RU2342317C2 - Method of obtaining hydrogen and device for its realisation - Google Patents

Method of obtaining hydrogen and device for its realisation Download PDF

Info

Publication number
RU2342317C2
RU2342317C2 RU2006138580/15A RU2006138580A RU2342317C2 RU 2342317 C2 RU2342317 C2 RU 2342317C2 RU 2006138580/15 A RU2006138580/15 A RU 2006138580/15A RU 2006138580 A RU2006138580 A RU 2006138580A RU 2342317 C2 RU2342317 C2 RU 2342317C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
catalyst
microwave
shf
temperature
Prior art date
Application number
RU2006138580/15A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006138580A (en
Inventor
Леонид Михайлович Блинов (RU)
Леонид Михайлович Блинов
Александр Павлович Герасименко (RU)
Александр Павлович Герасименко
Анатолий Васильевич Долголаптев (RU)
Анатолий Васильевич Долголаптев
Леонид Модестович Кустов (RU)
Леонид Модестович Кустов
Original Assignee
Леонид Михайлович Блинов
Александр Павлович Герасименко
Анатолий Васильевич Долголаптев
Леонид Модестович Кустов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Леонид Михайлович Блинов, Александр Павлович Герасименко, Анатолий Васильевич Долголаптев, Леонид Модестович Кустов filed Critical Леонид Михайлович Блинов
Priority to RU2006138580/15A priority Critical patent/RU2342317C2/en
Publication of RU2006138580A publication Critical patent/RU2006138580A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2342317C2 publication Critical patent/RU2342317C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C01B3/26Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using catalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to group of inventions. Hydrogen is obtained by dehydration of organic substrate on the basis of naphtene hydrocarbons in contact with catalyst, containing platinum on carbon carrier (Pt/C). In carrying out dehydration process, catalyst is heated in electrodynamically coordinated resonance mode of electromagnetic field of SHF resonator, excited by fluctuations of "ТМ"01p type, where p is integer, catalyst Pt/C being placed into reactor made in form of quartz tube, which is placed co-axially with SHF resonator in area of maximal electric field. Device contains system of hydrated organic substrate supply, continuous reactor with Pt/C catalyst in form of granules or powder, SHF resonator, co-axial cable with loop coupler for resonator excitation, fibre-optic sensor, controlling catalyst temperature, amplifier of SHF resonator power, master oscillator, electrically switched over in frequency of electromagnetic SHF fluctuations in band of SHF resonator power amplifier, sensor of control through directional coupler and detector section of SHF resonator power, reflected from inlet into resonator, for automatic resonance SHF resonator tuning, attenuator, electrically controlled for regulating outlet SHF resonator power and supporting optimal catalyst temperature, programme device for controlling process in required modes of obtaining hydrogen.
EFFECT: reduction of energy consumption, increase hydrogen output.
7 cl

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для получения водорода реакцией дегидрирования предварительно гидрированных органических соединений (нафтеновых углеводородов, получаемых из ароматических углеводородов) под действием гетерогенных катализаторов на основе платины и углеродного носителя и может быть использовано для получения экологически чистого топлива для топливных элементов автомобилей, а также в других устройствах и средствах, энергетических установках, оснащенных водородными двигателями.The invention relates to methods and devices for producing hydrogen by the dehydrogenation reaction of pre-hydrogenated organic compounds (naphthenic hydrocarbons obtained from aromatic hydrocarbons) under the action of heterogeneous catalysts based on platinum and a carbon carrier and can be used to produce environmentally friendly fuel for automobile fuel cells, and in other devices and means, power plants equipped with hydrogen engines.

Водород в настоящее время при решении проблемы функционирования систем его обратимого хранения (накопления) и использования может использоваться в качестве альтернативного вида топлива.At present, when solving the problem of the functioning of the systems of its reversible storage (accumulation) and use, hydrogen can be used as an alternative type of fuel.

Отсутствие эффективных систем хранения водорода является ограничивающим фактором его использования в качестве автомобильного топлива.The lack of efficient hydrogen storage systems is a limiting factor of its use as automobile fuel.

В настоящее время запатентован ряд материалов, способных к накоплению определенного количества водорода на единицу объема или веса (патенты US 5199972, кл. B22F 1/02, 1993; US 5702491, Кл. В01J 7/02, 1997; US 6074447, кл. В01J 3/00, 2000; US 618271, кл. В60К 15/03, 2001).Currently, a number of materials have been patented that are capable of accumulating a certain amount of hydrogen per unit volume or weight (patents US 5199972, CL B22F 1/02, 1993; US 5702491, CL B01J 7/02, 1997; US 6074447, CL B01J 3/00, 2000; US 618271, CL BKK 15/03, 2001).

Однако для всех известных материалов, способных накапливать водород, существуют проблемы быстрого выделения водорода и циклического использования (многократные циклы гидрирования-дегидрирования) применительно к топливным элементам, используемым в автомобилях.However, for all known materials capable of storing hydrogen, there are problems of rapid hydrogen evolution and cyclic use (multiple hydrogenation-dehydrogenation cycles) in relation to fuel cells used in automobiles.

Основными недостатками таких материалов является следующее.The main disadvantages of such materials are the following.

1. Продолжительное время, необходимое в целом для выделения водорода при использовании традиционного термического нагрева катализатора и каталитической системы.1. The long time required in general for hydrogen evolution using traditional thermal heating of the catalyst and catalyst system.

2. Значительная инерционность при смене режимов термического нагрева композиционной каталитической системы, влияющая на скорость выделения водорода и недопустимая для работы топливного элемента автомобиля (режимы пуска и остановки, ускорения и замедления).2. Significant inertia when changing the modes of thermal heating of the composite catalytic system, affecting the rate of hydrogen evolution and unacceptable for the operation of the fuel cell of the car (start and stop modes, acceleration and deceleration).

3. Высокая температура процесса выделения водорода (более 300°С) и связанные с этим проблемы уноса органического субстрата, имеющего температуру кипения, близкую к температуре процесса.3. The high temperature of the process of hydrogen evolution (more than 300 ° C) and the related problems of entrainment of an organic substrate having a boiling point close to the process temperature.

4. Отсутствие возможности многократной заправки материалов водородом, а следовательно, и многократного выделения водорода с высокой скоростью из композиционной каталитической системы (циклический режим заправки и выделения).4. The lack of the possibility of multiple refueling of materials with hydrogen, and consequently, of multiple hydrogen evolution at high speed from a composite catalyst system (cyclic mode of filling and separation).

5. Отсутствие возможности осуществить автоматизацию процесса выделения водорода из-за продолжительности и инерционности системы термического нагрева.5. The inability to automate the process of hydrogen evolution due to the duration and inertia of the thermal heating system.

Известен каталитический способ производства водорода и углеродных материалов, при котором С14 углеводородные газы разлагают на металлсодержащем катализаторе при температуре 500-600°С с последующим отделением газообразных продуктов разложения от образующегося на катализаторе углеродного материала. Газообразные продукты разложения подвергают разделению путем связывания водорода при контактировании с ароматическими углеводородами в зоне каталитического гидрирования, после чего связанный водород в виде циклогексановых углеводородов отделяют от непрореагировавших исходных углеводородов, которые затем рециркулируют в зону разложения. Циклогексановые углеводороды направляют в зону каталитического дегидрирования, где происходит образование чистого водорода, а углеводородные продукты дегидрирования возвращают в зону гидрирования. Изобретение позволяет обеспечить полную степень конверсии исходного углеводородного сырья, а также получить углеродный материал и газообразный водород высокой степени чистоты (RU 2160698, кл. С01 В 3/26, 2000).A known catalytic method for the production of hydrogen and carbon materials, in which C 1 -C 4 hydrocarbon gases are decomposed on a metal-containing catalyst at a temperature of 500-600 ° C, followed by separation of gaseous decomposition products from the carbon material formed on the catalyst. The gaseous decomposition products are separated by hydrogen bonding in contact with aromatic hydrocarbons in the catalytic hydrogenation zone, after which the bound hydrogen in the form of cyclohexane hydrocarbons is separated from the unreacted starting hydrocarbons, which are then recycled to the decomposition zone. Cyclohexane hydrocarbons are sent to the catalytic dehydrogenation zone, where pure hydrogen is formed, and the hydrocarbon dehydrogenation products are returned to the hydrogenation zone. The invention allows to ensure the full degree of conversion of the original hydrocarbon feedstock, as well as to obtain carbon material and hydrogen gas of high purity (RU 2160698, class C01 B 3/26, 2000).

Недостатком данного способа является высокая температура - процесс в зоне дегидрирования осуществляют при температуре 300-500°С на катализаторе, содержащем металл(ы) VIII группы, многостадийность процесса, необходимость непрерывного добавления свежего катализатора в зону разложения.The disadvantage of this method is the high temperature - the process in the dehydrogenation zone is carried out at a temperature of 300-500 ° C on a catalyst containing group VIII metal (s), a multi-stage process, the need for continuous addition of fresh catalyst to the decomposition zone.

Наиболее близким к настоящему изобретению (прототипом изобретения) является способ выделения водорода на основе обратимых реакций гидрирования-дегидрирования органических соединений (субстратов различных ароматических углеводородов) под действием гетерогенных катализаторов на основе металлов платиновой группы, нанесенных на углеродный или оксидный носитель ((RU 2281154, кл. B01J 7/00, 2006).Closest to the present invention (the prototype of the invention) is a method of hydrogen evolution based on reversible hydrogenation-dehydrogenation reactions of organic compounds (substrates of various aromatic hydrocarbons) under the action of heterogeneous catalysts based on platinum group metals supported on a carbon or oxide carrier ((RU 2281154, cells B01J 7/00, 2006).

Недостатками данного способа является следующее:The disadvantages of this method is the following:

- высокая температура (270-340°С), при которой осуществляется стадия выделения водорода из композитной каталитической системы;- high temperature (270-340 ° C), at which the stage of hydrogen evolution from the composite catalyst system is carried out;

- недостаточная для эффективного использования в топливном элементе автомобиля скорость выделения водорода, достигнутая обычным термическим нагревом композитной каталитической системы, что подтверждается экспериментальными данными таблиц №1 и №2 описания вышеупомянутого патента);- insufficient for effective use in the fuel cell of the car hydrogen evolution rate achieved by conventional thermal heating of the composite catalyst system, which is confirmed by the experimental data of tables No. 1 and No. 2 of the description of the aforementioned patent);

- высокая инерционность системы термического нагрева при смене режимов работы автомобиля (пуск, ускорение, замедление, остановка) делает вообще проблематичной идею реализации такого способа выделения водорода для использования в топливном элементе автомобиля;- the high inertia of the thermal heating system when changing the operating modes of the car (start, acceleration, deceleration, stop) makes the idea of implementing such a method of hydrogen evolution for use in a fuel cell of a car generally problematic;

- недостаточная активность применяемого гетерогенного катализатора.- insufficient activity of the heterogeneous catalyst used.

Технической задачей, решаемой в настоящем изобретении, является создание эффективного способа получения водорода с высокой скоростью его выделения за счет повышения активности применяемого катализатора, снижение энергозатрат на выделение водорода, увеличение выхода водорода и устранения проблемы уноса органического субстрата.The technical problem solved in the present invention is the creation of an effective method for producing hydrogen with a high rate of its evolution by increasing the activity of the used catalyst, reducing energy consumption for hydrogen evolution, increasing the hydrogen yield and eliminating the problem of entrainment of the organic substrate.

Для решения поставленной задачи предлагается способ получения водорода путем дегидрирования гидрированного органического субстрата на основе нафтеновых углеводородов при контакте с катализатором, содержащим платину на углеродном носителе (Pt/C), в котором при проведении процесса дегидрирования катализатор нагревают в элекродинамически согласованном резонансном режиме электромагнитного поля СВЧ-резонатора, возбуждаемого колебаниями вида ТМ01ρ, где ρ - целое число, при этом катализатор Pt/C помещают в реактор, выполненный в виде кварцевой трубки, которую располагают соосно СВЧ-резонатору в области максимального электрического поля.To solve this problem, we propose a method for producing hydrogen by dehydrogenating a hydrogenated organic substrate based on naphthenic hydrocarbons in contact with a catalyst containing platinum on a carbon support (Pt / C), in which, during the dehydrogenation process, the catalyst is heated in an electrodynamically matched resonant mode of the microwave electromagnetic field a resonator excited by vibrations of the form TM 01ρ , where ρ is an integer, while the Pt / C catalyst is placed in a reactor made in the form of quartz oh tube, which is placed coaxially with the microwave resonator in the region of the maximum electric field.

Применение для активации катализатора и всей композитной каталитической системы, включающей катализатор, нанесенный на углеродный носитель, и органический субстрат, СВЧ-нагрев в электромагнитном поле оптимальной частоты и мощности позволяет обеспечить следующее.The use for activation of the catalyst and the entire composite catalytic system, including the catalyst deposited on a carbon carrier, and an organic substrate, microwave heating in an electromagnetic field of optimal frequency and power allows us to provide the following.

1. Мгновенный, объемный СВЧ-нагрев катализатора и всей композитной каталитической системы, в связи с чем достигается быстрое безинерционное выделение водорода из системы при контактировании предварительно прогидрированного органического субстрата, например пергидротерфенила с гетерогенным катализатором, например 15% Pt/C при атмосферном или повышенном давлении и температурах, существенно меньших (170-270°С), чем при термическом нагреве (270-340°С).1. Instant, volumetric microwave heating of the catalyst and the entire composite catalytic system, in connection with which a quick, inertia-free hydrogen evolution is achieved by contacting a prehydrogenated organic substrate, for example perhydroterphenyl with a heterogeneous catalyst, for example 15% Pt / C at atmospheric or elevated pressure and temperatures significantly lower (170-270 ° C) than with thermal heating (270-340 ° C).

2. Уменьшить рабочую температуры процесса с целью предотвращения уноса субстрата (гидрированного ароматического углеводорода) и обеспечить цикличность процессов заправки и выделения водорода.2. To reduce the operating temperature of the process in order to prevent the entrainment of the substrate (hydrogenated aromatic hydrocarbon) and to ensure the cyclicality of the processes of filling and hydrogen evolution.

3. Устранить инерционность при СВЧ-нагреве и обеспечить возможность автоматизации и управления процессом получения водорода, а следовательно, и режимом работы автомобиля (пуск, ускорение, замедление, остановка).3. Eliminate the inertia during microwave heating and provide the ability to automate and control the process of producing hydrogen, and consequently, the operating mode of the car (start, acceleration, deceleration, stop).

Как известно, нагрев различных материалов, в том числе катализатора типа Pt/C в СВЧ-резонаторах, сопровождается с повышением температуры уходом резонансной частоты резонатора, в связи с чем необходима постоянная настройка резонатора.As you know, heating of various materials, including a Pt / C type catalyst in microwave resonators, is accompanied by an increase in temperature by the departure of the resonant frequency of the resonator, and therefore constant tuning of the resonator is necessary.

Наиболее близким устройством для осуществления предлагаемого способа получения водорода является резонатор с низшим видом колебаний ТМ010, в котором настройка на резонансную частоту осуществляется путем механического изменения диаметра полости либо использованием приспособлений механической настройки (French patent, №7338987, 1971 г.).The closest device for implementing the proposed method for producing hydrogen is a resonator with a lower mode of oscillation TM 010 , in which tuning to the resonant frequency is carried out by mechanically changing the diameter of the cavity or using mechanical tuning devices (French patent, No. 7338987, 1971).

Однако данное устройство не позволяет получить инерционную настройку резонатора, необходимую для осуществления способа получения водорода по данному изобретению.However, this device does not allow to obtain the inertial tuning of the resonator necessary for implementing the method for producing hydrogen according to this invention.

Для осуществления способа получения водорода по настоящему изобретению предлагается устройство для получения водорода путем дегидрирования гидрированного органического субстрата на основе нафтеновых углеводородов, содержащее систему подачи гидрированного органического субстрата, проточный реактор с катализатором Pt/C в виде гранул или порошка, СВЧ-резонатор, коаксиальный кабель с петлей связи для возбуждения резонатора, волоконно-оптический датчик, контролирующий температуру катализатора, усилитель мощности СВЧ, задающий генератор, электрически перестраиваемый по частоте электромагнитных колебаний СВЧ в полосе усилителя мощности СВЧ-резонатора, датчик контроля через направленный ответвитель и детекторную секцию мощности СВЧ-резонатора, отраженной от входа в резонатор, для автоматической резонансной настройки СВЧ-резонатора, аттенюатор, электрически управляемый для регулирования выходной мощности СВЧ-резонатора и поддержания оптимальной температуры катализатора, программное устройство для управления процессом в требуемых режимах получения водорода.To implement the hydrogen production method of the present invention, there is provided a device for producing hydrogen by dehydrogenating a hydrogenated organic substrate based on naphthenic hydrocarbons, comprising a hydrogenated organic substrate supply system, a flow reactor with a Pt / C catalyst in the form of granules or powder, a microwave resonator, a coaxial cable with a communication loop for exciting the resonator, a fiber-optic sensor that controls the temperature of the catalyst, a microwave power amplifier that sets the generator p, electrically tunable by the frequency of microwave electromagnetic oscillations in the band of the microwave power amplifier, a control sensor through a directional coupler and a detector section of the microwave power reflected from the entrance to the resonator, for automatic resonance tuning of the microwave resonator, an attenuator electrically controlled for regulation the output power of the microwave cavity and maintaining the optimum temperature of the catalyst, a software device for controlling the process in the required modes of hydrogen production.

Сущность изобретения поясняется на чертежах.The invention is illustrated in the drawings.

На фиг.1 представлена схема СВЧ-устройства на волне Е01 для активации (СВЧ-нагрева) катализатора и всей каталитической системы, а также структура и эпюры электрического поля в резонаторе при использовании колебаний, например вида Е010, определяющие местоположение объекта нагрева (катализатора); на фиг.2 - продольный разрез СВЧ-устройства; на фиг.3 - функциональная схема автоматизированного СВЧ каталитического устройства.Figure 1 presents a diagram of a microwave device on the wave E 01 for activation (microwave heating) of the catalyst and the entire catalytic system, as well as the structure and diagrams of the electric field in the resonator when using vibrations, for example, type E 010 , determining the location of the heating object (catalyst ); figure 2 is a longitudinal section of a microwave device; figure 3 is a functional diagram of an automated microwave catalytic device.

Как показано на фиг.1, 2 СВЧ каталитическое устройство содержит коаксиальный кабель 1, реактор 2, экранирующие цилиндры 3, резонатор 4, катализатор 5, передвижные поршни 6, волоконно-оптический датчик с вводами 7.As shown in FIGS. 1, 2, the microwave catalytic device comprises a coaxial cable 1, a reactor 2, shielding cylinders 3, a resonator 4, a catalyst 5, mobile pistons 6, a fiber optic sensor with inputs 7.

На фиг.3 показаны остальные узлы СВЧ-устройства, где 8 - аттенюатор, 9 - генератор электромагнитных колебаний СВЧ, 10 - усилитель мощности СВЧ, 11 - ответвитель, 12 - детекторная секция, 13 - программное устройство, 14 - волоконно-оптический датчик температуры, 15 - система подачи органического субстрата.Figure 3 shows the remaining nodes of the microwave device, where 8 is the attenuator, 9 is the microwave electromagnetic oscillation generator, 10 is the microwave power amplifier, 11 is the coupler, 12 is the detector section, 13 is the software device, 14 is the fiber-optic temperature sensor , 15 - feed system of the organic substrate.

Электромагнитная энергия СВЧ через коаксиальную линию (или кабель) 1 с петлей связи поступает на вход резонатора 4, в котором симметрично по оси резонатора в максимальном электрическом поле расположен реактор 2 (кварцевая трубка 2 диаметром 14×11 мм). В центре трубки в зазоре между экранирующими цилиндрами 3, выполняющими роль предварительной емкостной настройки резонатора 4 на резонансную частоту, расположен катализатор 5 (15% Pt/C) в виде гранул или порошка объемом примерно 5÷10 см3. Передвижные поршни 6 позволяют осуществлять предварительную индуктивную настройку резонатора на резонансную частоту.Microwave electromagnetic energy through a coaxial line (or cable) 1 with a communication loop is fed to the input of the resonator 4, in which reactor 2 is located symmetrically along the cavity axis in the maximum electric field (quartz tube 2 with a diameter of 14 × 11 mm). In the center of the tube in the gap between the shielding cylinders 3, which play the role of preliminary capacitive tuning of the resonator 4 to the resonant frequency, there is a catalyst 5 (15% Pt / C) in the form of granules or powder with a volume of about 5 ÷ 10 cm 3 . Mobile pistons 6 allow preliminary inductive tuning of the resonator to the resonant frequency.

Для контроля рабочей температуры катализатора 5 и каталитической системы в резонаторе 4 (фиг.2) предусмотрены вводы 7 для волоконно-оптического датчика температуры 14 (фиг.3), особенностью которого является высокая точность (1÷2°С) измерения температуры катализатора, отсутствие электрических наводок при регистрации температуры в поле СВЧ и неизменность структуры электромагнитного поля.To control the operating temperature of the catalyst 5 and the catalytic system in the resonator 4 (FIG. 2), inputs 7 are provided for the fiber optic temperature sensor 14 (FIG. 3), the feature of which is the high accuracy (1 ÷ 2 ° C) of measuring the temperature of the catalyst, the absence electrical interference during temperature registration in the microwave field and the invariance of the structure of the electromagnetic field.

На вход реактора 2 непрерывно поступает из системы подачи 15 (фиг.3) органический субстрат на основе пергидрированных ароматических углеводородов: бифенил или нафталин, или антрацен, или их смеси, или их функциональные производные и их смеси, или ароматический полимер, содержащий полистирол, или его сополимер, или полиацетилен, или поликумулен, предпочтительно, терфенил.At the inlet of reactor 2, an organic substrate based on perhydrogenated aromatic hydrocarbons continuously passes from the feed system 15 (FIG. 3): biphenyl or naphthalene, or anthracene, or mixtures thereof, or their functional derivatives and mixtures thereof, or an aromatic polymer containing polystyrene, or its copolymer, or polyacetylene, or polycumulene, preferably terphenyl.

Эффективность и скорость активации композитной каталитической системы СВЧ-нагревом определяются составом катализатора и каталитической системы в целом, наличием и количеством водорода в реакторе, а также системой автоматического поддержания резонансной частоты резонатора Е010, определяющей эффективность ввода в него СВЧ-мощности, через контроль уровня отражаемой СВЧ-мощности от входа в резонатор с помощью направленного ответвителя 11 с детекторной секцией 12 (фиг.3) и поддержанием постоянной оптимальной рабочей температуры катализатора и каталитической системы с помощью волоконно-оптического датчика температуры 14, позволяющего точно измерять температуру катализатора и каталитической системы в СВЧ-поле и поддерживать оптимальную рабочую температуру процесса эффективного выделения водорода в электромагнитном поле СВЧ, регулируя с помощью электрически управляемого аттенюатора 8 уровень СВЧ-мощности, поступающей на вход резонатора 4. (Оптимальная температура каталитической системы соответствует максимальной скорости выделения водорода).The efficiency and speed of activation of a composite catalytic system by microwave heating is determined by the composition of the catalyst and the catalytic system as a whole, the presence and amount of hydrogen in the reactor, as well as the system for automatically maintaining the resonant frequency of the resonator E 010 , which determines the efficiency of introducing microwave power into it, through monitoring the level of reflected Microwave power from the entrance to the resonator using a directional coupler 11 with the detector section 12 (figure 3) and maintaining a constant optimal operating temperature is catalyzed using the fiber-optic temperature sensor 14, which accurately measures the temperature of the catalyst and the catalytic system in the microwave field and maintains the optimal operating temperature of the process of efficient hydrogen evolution in the microwave electromagnetic field by adjusting the microwave power level using an electrically controlled attenuator 8 entering the resonator 4. (The optimum temperature of the catalytic system corresponds to the maximum rate of hydrogen evolution).

Способ получения водорода осуществляется следующим образом.The method of producing hydrogen is as follows.

В резонатор 4 (фиг.1, 2, 3) с реактором 2 (фиг.1, 2)(кварцевая трубка диаметром 14×11 мм), наполненным порошком или гранулами катализатора Pt/C 5, преимущественно 15% Pt/C, объемом 5÷10 см3 подается для его нагрева от задающего генератора мощности СВЧ 9 (фиг.3) через электрически управляемый аттенюатор 8 и усилитель мощности СВЧ 10 с мощностью СВЧ предпочтительно 10÷20 Вт на частоте 5,6÷6,2 ГГц или 20-40 Вт на частоте 3,6÷4,0 ГГц. Практически мгновенно (через 5÷10 сек после подачи СВЧ-мощности) осуществляется СВЧ-нагрев катализатора до температуры 170÷270°С. Измерение температуры производится волоконно-оптическим датчиком температуры 14 (фиг.3) непосредственно в СВЧ-поле. Затем на вход кварцевой трубки реактора 2 через систему подачи 15 вводится гидрированный органический субстрат, например, пергидротерфенил в жидковязком состоянии (после предварительного подогрева). В этом случае скорость выделения водорода может достигать 0,25÷0,5 л/мин при температуре каталитической системы в диапазоне 170÷270°С.In the resonator 4 (Fig. 1, 2, 3) with the reactor 2 (Fig. 1, 2) (quartz tube with a diameter of 14 × 11 mm) filled with powder or pellets of the catalyst Pt / C 5, mainly 15% Pt / C, volume 5 ÷ 10 cm 3 is supplied to heat it from the master microwave power generator 9 (Fig. 3) through an electrically controlled attenuator 8 and a microwave power amplifier 10 with a microwave power of preferably 10 ÷ 20 W at a frequency of 5.6 ÷ 6.2 GHz or 20 -40 W at a frequency of 3.6 ÷ 4.0 GHz. Almost instantly (5 ÷ 10 seconds after applying microwave power), the microwave heating of the catalyst to a temperature of 170 ÷ 270 ° C is carried out. Temperature measurement is performed by a fiber-optic temperature sensor 14 (Fig. 3) directly in the microwave field. Then, a hydrogenated organic substrate, for example, perhydroterphenyl in a liquid-viscous state (after preheating), is introduced into the quartz tube inlet of reactor 2 through a feed system 15. In this case, the rate of hydrogen evolution can reach 0.25 ÷ 0.5 l / min at a temperature of the catalytic system in the range of 170 ÷ 270 ° C.

Для стабилизации технологического режима работы СВЧ каталитического устройства, обеспечивающего высокую скорость выделения водорода при более низкой температуре каталитической системы (170÷270°С), используются системы автоматической обратной связи, обеспечивающие в течение всего технологического процесса выделения водорода работу резонатора в резонансном режиме и постоянство оптимальной температуры всей композитной каталитической системы (фиг.3).To stabilize the technological mode of operation of the microwave catalytic device, which provides a high rate of hydrogen evolution at a lower temperature of the catalytic system (170 ÷ 270 ° C), automatic feedback systems are used that ensure that the resonator operates in the resonant mode and the optimum temperature of the entire composite catalytic system (figure 3).

Автоматическое регулирование технологического процесса выделения водорода осуществляется с помощью программного устройства 13 по заданной программе с использованием датчика (11 и 12) контроля резонансной частоты резонатора 4 с помощью направленного ответвителя 11 и детекторной секции 12 и датчика контроля температуры 14 катализатора 5 (рис.1, 2) и каталитической системы в целом, а также датчика контроля расхода пергидротерфенила (рис.3). По заданной программе устройством 13 автоматически обеспечивается регулировка в системе подачи 15 расхода гидрированного органического субстрата (пергидротерфенила или другого реагента) и в соответствии с изменением расхода реагента осуществляется автоматическая регулировка выходной СВЧ-мощности усилителя 10 и эффективности ее ввода через ответвитель 11 и детекторную секцию 12 в резонатор 4 для достижения оптимальной температуры каталитической системы и максимальной скорости выделения водорода.Automatic control of the hydrogen evolution technological process is carried out using a software device 13 according to a predetermined program using a resonator 4 resonance frequency control sensor (11 and 12) using a directional coupler 11 and a detector section 12 and catalyst temperature sensor 14 (Fig. 1, 2 ) and the catalytic system as a whole, as well as the sensor for controlling the flow of perhydroterphenyl (Fig. 3). According to a predetermined program, the device 13 automatically provides adjustment in the feed system 15 of the flow rate of the hydrogenated organic substrate (perhydroterphenyl or another reagent) and, in accordance with the change in the flow rate of the reagent, the microwave output of the amplifier 10 and its input efficiency through the coupler 11 and the detector section 12 are automatically adjusted resonator 4 to achieve the optimum temperature of the catalytic system and the maximum rate of hydrogen evolution.

Способ получения водорода может осуществляться также при непрерывной подаче гидрированной каталитической суспензионной смеси, содержащей катализатор Pt/C, преимущественно 15% Pt/C 5, и расплав пергидротерфенила, на вход реактора, выполненного в виде кварцевой трубки диаметром 14÷11 мм, расположенной в СВЧ-резонаторе 4, при СВЧ-мощности 15÷20 Вт и частоте 5,6÷6,2 ГГц. Каталитическая суспензионная смесь нагревается по мере прохождения ее через реактор 2,находящийся в СВЧ-резонаторе 4 до температуры 170÷270°С и выделяет водород со скоростью не менее 0,5 л/мин. При использовании частоты 3,6÷4,0 ГГц аналогичные результаты можно получить при СВЧ-мощности в резонаторе 30÷40 Вт.The hydrogen production method can also be carried out by continuously feeding a hydrogenated catalytic suspension mixture containing a Pt / C catalyst, mainly 15% Pt / C 5, and perhydroterphenyl melt to the inlet of the reactor, made in the form of a quartz tube with a diameter of 14 ÷ 11 mm, located in the microwave -resonator 4, with a microwave power of 15 ÷ 20 W and a frequency of 5.6 ÷ 6.2 GHz. The catalytic suspension mixture is heated as it passes through the reactor 2 located in the microwave cavity 4 to a temperature of 170 ÷ 270 ° C and releases hydrogen at a rate of at least 0.5 l / min. When using a frequency of 3.6 ÷ 4.0 GHz, similar results can be obtained with a microwave power in the cavity of 30 ÷ 40 watts.

Примеры осуществления вариантов изобретенияExamples of embodiments of the invention

Пример 1Example 1

Гидрированную каталитическую систему (общим весом 10 г), состоящую из 3 г катализатора Pt/C, преимущественно 15% Pt/C, и расплавленного пергидротерфенила (7 г), помещают в СВЧ-резонатор Е010 соосно его оси в область максимального однородного электрического поля и возбуждают резонатор колебаниями вида ТМ01ρ,где ρ - целое число, равное количеству полуволн, укладывающихся вдоль длины резонатора на частоте 6,0 ГГц (резонанс) в полосе усилителя 5,6÷6,2 ГГц при СВЧ-мощности 10 Вт, вводимой в резонатор. Через 10 сек после подачи СВЧ-мощности в резонатор каталитическая система нагревается до температуры 270°С, которая определяется по показаниям волоконно-оптического датчика температуры 14. Количество выделившегося водорода и время его выделения измеряют с помощью газовых часов. Максимальная скорость выделения водорода в этом примере составляла 0,5 л/мин.A hydrogenated catalytic system (total weight 10 g), consisting of 3 g of Pt / C catalyst, mainly 15% Pt / C, and molten perhydroterphenyl (7 g), is placed in the microwave resonator E 010 coaxially to its axis in the region of maximum uniform electric field and excite the resonator with vibrations of the form ТМ 01ρ , where ρ is an integer equal to the number of half-waves stacking along the length of the resonator at a frequency of 6.0 GHz (resonance) in the amplifier band of 5.6 ÷ 6.2 GHz at a microwave power of 10 W introduced into the resonator. 10 seconds after the microwave power is supplied to the resonator, the catalytic system is heated to a temperature of 270 ° C, which is determined by the readings of the fiber-optic temperature sensor 14. The amount of hydrogen released and its release time are measured using a gas clock. The maximum hydrogen evolution rate in this example was 0.5 L / min.

Пример 2Example 2

Те же самые операции, описанные в примере 1, но для СВЧ-нагрева гидрированной каталитической системы используется частота 3,8 ГГц (в полосе усилителя 3,6÷4,0 ГГц). В этом случае для нагрева каталитической системы до 250°С необходимо в 2 раза больше времени (20 сек) при СВЧ-мощности усилителя в 4 раза увеличенной (40 Вт). Скорость выделения водорода составила в этом случае 0,25 л/мин.The same operations described in example 1, but for the microwave heating of the hydrogenated catalytic system, a frequency of 3.8 GHz is used (in the amplifier band 3.6 ÷ 4.0 GHz). In this case, to heat the catalytic system to 250 ° C, it takes 2 times more time (20 sec) when the microwave power of the amplifier is 4 times increased (40 W). The hydrogen evolution rate in this case was 0.25 L / min.

Пример 3Example 3

Реактор 2 в виде кварцевой трубки диаметром 14÷11 мм с 3 г катализатора 15% Pt/C помещают в СВЧ-резонатор на колебаниях вида Е010 в область максимального однородного электрического поля при СВЧ-мощности 15 Вт на частоте 6,0 ГГц. Через 10 сек после подачи СВЧ-мощности в резонатор катализатор нагревают до температуры 270°С. Затем на вход кварцевой трубки подают предварительно подогретый до 60-100°С гидрированный терфенил в жидковязком состоянии. В этом случае в зависимости от скорости подачи терфенила скорость выделения водорода может достигать значения 0,5-1,0 л/мин.Reactor 2 in the form of a quartz tube with a diameter of 14 ÷ 11 mm with 3 g of catalyst 15% Pt / C is placed in a microwave resonator with oscillations of the form E 010 in the region of maximum uniform electric field at a microwave power of 15 W at a frequency of 6.0 GHz. 10 seconds after applying microwave power to the resonator, the catalyst is heated to a temperature of 270 ° C. Then, pre-heated to 60-100 ° C hydrogenated terphenyl in a liquid-viscous state is fed to the inlet of the quartz tube. In this case, depending on the supply rate of terphenyl, the rate of hydrogen evolution can reach 0.5-1.0 l / min.

Пример 4Example 4

Те же самые операции, описанные в примере 3, но на вход реактора - кварцевой трубки с тем же расходом органического субстрата - подается при комнатной температуре (неподогретый) пергидротерфенил, а катализатор 15% Pt/C (3 г) нагревают до температуры 170°С, при этом мощность СВЧ на частоте 6,0 ГГц составляет 15 Вт. В этом случае скорость выделения водорода при определенной скорости подачи терфенила может достичь 0,25 л/мин.The same operations described in Example 3, but (unheated) perhydroterphenyl is fed at room temperature to the reactor inlet — a quartz tube with the same flow rate of the organic substrate — and the catalyst 15% Pt / C (3 g) is heated to a temperature of 170 ° C while the microwave power at a frequency of 6.0 GHz is 15 watts. In this case, the rate of hydrogen evolution at a certain feed rate of terphenyl can reach 0.25 l / min.

Во всех экспериментах (примеры 1-4) программным устройством 13 для определенной массы катализатора, помещенного в реактор 2, задается скорость выделения водорода, для реализации которой программа устанавливает, исходя из возможностей предлагаемого СВЧ-устройства (резонатора с кварцевым реактором), необходимую величину расхода гидрированного терфенила (или каталитической смеси катализатора 15% Pt/C и расплавленного пергидротерфенила), величину СВЧ-мощности для нагрева катализатора и всей композитной каталитической системы до температуры 170-270°С за время не более 5-10 сек.In all experiments (examples 1-4), the program unit 13 for a certain mass of catalyst placed in the reactor 2 sets the rate of hydrogen evolution, for which the program determines, based on the capabilities of the proposed microwave device (resonator with a quartz reactor), the required flow rate hydrogenated terphenyl (or a catalytic mixture of a 15% Pt / C catalyst and molten perhydroterphenyl), the microwave power for heating the catalyst and the entire composite catalyst system to a temperature of 170 -270 ° C for no more than 5-10 seconds.

Claims (7)

1. Способ получения водорода путем дегидрирования гидрированного органического субстрата на основе нафтеновых углеводородов при контакте с катализатором, содержащим платину на углеродном носителе (Pt/C), в котором при проведении процесса дегидрирования катализатор нагревают в электродинамически согласованном резонансном режиме электромагнитного поля СВЧ-резонатора, возбуждаемого колебаниями вида ТМ01,ρ, где ρ - целое число, при этом катализатор Pt/C помещают в реактор, выполненный в виде кварцевой трубки, которую располагают соосно СВЧ-резонатору в области максимального электрического поля.1. A method of producing hydrogen by dehydrogenating a hydrogenated organic substrate based on naphthenic hydrocarbons in contact with a catalyst containing platinum on a carbon support (Pt / C), in which, during the dehydrogenation process, the catalyst is heated in the electrodynamically matched resonance mode of the electromagnetic field of the microwave resonator excited oscillations of the form TM 01, ρ , where ρ is an integer, while the Pt / C catalyst is placed in a reactor made in the form of a quartz tube, which is arranged coaxially with microwave To the tenator in the region of maximum electric field. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что СВЧ-резонатор возбуждают от электрически перестраиваемого по частоте СВЧ-задающего генератора в полосе усилителя мощности СВЧ через коаксиальный кабель с петлей связи.2. The method according to claim 1, characterized in that the microwave resonator is excited from an electrically tunable microwave frequency generator in the band of the microwave power amplifier through a coaxial cable with a communication loop. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев катализатора в СВЧ-резонаторе ведут до температуры 170÷270°С.3. The method according to claim 1, characterized in that the heating of the catalyst in the microwave cavity is carried out to a temperature of 170 ÷ 270 ° C. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность СВЧ-резонатора измеряют с помощью ответвителя и детекторной секции.4. The method according to claim 1, characterized in that the power of the microwave cavity is measured using a coupler and a detector section. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру катализатора измеряют волоконно-оптическим датчиком температуры.5. The method according to claim 1, characterized in that the temperature of the catalyst is measured by a fiber optic temperature sensor. 6. Способ по п.1, в котором на вход реактора, содержащего катализатор Pt/C, нагретый СВЧ-резонатором до 170÷270°С, непрерывно подают подогретый органический субстрат - гидрированный терфенил в жидко-вязком состоянии.6. The method according to claim 1, in which a heated organic substrate - hydrogenated terphenyl in a liquid-viscous state is continuously fed to the inlet of a reactor containing a Pt / C catalyst heated by a microwave resonator to 170 ÷ 270 ° C. 7. Устройство для получения водорода путем дегидрирования гидрированного органического субстрата на основе нафтеновых углеводородов, содержащее систему подачи гидрированного органического субстрата, проточный реактор с катализатором Pt/C в виде гранул или порошка, СВЧ-резонатор, коаксиальный кабель с петлей связи для возбуждения резонатора, волоконно-оптический датчик, контролирующий температуру катализатора, усилитель мощности СВЧ-резонатора, задающий генератор, электрически перестраиваемый по частоте электромагнитных колебаний СВЧ в полосе усилителя мощности СВЧ-резонатора, датчик контроля через направленный ответвитель и детекторную секцию мощности СВЧ-резонатора, отраженной от входа в резонатор, для автоматической резонансной настройки СВЧ-резонатора, аттенюатор, электрически управляемый для регулирования выходной мощности СВЧ-резонатора и поддержания оптимальной температуры катализатора, программное устройство для управления процессом в требуемых режимах получения водорода.7. Device for producing hydrogen by dehydrogenation of a hydrogenated organic substrate based on naphthenic hydrocarbons, comprising a hydrogenated organic substrate supply system, a flow reactor with a Pt / C catalyst in the form of granules or powder, a microwave resonator, a coaxial cable with a coupling loop to excite a resonator, fiber - an optical sensor that monitors the temperature of the catalyst, a microwave power amplifier, a master oscillator that is electrically tunable according to the frequency of electromagnetic oscillations C H in the band of the power amplifier of the microwave resonator, a control sensor through a directional coupler and a detector section of the power of the microwave resonator reflected from the entrance to the resonator for automatic resonance tuning of the microwave resonator, an attenuator electrically controlled to control the output power of the microwave resonator and maintain optimal catalyst temperature, a software device for controlling the process in the required modes of hydrogen production.
RU2006138580/15A 2006-11-01 2006-11-01 Method of obtaining hydrogen and device for its realisation RU2342317C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006138580/15A RU2342317C2 (en) 2006-11-01 2006-11-01 Method of obtaining hydrogen and device for its realisation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006138580/15A RU2342317C2 (en) 2006-11-01 2006-11-01 Method of obtaining hydrogen and device for its realisation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006138580A RU2006138580A (en) 2008-05-10
RU2342317C2 true RU2342317C2 (en) 2008-12-27

Family

ID=39799661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006138580/15A RU2342317C2 (en) 2006-11-01 2006-11-01 Method of obtaining hydrogen and device for its realisation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2342317C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112512962A (en) * 2018-05-29 2021-03-16 株式会社斋田Fds Device and catalyst used therein
RU2768354C1 (en) * 2021-09-28 2022-03-23 Игорь Анатольевич Мнушкин Complex for production, storage and transportation of hydrogen

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112146779A (en) * 2020-10-26 2020-12-29 核工业理化工程研究院 Rotary temperature measuring device in microwave field

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHINYA HODOSHIMA, HIROSHI ARAI, YASUKAZU SAITO, Liquid-film-type catalytic decalin dehydrogeno-aromatization for long-term storage and longdistance trasportation of hydrogen, Hydrogen Energy, 28, 2003, p.197-204. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112512962A (en) * 2018-05-29 2021-03-16 株式会社斋田Fds Device and catalyst used therein
EP3805148A4 (en) * 2018-05-29 2022-03-23 Saida Fds Inc. Device and catalyst for use with same
RU2768354C1 (en) * 2021-09-28 2022-03-23 Игорь Анатольевич Мнушкин Complex for production, storage and transportation of hydrogen

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006138580A (en) 2008-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Neyts et al. Plasma catalysis: synergistic effects at the nanoscale
US9561957B2 (en) Use of a process for hydrogen production
EP2598434B1 (en) An improved process for the storage delivery of hydrogen using catalyst
RU2342317C2 (en) Method of obtaining hydrogen and device for its realisation
JP2007000774A (en) Catalytic reaction apparatus, catalyst heating method, and fuel reforming method
CN101300191A (en) Use of a process for hydrogen production
JP5992329B2 (en) Equipment for continuous heterogeneous catalytic chemical reactions at high temperatures
JP2006290682A (en) Method and catalyst reactor for producing nano-carbon
RU2209202C2 (en) Method for preparing olefins
JP2002226873A (en) Method and plant for producing liquid fuel oil
KR100474612B1 (en) Inductively Heated Catalytic Reactor
US9433913B2 (en) Catalytic isobutane alkylation
CA3096475C (en) Method and reactor for oxidative coupling of methane
RU2333885C2 (en) Method of hydrogen storage by carrying out catalytic reactions of hydration/dehydration of aromatic substrates under action of shf (hf) radiation
RU2516548C2 (en) Method of obtaining carbon-metal material by catalytic pyrolysis of ethanol
JP5285730B2 (en) Method for producing nanocarbon and catalytic reactor for producing nanocarbon
CN113332933B (en) On-vehicle organic liquid hydride dehydrogenation reactor
KR102186041B1 (en) Method for Preparing Catalysts for Oxygen-free Direct Conversion of Methane
WO2012121366A1 (en) Method for producing hydrocarbon
RU2443807C1 (en) Method of producing carbon fibre materials via catalytic pyrolysis
Bobrova et al. Syngas formation by selective catalytic oxidation of liquid hydrocarbons in a short contact time adiabatic reactor
JP2016175821A (en) Hydrogen generation system
KR101943089B1 (en) Device for manufacturing carbonnanotube yarn
JP2020038060A (en) Catalyst reaction method and catalyst reaction system
RU2784336C1 (en) Method for producing hydrogen from methane

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131102