %, 90 %, 85 %,
80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 25 % o 5 %. En algunos ejemplos, las partículas de carbono (por ejemplo, negro de humo) y el hidrógeno se pueden producir con un rendimiento superior al 95 %. En algunos ejemplos, el rendimiento de nanopartículas de carbono basado en la tasa de conversión de hidrocarburos (por ejemplo, metano) puede ser superior al 90 %, 94 % o 95 %.
La geometría, así como las entradas paramétricas, descritas con mayor detalle en otra parte de la presente memoria, pueden afectar en algunos casos drásticamente el área de superficie, la estructura y/u otras propiedades de la o las partículas de carbono producidas (por ejemplo, negro de humo). La o las partículas de carbono (por ejemplo, partícula(s) de negro de humo) descritas en la presente memoria pueden tener varias combinaciones de las propiedades descritas en la presente memoria (por ejemplo, la o las partículas pueden tener una propiedad determinada en combinación con una o más de otras propiedades descritas en la presente memoria). Por ejemplo, la o las partículas de carbono pueden tener varias combinaciones de valores de N2SA, STSA, DBP, tote, d002 y L<c>descritos en la presente memoria.
El área superficial de la o las partículas de carbono (por ejemplo, partícula(s) de negro de humo) puede referirse, por ejemplo, al área superficial de nitrógeno (N2SA) (por ejemplo, área superficial Brunauer-Emmett-Teller (BET) basada en nitrógeno) y/o área de superficie de espesor estadístico (STSA). El N2SA y el STSA se pueden medir mediante ASTM D6556 (por ejemplo, ASTM D6556-10). Las áreas de superficie descritas en la presente memoria pueden referirse a áreas de superficie que excluyen la porosidad (interna) (por ejemplo, excluyendo el área de superficie porosa debido a cualquier poro interno). El área superficial (por ejemplo, N2SA y/o STSA ) puede ser, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente 5 m2/g, 10 m2/g, 11 m2/g, 12 m2/g, 13 m2/g, 14 m2/g, 15 m2/g, 16 m2/g, 17 m2/g,
18 m2/ 19 m2/ 20 m2/ 21 m2/ 22 m2/ 23 m2/ 24 m2/ 25 m2/ 26 m2/ 27 m2/ 28 m2 / 29 m2/ 30 m2/
,
240
m2/g, 16 m2/g, 15 m2/g, 14 m2/g, 13 m2/g, 12 m2/g, 11 m2/g, 10 m2/g o 5 m2/g. En algunos ejemplos, el N2SA y/o el STSA (por ejemplo, excluyendo los poros que son internos a las partículas primarias) de las partículas de carbono resultantes (por ejemplo, negro de humo) pueden estar entre 15 y 150 m2/g.
La estructura de las partículas de carbono (por ejemplo, partículas de negro de humo) se puede expresar en términos de absorción de ftalato de dibutilo (DBP), que mide la estructura relativa de las partículas de carbono (por ejemplo, negro de humo) determinando la cantidad de DBP que puede absorber una masa determinada de partículas de carbono (por ejemplo, negro de humo) antes de alcanzar un par objetivo viscorreológico específico. Un número de
DBP más bajo puede indicar un menor grado de agregación o estructura de partículas. El término estructura puede usarse indistintamente con el término DBP (por ejemplo, un material de alta estructura posee un alto valor de DBP).
Las estructuras descritas en la presente memoria pueden referirse a la estructura después de la peletización (por ejemplo, DBP después de la peletización). La absorción de DBP (también " DBP " en la presente memoria) se puede medir de acuerdo con ASTM D2414 (por ejemplo, ASTM D2414-12). La DBP puede ser, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente 1 ml/100 g, 5 ml/100 g, 10 ml/100 g, 15 ml/100 g, 20 ml/100 g, 25 ml/100 g, 32 ml/100 g, 40 ml/100 g, 45 ml/100 g, 50 ml/100 g, 55 ml/100 g, 56 ml/100 g, 57 ml/100 g, 58 ml/100 g, 59 ml/100 g,
60 ml/100 g, 61 ml/100 g, 62 ml/100 g, 63 ml/100 g, 64 ml/100 g, 65 ml/100 g, 66 ml/100 g, 67 ml/100 g,
68 ml/100 g, 69 ml/100 g, 70 ml/100 g, 71 ml/100 g, 72 ml/100 g, 73 ml/100 g, 74 ml/100 g, 75 ml/100 g,
76 ml/100 g, 78 ml/100 g, 80 ml/100 g, 81 ml/100 g, 82 ml/100 g, 83 ml/100 g, 84 ml/100 g, 85 ml/100 g,
86 ml/100 g, 87 ml/100 g, 88 ml/100 g, 89 ml/100 g, 90 ml/100 g, 91 ml/100 g, 92 ml/100 g, 93 ml/100 g,
94 ml/100 g, 95 ml/100 g, 96 ml/100 g, 97 ml/100 g, 98 ml/100 g, 99 ml/100 g, 100 ml/100 g, 101 ml/100 g,
105 ml/100 g, 109 ml/100 g, 110 ml/100 g, 111 ml/100 g, 112 ml/100 g, 113 ml/100 g, 114 ml/100 g, 115 ml/100 g, 116 ml/100 g, 117 ml/100 g, 118 ml/100 g, 119 ml/100 g, 120 ml/100 g, 121 ml/100 g, 122 ml/100 g, 123 ml/100 g, 124 ml/100 g, 125 ml/100 g, 126 ml/100 g, 127 ml/100 g, 128 ml/100 g, 129 ml/100 g, 130 ml/100 g, 131 ml/100 g, 132 ml/100 g, 134 ml/100 g, 135 ml/100 g, 136 ml/100 g, 137 ml/100 g, 138 ml/100 g, 140 ml/100 g, 142 ml/100 g, 145 ml/100 g, 150 ml/100 g, 155 ml/100 g, 160 ml/100 g, 165 ml/100 g, 170 ml/100 g, 175 ml/100 g, 180 ml/100 g, 185 ml/100 g, 190 ml/100 g, 195 ml/100 g, 200 ml/100 g, 205 ml/100 g, 210 ml/100 g, 215 ml/100 g, 220 ml/100 g, 225 ml/100 g, 230 ml/100 g, 235 ml/100 g, 240 ml/100 g, 245 ml/100 g, 250 ml/100 g, 255 ml/100 g, 260 ml/100 g, 265 ml/100 g, 270 ml/100 g, 275 ml/100 g, 280 ml/100 g, 285 ml/100 g, 290 ml/100 g, 295 ml/100 g o 300 ml/100 g.
Alternativamente, o además, el DBP puede ser, por ejemplo, menor de o igual a aproximadamente 300 ml/100 g,
295 ml/100 g, 290 ml/100 g, 285 ml/100 g, 280 ml/100 g, 275 ml/100 g, 270 ml/100 g, 265 ml/100 g, 260 ml/100 g, 255 ml/100 g, 245 ml/100 g, 240 ml/100 g, 235 ml/100 g, 230 ml/100 g, 225 ml/100 g, 220 ml/100 g, 215 ml/100 g, 210 ml/100 g, 205 ml/100 g, 200 ml/100 g, 195 ml/100 g, 190 ml/100 g, 185 ml/100 g, 180 ml/100 g, 175 ml/100 g, 170 ml/100 g, 165 ml/100 g, 160 ml/100 g, 155 ml/100 g, 150 ml/100 g, 145 ml/100 g, 142 ml/100 g, 140 ml/100 g, 138 ml/100 g, 137 ml/100 g, 136 ml/100 g, 135 ml/100 g, 134 ml/100 g, 132 ml/100 g, 131 ml/100 g, 130 ml/100 g, 129 ml/100 g, 128 ml/100 g, 127 ml/100 g, 126 ml/100 g, 125 ml/100 g, 124 ml/100 g, 123 ml/100 g, 122 ml/100 g, 121 ml/100 g, 120 ml/100 g, 119 ml/100 g, 118 ml/100 g, 117 ml/100 g, 116 ml/100 g, 115 ml/100 g, 114 ml/100 g, 113 ml/100 g, 112 ml/100 g, 111 ml/100 g, 110 ml/100 g, 109 ml/100 g, 105 ml/100 g, 101 ml/100 g, 100 ml/100 g, 99 ml/100 g, 98 ml/100 g, 97 ml/100 g, 96 ml/100 g, 95 ml/100 g, 94 ml/100 g, 93 ml/100 g, 92 ml/100 g, 91 ml/100 g, 90 ml/100 g, 89 ml/100 g, 88 ml/100 g, 87 ml/100 g, 86 ml/100 g, 85, ml/100 g, 84 ml/100 g, 83 ml/100 g, 82 ml/100 g, 81 ml/100 g, 80 ml/100 g, 78 ml/100 g, 76 ml/100 g, 75 ml/100 g, 74 ml/100 g, 73 ml/100 g, 72 ml/100 g, 71 ml/100 g, 70 ml/100 g, 69 ml/100 g, 68 ml/100 g, 67 ml/100 g, 66 ml/100 g, 65 ml/100 g, 64 ml/100 g, 63 ml/100 g, 62 ml/100 g, 61 ml/100 g, 60 ml/100 g, 59 ml/100 g, 58 ml/100 g, 57 ml/100 g, 56 ml/100 g, 55 ml/100 g, 50 ml/100 g, 45 ml/100 g, 40 ml/100 g o 32 ml/100 g. En algunos ejemplos, el DBP de las partículas de carbono resultantes (por ejemplo, negro de humo) puede ser mayor de 32 ml/100 g.
La transmitancia del extracto de tolueno (TOTE) de la o las partículas de carbono (por ejemplo, partícula(s) de negro de humo) se puede cuantificar, por ejemplo, usando ASTM D1618 (por ejemplo, ASTM D1618-99). La tote (también "TOTE" en la presente memoria) puede ser, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente un 50 %, 75 %, 80 %, 85 %, 86 %, 87 %, 88 %, 89 %, 90 %, 91 %, 91,5 %, 92 %, 92,5 %, 93 %, 93,5 %, 94 %, 94,5 %, 95 %, 95.5 %, 96 %, 96,5 %, 97 %, 97,5 %, 98 %, 98,5 %, 99 %, 99,1 %, 99,2 %, 99,3 %, 99,4 %, 99,5 %, 99,5 %, 99,7 %, 99,8 %, 99,9 % o 100 %. Alternativamente, o además, la tote puede ser, por ejemplo, menor de o igual a aproximadamente un 100 %, 99,9 %, 99,8 %, 99,7 %, 99,5 %, 99,5 %, 99,4 %, 99,3 %, 99,2 %, 99,1 %. 99 %, 98.5 %, 98 %, 97,5 %, 97 %, 96,5 %, 96 %, 95,5 %, 95 %, 94,5 %, 94 %, 93,5 %, 93 %, 92,5 %, 92 %, 91,5 %, 91 %, 90 %, 89 %, 88 %, 87 %, 86 %, 85 %, 80 %, 75 % o 50 %.
La cristalinidad de la o las partículas de carbono (por ejemplo, nanopartícula(s) de carbono) se puede medir, por ejemplo, mediante difractometría de cristal de rayos X (XRD). Por ejemplo, se puede utilizar radiación Cu K alfa a una tensión de 40 kV (kilovoltios) y una corriente de 44 mA (miliamperios). La velocidad de exploración puede ser de 1,3 grados/minuto desde 2 theta igual a 12 a 90 grados. El pico de 002 de grafito se puede analizar utilizando la ecuación de Scherrer para obtener valores de L<c>(constante de red) y d002 (espaciamiento de red del pico de 002 de grafito). Valores mayores de L<c>pueden corresponder a un mayor grado de cristalinidad. Los valores de espaciado de red más pequeños (d002) pueden corresponder a una mayor cristalinidad o una estructura de red más similar al grafito. Un espaciado de red mayor (d002) de, por ejemplo, 0,36 nm o mayor, puede ser indicativo de carbono turboestrático. La L<c>puede ser, por ejemplo, mayor de o igual aproximadamente a 0,1 nm, 0,5 nm, 1 nm, 1,1 nm, 1.2 nm, 1,3 nm, 1,4 nm, 1,5 nm, 1,6 nm, 1,7 nm, 1,8 nm, 1,9 nm, 2 nm, 2,1 nm, 2,2 nm, 2,3 nm, 2,4 nm, 2,5 nm, 2,6 nm, 2,7 nm, 2,8 nm, 2,9 nm, 3 nm, 3,1 nm, 3,2 nm, 3,3 nm, 3,4 nm, 3,5 nm, 4 nm, 4,5 nm, 5 nm, 5,5 nm, 6 nm, 6,1 nm, 6,2 nm, 6,3 nm, 6,4 nm, 6,5 nm, 6,6 nm, 6,7 nm, 6,8 nm, 6,9 nm, 7 nm, 7,1 nm, 7,2 nm, 7,3 nm, 7,4 nm, 7.5 nm, 7,6 nm, 7,7 nm, 7,8 nm, 7,9 nm, 8 nm, 8,1 nm, 8,2 nm, 8,3 nm, 8,4 nm, 8,5 nm, 8,6 nm, 8,7 nm, 8,8 nm, 8.9 nm, 9,1 nm, 9 nm, 9,2 nm, 9,3 nm, 9,4 nm, 9,5 nm, 9,6 nm, 9,7 nm, 9,8 nm, 9,9 nm, 10 nm, 10,1 nm, 10,2 nm, 10,3 nm, 10,4 nm, 10,5 nm, 10,6 nm, 10,7 nm, 10,8 nm, 10,9 nm, 11 nm, 11,1 nm, 11,2 nm, 11,3 nm, 11,4 nm, 11.5 nm, 11,6 nm, 11,7 nm, 11,8 nm, 11,9 nm, 12 nm, 12,1 nm, 12,2 nm, 12,3 nm, 12,4 nm, 12,5 nm, 12,6 nm, 12.7 nm, 12,8 nm, 12,9 nm, 13 nm, 13,1 nm, 13,2 nm, 13,3 nm, 13,4 nm, 13,5 nm, 13,6 nm, 13,7 nm, 13,8 nm, 13.9 nm, 14 nm, 14,5 nm, 15 nm, 15,5 nm, 16 nm, 16,5 nm, 17 nm, 17,5 nm, 18 nm, 18,5 nm, 19 nm, 19,5 nm o 20 nm. Alternativamente, o además, la L<c>puede ser, por ejemplo, menor de o igual aproximadamente a 20 nm, 19.5 nm, 19 nm, 18,5 nm, 18 nm, 17,5 nm, 17 nm, 16,5 nm, 16 nm, 15,5 nm, 15 nm, 14,5 nm, 14 nm, 13,9 nm, 13.8 nm, 13,7 nm, 13,6 nm, 13,5 nm, 13,4 nm, 13,3 nm, 13,2 nm, 13,1 nm, 13 nm, 12,9 nm, 12,8 nm, 12,7 nm, 12.6 nm, 12,5 nm, 12,4 nm, 12,3 nm, 12,2 nm, 12,1 nm, 12 nm, 11,9 nm, 11,8 nm, 11,7 nm, 11,6 nm, 11,5 nm, 11.4 nm, 11,3 nm, 11,2 nm 11,1 nm, 11 nm, 10,9 nm, 10,8 nm, 10,7 nm, 10,6 nm, 10,5 nm, 10,4 nm, 10,3 nm, 10.2 nm, 10,1 nm, 10 nm, 9,9 nm, 9,8 nm, 9,7 nm, 9,6 nm, 9,5 nm, 9,4 nm, 9,3 nm, 9,2 nm, 9,1 nm, 9 nm, 8,9 nm, 8,8 nm, 8,7 nm, 8,6 nm, 8,5 nm, 8,4 nm, 8,3 nm, 8,2 nm, 8,1 nm, 8 nm, 7,9 nm, 7,8 nm, 7,7 nm, 7,6 nm, 7,5 nm, 7.4 nm, 7,3 nm, 7,2 nm, 7,1 nm, 7 nm, 6,9 nm, 6,8 nm, 6,7 nm, 6,6 nm, 6,5 nm, 6,4 nm, 6,3 nm, 6,2 nm, 6,1 nm, 6 nm, 5,5 nm, 5 nm, 4,5 nm, 4 nm, 3,5 nm, 3,4 nm, 3,3 nm, 3,2 nm, 3,1 nm, 3 nm, 2,9 nm, 2,8 nm, 2,6 nm, 2,5 nm, 2,4 nm, 2,3 nm, 2,2 nm, 2,1 nm, 2 nm, 1,9 nm, 1,8 nm, 1,7 nm, 1,6 nm o 1,5 nm. El d002 puede ser, por ejemplo, menor de o igual a aproximadamente 0,5 nm, 0,49 nm, 0,48 nm, 0,47 nm, 0,46 nm, 0,45 nm, 0,44 nm, 0,43 nm, 0,42 nm, 0,41 nm, 0,4 nm, 0,395, 0,39 nm, 0,385 nm, 0,38 nm, 0,375 nm, 0,37 nm, 0,369 nm, 0,368 nm, 0,367 nm, 0,366 nm, 0,365 nm, 0,364 nm, 0,363 nm, 0,362 nm, 0,361 nm, 0,360 nm, 0,359 nm, 0,358 nm, 0,357 nm, 0,356 nm, 0,355 nm, 0,354 nm, 0,353 nm, 0,352 nm, 0,351 nm, 0,350 nm, 0,349 nm, 0,348 nm, 0,347 nm, 0,346 nm, 0,345 nm, 0,344 nm, 0,343 nm, 0,342 nm, 0,341 nm, 0,340 nm, 0,339 nm, 0,338 nm, 0,337 nm, 0,336 nm, 0,335 nm, 0,334 nm, 0,333 nm o 0,332 nm. Alternativamente, o además, el d002 puede ser, por ejemplo, mayor de o igual a aproximadamente 0,332 nm, 0,333 nm, 0,334 nm, 0,335 nm, 0,336 nm, 0,337 nm, 0,338 nm, 0,339 nm, 0,340 nm, 0,341 nm, 0,342 nm, 0,343 nm, 0,344 nm, 0,345 nm, 0,346 nm, 0,347 nm, 0,348 nm, 0,349 nm, 0,350 nm, 0,351 nm, 0,352 nm, 0,353 nm, 0,354 nm, 0,355 nm, 0,356 nm, 0,357 nm, 0,358 nm, 0,359 nm, 0,360 nm, 0,361 nm, 0,362 nm, 0,363 nm, 0,364 nm, 0,365 nm, 0,366 nm, 0,367 nm, 0,368 nm, 0,369 nm, 0,37 nm, 0,375 nm, 0,38 nm, 0,385 nm, 0,39 nm, 0,395 nm, 0,4 nm, 0,41 nm, 0,42 nm, 0,43 nm, 0,44 nm, 0,45 nm, 0,46 nm, 0,47 nm, 0,48 nm o 0,49 nm. En algunos ejemplos, las partículas producidas (por ejemplo, partículas de carbono tales como, por ejemplo, negro de humo) pueden tener un L<c>mayor de aproximadamente 3,5 nm y un d002 menor de aproximadamente 0,36 nm.
Ejemplos
Ejemplo 1
Las muestras se fabrican usando una configuración similar a la que se muestra en la FIG. 1 conD1de 85 mm,D2de 446 mm,D3de 1.350 mm,D4de 73 mm,D6de 1.200 mm y a de 40°. Se inserta un inyector de hidrocarburos enfriado por agua en el centro de dos electrodos concéntricos. Los electrodos se operan a 650 kW. El caudal de hidrógeno en el espacio anular entre los electrodos es de 243 Nm<3>/h (metros cúbicos normales/hora). El flujo axial de hidrógeno dentro del electrodo interior es de 45 Nm<3>/h. El flujo de protección de hidrógeno fuera del electrodo exterior es de 45 Nm<3>/h. Se inyecta gas natural a razón de 88 kg/hora. El rendimiento de las nanopartículas de carbono basado en la tasa de conversión de metano es superior al 95 %. El área superficial del nitrógeno es 25 m<2>/g, STSA es 27 m<2>/g y el DBP es 70 ml/100 g. La transmitancia del extracto de tolueno es del 94 %. L<c>según XRD en polvo es de 6,8 nm y d002 es de 0,347 nm. Las pérdidas de calor debidas al aguijón refrigerado por agua son inferiores a 8 kW.
Ejemplo 2
Las muestras se fabrican usando una configuración similar a la que se muestra en la FIG. 1 conD1de 85 mm,D2de 446 mm,D3de 1.350 mm,D4de 73 mm,D6de 1.200 mm y a de 40°. Se inserta un inyector de hidrocarburos enfriado por agua en el centro de dos electrodos concéntricos. Los electrodos se operan a 600 kW. El caudal de hidrógeno en el espacio anular entre los electrodos es de 177 Nm<3>/h (metros cúbicos normales/hora). El flujo axial de hidrógeno dentro del electrodo interior es de 140 Nm<3>/h. El flujo de protección de hidrógeno fuera del electrodo exterior es de 150 Nm<3>/h. Se inyecta gas natural a razón de 48 kg/hora. El rendimiento de las nanopartículas de carbono basado en la tasa de conversión de metano es superior al 95 %. El área superficial del nitrógeno es 48 m<2>/g, STSA es 51 m<2>/g y el DBP es 137 ml/100 g. La transmitancia del extracto de tolueno es del 100 %. L<c>según XRD en polvo es de 9,8 nm y d002 es de 0,345 nm. Las pérdidas de calor debidas al aguijón refrigerado por agua son inferiores a 8 kW.
Por lo tanto, el alcance de la invención incluirá todas las modificaciones y variaciones que puedan encontrarse dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Otras realizaciones de la invención resultarán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la consideración de la memoria descriptiva y la práctica de la invención divulgada en la presente memoria. Se pretende que la memoria descriptiva y los ejemplos se consideren únicamente ejemplares, estando indicado el verdadero alcance de la invención mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un reactor generador de partículas de negro de humo (100), que comprende:
una sección generadora de plasma que contiene electrodos concéntricos (102, 103) configurados para generar un plasma; en donde una pared (106) de la sección generadora de plasma está a una distancia de 73 mm a 450 mm del electrodo exterior (102) de los electrodos concéntricos;
una sección de reactor conectada a la sección generadora de plasma; y
al menos un inyector de hidrocarburos (104) localizado dentro de los electrodos concéntricos, en donde un una temperatura centralmente dentro de los electrodos concéntricos es menor que la temperatura del plasma generado por los electrodos concéntricos.
2. El reactor (100) de la reivindicación 1, en donde el al menos un inyector de hidrocarburos (104) está localizado centralmente dentro de los electrodos concéntricos (102, 103).
3. El reactor (100) de la reivindicación 1, que comprende además una pluralidad de inyectores de hidrocarburos (104) contenidos dentro de los electrodos concéntricos (102, 103).
4. El reactor (100) de la reivindicación 1, en donde el al menos un inyector de hidrocarburos (104) está enfriado.
5. El reactor (100) de la reivindicación 1, en donde el al menos un inyector de hidrocarburos (104) está localizado centralmente dentro de los electrodos concéntricos (102, 103) donde la temperatura es menos de la mitad de la temperatura del plasma generado por los electrodos concéntricos.
6. El reactor (100) de la reivindicación 1, en donde el al menos un inyector de hidrocarburos (104) comprende tres tubos concéntricos que crean dos anillos para enfriamiento y un camino central para la inyección de materia prima de hidrocarburos.
7. Un proceso para fabricar partículas de negro de humo en un reactor según la reivindicación 1, que comprende: generar un arco de plasma en una zona de alta temperatura del reactor (100) con los electrodos concéntricos (102, 103); e
inyectar un hidrocarburo en el reactor para formar las partículas de negro de humo, en donde el hidrocarburo se inyecta en el reactor a través del al menos un inyector de hidrocarburos (104) localizado dentro de los electrodos concéntricos.
8. El proceso de la reivindicación 7, en donde el al menos un inyector de hidrocarburos (104) está localizado centralmente dentro de los electrodos concéntricos (102, 103), y en donde la temperatura centralmente dentro de los electrodos concéntricos es menos de la mitad de la temperatura del arco de plasma.
9. El proceso de la reivindicación 7, en donde el hidrocarburo inyectado en el reactor forma las partículas de negro de humo e hidrógeno después de pasar a través de la sección generadora de plasma.
10. El proceso de la reivindicación 7, en donde el hidrocarburo es gas natural.
11. El proceso de la reivindicación 7, en donde el al menos un inyector de hidrocarburos (104) comprende tres tubos concéntricos que crean dos anillos para enfriamiento y un camino central para el hidrocarburo.
12. El proceso de la reivindicación 7, en donde el al menos un inyector de hidrocarburos (104) está posicionado de manera que la pérdida de calor debida al al menos un inyector de hidrocarburos sea inferior a aproximadamente el 20 % de la entrada total de energía al proceso.
13. El proceso de la reivindicación 12, en donde el al menos un inyector de hidrocarburos (104) está posicionado de manera que la pérdida de calor sea menor de aproximadamente el 5 % de la entrada total de energía al proceso.
14. El proceso de la reivindicación 7, que comprende además una etapa de hacer fluir hidrocarburo desde el inyector enfriado a un tubo no enfriado que actúa como un inyector, pero se le permite calentarse hasta una temperatura superior a aproximadamente 1.600 °C.
15. El proceso de la reivindicación 14, en donde el tubo no enfriado comprende carbono o carburo de silicio u otro material de alta temperatura capaz de sobrevivir a temperaturas superiores a aproximadamente 1.600 °C.
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