Claims (30)
1. Процесс преобразования газов и газовых смесей, в частности для производства водорода и технического углерода, при атмосферном, ниже атмосферного или выше атмосферного давления турбулентной среднетемпературной плазмой (PIT ТСТП), отличающийся тем, что технологические параметры процесса соответствуют следующим условиям1. The process of converting gases and gas mixtures, in particular for the production of hydrogen and carbon black, at atmospheric, sub-atmospheric or above-atmospheric pressure by turbulent medium-temperature plasma (PIT TSTP), characterized in that the technological parameters of the process correspond to the following conditions
где е - заряд электрона;where e is the electron charge;
U - напряжение на электродах;U is the voltage at the electrodes;
H - энергия связи молекулярных компонентов обрабатываемого продукта;H is the binding energy of the molecular components of the processed product;
L - активная длина (т.е. длина реакторного пространства, ограничивающая проведение целевой плазмохимической реакции PIT ТСТП);L is the active length (i.e., the length of the reactor space that limits the conduct of the target plasma-chemical reaction PIT TSTP);
D - средний диаметр зоны, в которой осуществляются целевые плазмохимические реакции PIT ТСТП;D is the average diameter of the zone in which the target plasma-chemical reactions PIT TSTP are carried out;
Р - давление;P - pressure;
Тn - температура среды (газа или газовой смеси), подвергающейся плазмохимической реакции PIT ТСТП;Tn is the temperature of the medium (gas or gas mixture) undergoing the plasma-chemical reaction PIT TSTP;
V - средняя скорость газа(ов) или газовых смесей, подлежащих обработке в зоне плазмохимической реакции PIT ТСТП;V is the average speed of gas(s) or gas mixtures to be processed in the plasma-chemical reaction zone PIT TSTP;
k - постоянная Больцмана;k is Boltzmann's constant;
ρ - средняя плотность газа, подвергающегося плазмохимической реакции PIT ТСТП;ρ is the average density of the gas undergoing the plasma-chemical reaction PIT TSTP;
μ- средняя динамическая вязкость газа, подвергающегося плазмохимической реакции PIT ТСТП;μ is the average dynamic viscosity of the gas undergoing the plasma-chemical reaction PIT TSTP;
Qen - среднее сечение упругого взаимодействия между электронами и нейтральными частицами газа, подвергающегося плазмохимической реакции PIT ТСТП;Qen is the average cross section of the elastic interaction between electrons and neutral particles of the gas undergoing the plasma-chemical reaction PIT TSTP;
Qan - среднее сечение неупругого взаимодействия между активными частицами плазмы и частицами газа, подвергающегося плазмохимической реакции PIT ТСТП;Qan is the average cross section of the inelastic interaction between active plasma particles and gas particles undergoing the plasma-chemical reaction PIT TSTP;
Qrel - эффективное сечение релаксации активированных частиц плазмы;Qrel is the effective relaxation cross section of activated plasma particles;
ξ - эффективный коэффициент релаксации.ξ is the effective relaxation coefficient.
m* - соотношение mn/me,m* - mn/me ratio,
me - масса электронов;me is the mass of electrons;
mn - масса молекул газа или газовой смеси, подвергающейся плазмохимической реакции PIT ТСТП.mn is the mass of gas molecules or a gas mixture undergoing the plasma-chemical reaction PIT TSTP.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что режим генерации плазмы PIT ТСТП, в частности количество генераторов и их взаимное расположение друг относительно друга, позволяет оптимизировать структуру потока плазмы PIT ТСТП и ее контакт с газом или газовой смеси, подлежащей плазмохимической реакции, путем изменения амплитуды тока и напряжения, а также частоты электрических импульсов, временных интервалов между импульсами, а также последовательности генерации и распределения импульсов через определенный промежуток времени.2. The method according to claim 1, characterized in that the PIT TSTP plasma generation mode, in particular the number of generators and their relative position relative to each other, makes it possible to optimize the structure of the PIT TSTP plasma flow and its contact with the gas or gas mixture subject to the plasma-chemical reaction, by changing the amplitude of current and voltage, as well as the frequency of electrical pulses, time intervals between pulses, as well as the sequence of generation and distribution of pulses over a certain period of time.
3. Способ по п.1, обеспечивающий рециркуляцию в замкнутом контуре компонентов плазмохимической реакции, не полностью преобразованных в ходе первичной обработки, с целью получения полного преобразования в процессе плазмохимической реакции.3. The method according to claim 1, providing recirculation in a closed loop of components of the plasma-chemical reaction that are not completely converted during the primary treatment, in order to obtain complete conversion in the process of the plasma-chemical reaction.
4. Устройство для реализации способа по п.1, отличающееся тем, что плазма (2), содержащая плазменные каналы PIT ТСТП (4), создающие турбулентность в пространстве плазменной струи (2), генерируется в герметичном для воздуха или кислорода реакторе (23), цилиндрической или конической формы, исключающем влияние окружающей атмосферы на целевую плазмохимическую реакцию, реактор, в который встроен(ы) плазмотрон(ы) PIT ТСТП (1), электроды которого изготовлены из меди или углерода, (3 ), расположены параллельно оси реактора, зона целевой плазмохимической реакции PIT ТСТП расположена по оси реактора (8), цилиндрической или конической формы, в целевую зону через плазмотрон PIT ТСТП вводится газ или смесь газов, подлежащую реакции. Ввод в плазмотрон(ы) происходит по продольной оси плазмотрона, через сетку-ламинаризатор (7), при этом зона реакции и стенки реактора защищены коаксиальным потоком газа (5), результаты плазмохимической реакции PIT ТСТП откачиваются с помощью сепаратора (12), состоящего из трубопроводов и коаксиальных коллекторов (11, 13), предназначенных для разделения газообразных твердых продуктов реакции по их удельным массам.4. A device for implementing the method according to claim 1, characterized in that the plasma (2), containing plasma channels PIT TSTP (4), creating turbulence in the space of the plasma jet (2), is generated in a reactor sealed for air or oxygen (23) , cylindrical or conical shape, excluding the influence of the surrounding atmosphere on the target plasma-chemical reaction, the reactor, in which the plasma torch(s) PIT TSTP (1) is built in, the electrodes of which are made of copper or carbon, (3), are located parallel to the axis of the reactor, the target plasma-chemical reaction zone PIT TSTP is located along the axis of the reactor (8), cylindrical or conical in shape; a gas or a mixture of gases to be reacted is introduced into the target zone through the plasmatron PIT TSTP. Entry into the plasmatron(s) occurs along the longitudinal axis of the plasmatron, through a laminarizer mesh (7), while the reaction zone and reactor walls are protected by a coaxial gas flow (5), the results of the plasma-chemical reaction PIT TSTP are pumped out using a separator (12), consisting of pipelines and coaxial manifolds (11, 13), designed to separate gaseous solid reaction products by their specific masses.
5. Устройство по п.3, в котором установлены компрессоры, регуляторы расхода и клапаны (15) для управления потоками в реакторе, в частности контуры, позволяющие добиться газодинамической защиты стенок реактора и зоны плазмохимической реакции PIT ТСТП (5), а также откачки продуктов плазмохимической реакции PIT ТСТП и возврат их в зону реакции.5. The device according to claim 3, in which compressors, flow regulators and valves (15) are installed to control flows in the reactor, in particular circuits that allow achieving gas-dynamic protection of the reactor walls and the plasma-chemical reaction zone PIT TSTP (5), as well as pumping out products plasma-chemical reaction PIT TSTP and returning them to the reaction zone.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зона плазмохимической реакции PIT ТСТП (20) отделена от газозащитной зоны (5) трубчатым, цилиндрическим или коническим устройством (18), изготовленным из изоляционного материала.6. The device according to claim 1, characterized in that the plasma-chemical reaction zone PIT TSTP (20) is separated from the gas-protective zone (5) by a tubular, cylindrical or conical device (18) made of insulating material.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поток газа проходит через закручивающее устройство (22), вызывающее завихрение газового потока в зоне плазмохимической реакции PIT ТСТП (20).7. A device according to claim 1, characterized in that the gas flow passes through a swirling device (22), causing turbulence of the gas flow in the plasma-chemical reaction zone PIT TSTP (20).
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генераторы PIT ТСТП расположены либо рядом друг с другом, либо диаметрально противоположно оси плазмотрона, либо разделены двумя, тремя или более электродами, с целью оптимизации процесса передачи энергии, вырабатываемой в зоне разряда PIT ТСТП, частицам газа, подлежащего плазмохимической реакции.8. The device according to claim 1, characterized in that the PIT TSTP generators are located either next to each other, or diametrically opposite the axis of the plasmatron, or separated by two, three or more electrodes, in order to optimize the process of transferring energy generated in the discharge zone of the PIT TSTP , gas particles subject to a plasma-chemical reaction.
9. Устройство по одному из пп.3-6, отличающееся тем, что оно предназначено для преобразования газов или газовых смесей PIT ТСТП с целью производства водорода и технического углерода путем распада метана или природного газа на молекулы водорода и углерода.9. A device according to one of claims 3-6, characterized in that it is intended for converting gases or gas mixtures PIT TSTP for the purpose of producing hydrogen and carbon black by decomposing methane or natural gas into hydrogen and carbon molecules.
10. Устройство для реализации способа по п.1, отличающееся тем, что параметры процесса PIT ТСТП, в частности напряжение между электродами, а также конфигурация систем подачи вещества в зону разряда PIT ТСТП, допускает подачу твердых частиц, таких как частицы технического углерода или частицы, образующиеся в результате распыления жидких продуктов, например углеводородов, и обеспечивает разложение на газообразные компоненты под воздействием свободных электронов и активных частиц молекул плазмы PIT ТСТП на поверхность подаваемых в реактор твердых частиц, например угольной пыли, или частиц, образующихся в результате распыления жидких продуктов, таких как, например, углеводороды.10. A device for implementing the method according to claim 1, characterized in that the parameters of the PIT TSTP process, in particular the voltage between the electrodes, as well as the configuration of the substance supply systems in the PIT TSTP discharge zone, allow the supply of solid particles, such as carbon black particles or particles , formed as a result of atomization of liquid products, such as hydrocarbons, and ensures decomposition into gaseous components under the influence of free electrons and active particles of plasma molecules PIT TSTP on the surface of solid particles supplied to the reactor, for example, coal dust, or particles formed as a result of atomization of liquid products, such as hydrocarbons.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разряд PIT ТСТП расположен в газовом канале с завихрением, создаваемым тангенциально подаваемой жидкостью, например водой, для отделения тяжелых компонентов от легких компонентов, образующихся в разряде PIT ТСТП, а также для охлаждения устройства и формирования побочного товарного продукта, например, состоящего из воды и технического углерода. 11. The device according to claim 1, characterized in that the PIT TSTP discharge is located in a gas channel with vortex created by a tangentially supplied liquid, for example water, to separate heavy components from light components formed in the PIT TSTP discharge, as well as for cooling the device and formation of a commercial by-product, for example, consisting of water and carbon black.