RU2425795C2 - Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas - Google Patents
Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas Download PDFInfo
- Publication number
- RU2425795C2 RU2425795C2 RU2009132779/05A RU2009132779A RU2425795C2 RU 2425795 C2 RU2425795 C2 RU 2425795C2 RU 2009132779/05 A RU2009132779/05 A RU 2009132779/05A RU 2009132779 A RU2009132779 A RU 2009132779A RU 2425795 C2 RU2425795 C2 RU 2425795C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- carbon
- gas
- plasma
- diameter
- Prior art date
Links
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий. Изобретение относится к области химической промышленности и предназначено для производства двух коммерчески значимых продуктов, а именно водорода и углеродных наноматериалов и структур, из углеводородов, включая попутный нефтяной газ (ПНГ). Получаемый углеродный наноструктурный материал находит применение в химии, физике, технике, энергетике, электронике, биологии, медицине и других областях, в частности, может быть использован в производстве сорбентов, катализаторов, композиционных материалов. Изобретение относится также к энергетике. Получаемый водород может быть использован для собственного энергообеспечения за счет сжигания водорода и рекуперации тепла, что позволит одновременно снизить энергозатраты, понизить экологические риски, охладить отходящие продукты реакции, облегчит их сбор и транспортировку. Кроме того, водород является перспективным высокоэффективным экологически чистым топливом.The invention relates to the field of nanotechnology. The invention relates to the field of chemical industry and is intended for the production of two commercially significant products, namely hydrogen and carbon nanomaterials and structures, from hydrocarbons, including associated petroleum gas (APG). The resulting carbon nanostructured material is used in chemistry, physics, engineering, energy, electronics, biology, medicine and other fields, in particular, it can be used in the production of sorbents, catalysts, composite materials. The invention also relates to energy. The resulting hydrogen can be used for its own energy supply through the combustion of hydrogen and heat recovery, which will simultaneously reduce energy consumption, lower environmental risks, cool the waste reaction products, and facilitate their collection and transportation. In addition, hydrogen is a promising highly efficient environmentally friendly fuel.
Развитие водородной энергетики является одним из приоритетных направлений не только в России, но и в целом на Земле. Для водородной энергетики решающее значение имеет снижение затрат на производство водорода. Это обстоятельство вновь привлекло внимание к неравновесным процессам конверсии углеводородов в синтез-газ или углерод и водород. В настоящее время наиболее перспективные направления плазмохимической переработки углеводородного сырья включают:The development of hydrogen energy is one of the priority areas not only in Russia, but also on the whole Earth. For hydrogen energy, the reduction in hydrogen production costs is critical. This circumstance again drew attention to the nonequilibrium processes of the conversion of hydrocarbons into synthesis gas or carbon and hydrogen. Currently, the most promising areas of plasma-chemical processing of hydrocarbons include:
- разработку процессов конверсии с использованием неравновесной плазмы при атмосферном давлении - высоковольтных слаботочных коронного, барьерного, тлеющего разрядов постоянного, переменного, ВЧ и СВЧ токов, импульсных периодических и несамостоятельных разрядов повышенной мощности, приближающейся к мощности электродуговых разрядов;- development of conversion processes using a nonequilibrium plasma at atmospheric pressure - high-voltage low-current corona, barrier, glow discharges of constant, alternating, high-frequency and microwave currents, pulsed periodic and non-self-sustained discharges of increased power, approaching the power of electric arc discharges;
- разработку новых типов неравновесных генераторов плазмы при атмосферном и повышенном давлении;- the development of new types of nonequilibrium plasma generators at atmospheric and elevated pressure;
- плазменную активацию горения, окисления и конверсии углеводородов;- plasma activation of combustion, oxidation and conversion of hydrocarbons;
- разработку гибридных способов конверсии, снижающих энергозатраты и повышающих выходы продуктов конверсии.- the development of hybrid conversion methods that reduce energy consumption and increase the yields of conversion products.
Предлагаемое изобретение относится к направлению разработки устройств реализации, так называемых, гибридных способов, а именно плазмокаталитической конверсии углеводородов, с целью получения углеродных наноматериалов и водорода.The present invention relates to the development of implementation devices, the so-called hybrid methods, namely plasma-catalytic conversion of hydrocarbons, with the aim of obtaining carbon nanomaterials and hydrogen.
Известные устройства для получения технического углерода или углеродных наноматериалов и структур методом электродугового разряда, к примеру, патенты RU 2341451, RU 2220905, RU 2337061, RU 2234457, RU 80837, US 2002179428, JP 2006265006, US 2004241339, JP 6157016, включают герметичную разрядную камеру, в которой размещают два соосных графитовых электрода, имеющих возможность перемещения. Дополнительно в устройствах предусматривают различные системы, например, разделения и сбора продуктов реакции, циркуляции инертного газа [патент РФ № 2341451, 30.03.2007, МПК С01В 31/00, В82В 3/00], устройства для генерации внешнего магнитного поля [патент US 2002179428, 2002.12.05, МПК B01J 3/00, B01J 19/08, С01В 31/02, B01J 3/00, B01J 19/08, С01В 31/00, патент US 2004241339, 2004.12.02, МПК B01J 19/08, С01В 31/02, C08F 2/46, B01J 19/08, С01В 31/00, C08F 2/46], высокочастотного разряда [патент JP 2006265006, 2006.10.05, МПК С01В 31/02, С01В 31/00] и др. В таких устройствах синтез осуществляется в среде инертного газа путем испарения анода и конденсирования углеродного пара непосредственно на катоде в виде твердого осадка в форме цилиндрического стержня, причем водород не синтезируется. Как правило, осуществляемый процесс не является непрерывным, углеродные нанотрубки содержатся в сердцевине стержня, который извлекается после прекращения процесса простым обламыванием от катода. Остаток стержня выворачивается из электрода и заменяется на новый. Использование дополнительных устройств генерации магнитного поля или высокочастотного разряда усложняет конструкцию, увеличивает энергоемкость установки.Known devices for producing carbon black or carbon nanomaterials and structures by electric arc discharge, for example, patents RU 2341451, RU 2220905, RU 2337061, RU 2234457, RU 80837, US 2002179428, JP 2006265006, US 2004241339, JP 6157016, include a sealed discharge chamber , in which two coaxial graphite electrodes are placed, having the ability to move. Additionally, various devices are provided in the devices, for example, separation and collection of reaction products, inert gas circulation [RF patent No. 2341451, March 30, 2007, IPC СВВ 31/00, В82В 3/00], devices for generating an external magnetic field [patent US 2002179428 , 2002.12.05, IPC B01J 3/00, B01J 19/08, C01B 31/02, B01J 3/00, B01J 19/08, C01B 31/00, patent US 2004241339, 2004.12.02, IPC B01J 19/08, C01B 31/02, C08F 2/46, B01J 19/08, C01B 31/00, C08F 2/46], high-frequency discharge [JP patent 2006265006, 2006.10.05, IPC C01B 31/02, C01B 31/00], etc. . In such devices, the synthesis is carried out in an inert gas by evaporation of the anode and condensation carbon vapor directly on the cathode as a solid precipitate in the form of a cylindrical rod, wherein the hydrogen is not synthesized. As a rule, the ongoing process is not continuous, carbon nanotubes are contained in the core of the rod, which is removed after the termination of the process by simply breaking off from the cathode. The rest of the rod is turned out of the electrode and replaced with a new one. The use of additional devices for generating a magnetic field or high-frequency discharge complicates the design, increases the energy consumption of the installation.
Известно устройство производства фуллеренсодержащей сажи [патент РФ № 2341451, 30.03.2007, МПК С01В 31/00, В82В 3/00], включающее горизонтальную цилиндрическую герметичную разрядную камеру, снабженную сборником остатков, в которой размещают два соосных графитовых электрода, установленные в охлаждаемых токовводах, систему циркуляции инертного газа, создающую два закрученных кольцевых потока для отвода образующихся продуктов, которая содержит, по меньшей мере, два сопла, установленных у торцовых стенок разрядной камеры по касательной к ее боковой стенке и лежащих в плоскостях, перпендикулярных оси электродов, средство улавливания фуллеренсодержащей сажи, выполненное в виде, по меньшей мере, одного циклона с танценциальным вводом газа. Фуллеренсодержащую сажу получают в электрической дуге между электродами. По меньшей мере, один из электродов установлен с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения.A device for the production of fullerene-containing soot [RF patent No. 2341451, 03.30.2007, IPC СВВ 31/00, В82В 3/00], including a horizontal cylindrical sealed discharge chamber equipped with a residue collector, in which two coaxial graphite electrodes installed in cooled current leads is known , an inert gas circulation system that creates two swirling annular flows for removal of the resulting products, which contains at least two nozzles mounted tangentially to its side walls at the end walls of the discharge chamber ke and lying in planes perpendicular to the axis of the electrodes, means for capturing fullerene-containing soot, made in the form of at least one cyclone with a tanzinc gas input. Fullerene-containing carbon black is obtained in an electric arc between the electrodes. At least one of the electrodes is mounted axially reciprocating.
Изобретение позволяет повысить производительность по саже и фуллеренам при минимальных затратах энергии, исключается срыв дуги и прожигание стенки разрядной камеры. Процесс является непрерывным.EFFECT: invention makes it possible to increase productivity in soot and fullerenes with minimal energy consumption, arc failure and burning out of the wall of the discharge chamber are excluded. The process is continuous.
К недостаткам указанного аналога следует отнести то, что анод является расходуемым, т.к. синтез осуществляется за счет распыления анода в среде инертного газа. Водород и наноматериалы не синтезируются.The disadvantages of this analogue include the fact that the anode is consumable, because synthesis is carried out by atomizing the anode in an inert gas medium. Hydrogen and nanomaterials are not synthesized.
Известно устройство для получения углеродных нанотрубок в дуговом разряде [патент РФ № 2337061, 22.01.2007, МПК С01В 31/02, В82В 3/00], включающее камеру, заполненную инертным газом, углеродсодержащие катод и анод, расположенные осесимметрично с возможностью перемещения относительно друг друга в продольном направлении. Анод разделен на рабочий и подводящий участки, причем подводящий участок выполнен с осесимметричным несквозным каналом, соединенным с камерой со стороны рабочего участка несколькими радиальными отверстиями для истечения инертного газа в камеру, расположенными у окончания продольного канала, а с другой стороны соединен трубопроводом с устройством охлаждения инертного газа, а рабочий участок анода расположен с зазором внутри нагревательного элемента, выполненного в виде кольцевого индуктора токов высокой частоты.A device for producing carbon nanotubes in an arc discharge is known [RF patent No. 2337061, 01.22.2007, IPC СВВ 31/02, В82В 3/00], including a chamber filled with an inert gas, a carbon-containing cathode and anode located axisymmetrically with the possibility of movement relative to each other friend in the longitudinal direction. The anode is divided into the working and supply sections, and the supply section is made with an axisymmetric non-through channel connected to the chamber from the side of the working section by several radial holes for the inert gas to flow into the chamber located at the end of the longitudinal channel, and on the other hand is connected by a pipe to the inert cooling device gas, and the working section of the anode is located with a gap inside the heating element, made in the form of an annular inductor of high-frequency currents.
Достоинство данного аналога заключается в увеличении содержания углеродных нанотрубок в катодном депозите за счет расширения и регулирования зоны действия температур, которые характерны для первой ионизации углерода, на торцевой рабочей поверхности цилиндрического графитового анода, а также в обеспечении устройства элементами конструкции, позволяющими создать распределение температур, характерных первой ионизации углерода, на свободном торце анода по всей его поверхности.The advantage of this analogue is the increase in the content of carbon nanotubes in the cathode deposit due to the expansion and regulation of the temperature range, which are characteristic of the first carbon ionization, on the end working surface of a cylindrical graphite anode, as well as in providing the device with structural elements that allow creating a temperature distribution characteristic the first carbon ionization, on the free end of the anode over its entire surface.
Недостатки указанного аналога: расходуемый анод, водород не синтезируются.The disadvantages of this analogue: consumable anode, hydrogen are not synthesized.
Известно устройство для производства углеродных структур [патент US 2002179428, 2002.12.05, МПК B01J 3/00; B01J 19/08; С01В 31/02; B01J 3/00; B01J 19/08; С01В 31/00], включающее разрядную камеру, в которой размещают два соосных графитовых электрода, источник мощности для поддержания между электродами напряжения, генератор магнитного поля.A device for the production of carbon structures is known [patent US 2002179428, 2002.12.05, IPC B01J 3/00; B01J 19/08; СВВ 31/02; B01J 3/00; B01J 19/08; СВВ 31/00], including a discharge chamber, in which two coaxial graphite electrodes are placed, a power source for maintaining voltage between the electrodes, and a magnetic field generator.
Недостатки аналога: водород не синтезируется, синтез осуществляется в среде инертного газа за счет распыления анода, использование генератора магнитного поля усложняет конструкцию.The disadvantages of the analogue: hydrogen is not synthesized, synthesis is carried out in an inert gas environment by atomization of the anode, the use of a magnetic field generator complicates the design.
Известно устройство для производства однослойных углеродных нанотруб и водорода в плазме дугового разряда в присутствии катализатора [JP 7197325, 1995.08.01, МПК D01F 9/127; С01В 31/02; D01F 9/12], включающее разрядную камеру, два графитовых электрода, в один из электродов в отверстие, проделанное в графитовом стержне вставлена металлическая проволока. Процесс происходит в среде углеводородного газа, электрод и металл испаряются в плазме.A device for the production of single-walled carbon nanotubes and hydrogen in an arc discharge plasma in the presence of a catalyst [JP 7197325, 1995.08.01, IPC D01F 9/127; СВВ 31/02; D01F 9/12], comprising a discharge chamber, two graphite electrodes, a metal wire is inserted into one of the electrodes in a hole made in a graphite rod. The process takes place in a hydrocarbon gas environment, the electrode and metal evaporate in the plasma.
Недостатки: анод расходуемый. Водород синтезируются, но не предусмотрено устройство для его сбора.Disadvantages: the anode is expendable. Hydrogen is synthesized, but a device for its collection is not provided.
Известно устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа [Патент РФ № 2317943, 20.12.2005, МПК С01В 3/26, С01В 31/02], содержащее проточный реактор с раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода, источник энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля, связанный со сверхвысокочастотным волноводом. Проточный реактор помещен в сверхвысокочастотный волновод, выполненный прямоугольным, при этом проточный реактор выполнен в виде продолговатой цилиндрической камеры из радиопрозрачного термостойкого материала, частично заполненной газопроницаемым, электропроводящим веществом-инициатором, выбранным из группы: титан, никель, никелид титана, никелид алюминия, молибден, и снабжен концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля, размещенным непосредственно после вещества-инициатора.A device for producing carbon and hydrogen from hydrocarbon gas is known [RF Patent No. 2317943, 12.20.2005, IPC С01В 3/26, СВВ 31/02], comprising a flow reactor with separate inlet of hydrocarbon gas and an outlet of carbon and hydrogen, a microwave energy source fields associated with a microwave waveguide. The flow reactor is placed in a rectangular microwave waveguide, while the flow reactor is made in the form of an elongated cylindrical chamber of a radiolucent heat-resistant material, partially filled with a gas-permeable, electrically conductive initiating substance selected from the group: titanium, nickel, titanium nickelide, aluminum nickelide, molybdenum, and is equipped with a microwave concentrator located immediately after the initiator substance.
К достоинствам аналога, как устройства получения водорода и углерода, можно отнести эффективный процесс каталитического пиролиза, определенный выбранной схемой нагрева с использованием сверхвысокочастотного поля.The advantages of an analogue, as a device for producing hydrogen and carbon, include the efficient catalytic pyrolysis process determined by the selected heating scheme using a microwave field.
Недостатком является то, что на выходе содержатся различные аллотропные модификации углерода. Проблема отделения определенных модификаций в настоящее время не решена.The disadvantage is that the output contains various allotropic modifications of carbon. The problem of separating certain modifications is currently not resolved.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа устройство для получения технического углерода и водорода [патент РФ № 2349545, дата приоритета 01.06.2001, МПК 7 С01В 31/02], состоящее из камеры плазмогенератора, плазмохимического блока, выложенных изнутри графитом, и фазоразделительного устройства, включающего последовательно установленные смесительный короб, циклон и фильтр. Установка дополнительно содержит теплообменник, газовую горелку, установленную перед плазмогенератором, а камеры плазмогенератора и плазмохимического блока соединены сужающимся отверстием, причем в камере плазмогенератора установлены два графитовых электрода, между которыми горит электрическая дуга.The closest known for its technical nature and the achieved result is a device selected for use as a prototype for producing carbon black and hydrogen [RF patent No. 2349545, priority date 01.06.2001, IPC 7 С01В 31/02], consisting of a plasma generator chamber, a plasma chemical unit laid out from the inside by graphite, and a phase separation device, including a sequentially installed mixing box, cyclone and filter. The installation additionally contains a heat exchanger, a gas burner installed in front of the plasma generator, and the chambers of the plasma generator and the plasma chemical unit are connected by a tapering hole, and two graphite electrodes are installed in the plasma generator chamber, between which an electric arc burns.
К достоинствам прототипа следует отнести значительное уменьшение энергозатрат за счет использования рекуперации отходящих после пиролиза газов и высокую степень использования исходных углеводородов. Устройство позволяет обеспечить непрерывное производство технического углерода и водорода, контролировать качество конечного продукта.The advantages of the prototype include a significant reduction in energy costs through the use of recovery of exhaust gases after pyrolysis and a high degree of utilization of the original hydrocarbons. The device allows for the continuous production of carbon black and hydrogen, to control the quality of the final product.
В прототипе предусмотрены технологические отверстия для подвода специальных вещества, а именно частиц железа, олова или других металлов для регулирования параметров процесса, однако это не обеспечивает возможности получения наноматериалов и структур с высокой селективностью. Следовательно, недостатком является то, что на выходе могут содержаться различные аллотропные модификации углерода. Проблема отделения определенных модификаций в настоящее время не решена.The prototype provides technological holes for supplying special substances, namely particles of iron, tin or other metals to control process parameters, however, this does not provide the possibility of obtaining nanomaterials and structures with high selectivity. Therefore, the disadvantage is that the output may contain various allotropic modifications of carbon. The problem of separating certain modifications is currently not resolved.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка установки для получения из углеводородного газа, включая ПНГ, углеродных наноматериалов и структур с высокой селективностью, преимущественно состоящих из одно- и многослойных углеродных нанотрубок без примеси других модификаций углерода и водород.The problem to which the present invention is directed, is the development of a plant for the production of hydrocarbon gas, including APG, carbon nanomaterials and structures with high selectivity, mainly consisting of single and multilayer carbon nanotubes without an admixture of other modifications of carbon and hydrogen.
В основу разрабатываемого объекта легли несколько идей:The developed object was based on several ideas:
- совмещение плазменного и каталитического методов разложения углеводородов;- combination of plasma and catalytic methods for the decomposition of hydrocarbons;
- непрерывная подача рабочего газа, в качестве которого можно использовать любой углеводородный газ, включая ПНГ. Все эти моменты важны для оптимизации качественного состава конденсированного углерода.- continuous supply of working gas, which can use any hydrocarbon gas, including associated gas. All these points are important for optimizing the quality composition of condensed carbon.
Для достижения поставленной задачи предлагается устройство, состоящее из плазмодугового реактора, палладиевого фильтра, являющегося селективным для водорода, насоса-компрессора и резервуара для сбора водорода. Плазмодуговой реактор включает вакуумную камеру, систему вакуумной откачки, систему электропитания с источником переменного тока, систему водяного охлаждения, систему подачи и сброса газа, измерительные системы для контроля давления и электрических параметров разряда. Вакуумная камера представляет собой герметичный сосуд, изготовленный из нержавеющей стали. В вакуумной камере размещают соосно графитовые электроды, между которыми в атмосфере углеводородного газа при давлении 0,5÷2 атм горит дуга. Один электрод представляет собой стержень, диаметр которого определяется мощностью разряда, и выполнен подвижным для того, чтобы варьировать межэлектродное расстояние. Другой электрод имеет форму таблетки большего диаметра, что позволяет улучшить теплоотвод и предусмотреть возможные смещения электродов относительно друг друга. Расстояние между электродами подбирают таким, что температура является достаточной для полного пиролиза углеводородного газа до атомарных компонентов водорода и углерода. Использование источника переменного тока, проведение процесса при повышенном давлении, а также варьирование межэлектродного расстояния позволяют добиться того, что электроды практически не расходуются, а сырьем для синтеза наноструктур является углеводородный газ. Для получения каталитически активного углеродного конденсата в вакуумной камере плазмодугового реактора дополнительно размещают кремниевую пластину в форме кольцевой шайбы, на которую методом напыления нанесены частицы катализатора, причем пластину установливают на электроде, который имеет форму таблетки, диаметр которой больше диаметра другого электрода. В качестве катализатора используют частицы железа, никеля, кобальта, иридия. Пластина имеет форму кольцевой шайбы с отношением диаметров окружностей, образующих шайбу, равным 1/7.To achieve this goal, a device is proposed consisting of a plasma-arc reactor, a palladium filter, which is selective for hydrogen, a compressor pump and a reservoir for collecting hydrogen. The plasma-arc reactor includes a vacuum chamber, a vacuum pumping system, an electrical power system with an alternating current source, a water cooling system, a gas supply and discharge system, measuring systems for monitoring pressure and electrical discharge parameters. The vacuum chamber is a sealed vessel made of stainless steel. In a vacuum chamber, coaxially graphite electrodes are placed, between which an arc burns in a hydrocarbon gas atmosphere at a pressure of 0.5 ÷ 2 atm. One electrode is a rod, the diameter of which is determined by the power of the discharge, and is made movable in order to vary the interelectrode distance. The other electrode is in the form of a tablet with a larger diameter, which allows to improve the heat sink and provide for possible displacements of the electrodes relative to each other. The distance between the electrodes is selected so that the temperature is sufficient for complete pyrolysis of the hydrocarbon gas to the atomic components of hydrogen and carbon. Using an alternating current source, carrying out the process at elevated pressure, as well as varying the interelectrode distance, allows us to ensure that the electrodes are practically not consumed, and hydrocarbon gas is the raw material for the synthesis of nanostructures. To obtain a catalytically active carbon condensate, a silicon plate in the form of an annular washer is additionally placed in the vacuum chamber of the plasma-arc reactor, onto which catalyst particles are deposited, the plate being mounted on an electrode that has the form of a tablet, the diameter of which is larger than the diameter of the other electrode. As a catalyst, particles of iron, nickel, cobalt, iridium are used. The plate has the shape of an annular washer with a ratio of the diameters of the circles forming the washer equal to 1/7.
Предлагаемую установку для получения водорода и углеродных наноматериалов и структур из углеводородного газа иллюстрируют чертежом, где все элементы показывают схематично и в произвольном масштабе. Установка содержит плазмодуговой реактор 1, палладиевый фильтр 5, насос-компрессор 6 и резервуар для сбора водорода 7. Вакуумная камера плазмодугового реактора содержит соосно расположенные графитовые электроды 3 и 4. Подвижный электрод 4 представляет собой графитовый стержень, диаметр которого определяется мощностью разряда. Неподвижный электрод 3 имеет форму графитовой таблетки, диаметр которой равен диаметру электрода 4 или больше, что в последнем случае позволяет улучшить теплоотвод и предусмотреть возможные смещения электродов 3 и 4 относительно общей оси, на которой они изначально находятся. Для получения каталитически активного углеродного конденсата в камере плазмодугового реактора устанавливают кремниевую пластину 2, имеющую форму кольцевой шайбы с напыленными на нее частицами ряда металлов (каталитическими частицами). Перемещение электрода 4 осуществляется вручную с помощью сильфонного узла передачи поступательного движения (на схеме не обозначено).The proposed installation for the production of hydrogen and carbon nanomaterials and structures from hydrocarbon gas is illustrated in the drawing, where all the elements are shown schematically and on an arbitrary scale. The installation contains a plasma-arc reactor 1, a palladium filter 5, a pump-compressor 6, and a reservoir for collecting hydrogen 7. The vacuum chamber of the plasma-arc reactor contains coaxially arranged graphite electrodes 3 and 4. The movable electrode 4 is a graphite rod, the diameter of which is determined by the discharge power. The fixed electrode 3 is in the form of a graphite tablet, the diameter of which is equal to the diameter of the electrode 4 or more, which in the latter case can improve the heat sink and provide for possible displacements of the electrodes 3 and 4 relative to the common axis on which they are initially located. To obtain catalytically active carbon condensate, a silicon wafer 2 is installed in the chamber of the plasma-arc reactor, having the form of an annular washer with a number of metal particles (catalytic particles) sprayed onto it. The movement of the electrode 4 is carried out manually using a bellows assembly for the translation of translational motion (not shown in the diagram).
Установка работает следующим образом.Installation works as follows.
Вакуумную камеру реактора заполняют углеводородным газом, выбираемым из ряда: метан, попутный нефтяной газ, ацетилен, пропан, бутан, природный газ, зажигают электрическую дугу переменного тока методом касания электродов и при давлении 0,5-2 атм осуществляют высокотемпературный пиролиз. Углеводородный газ в камеру реактора подают непрерывно. Рост углеродных наноструктур, представляющих преимущественно одно- и многослойные нанотрубки, без образования других углеродных структур, происходит непосредственно на пластине на каталитических частицах металла. Образующийся водород выводят через палладиевый фильтр и с помощью насоса-компрессора закачивают в резервуар.The vacuum chamber of the reactor is filled with a hydrocarbon gas selected from the series: methane, associated petroleum gas, acetylene, propane, butane, natural gas, an alternating current electric arc is ignited by touching electrodes, and high-temperature pyrolysis is carried out at a pressure of 0.5-2 atm. Hydrocarbon gas is continuously supplied to the reactor chamber. The growth of carbon nanostructures, which are predominantly single and multilayer nanotubes, without the formation of other carbon structures, occurs directly on the plate on catalytic metal particles. The resulting hydrogen is removed through a palladium filter and pumped into the tank using a compressor pump.
Практическая реализация.Practical implementation.
Изготовлена лабораторная установка для получения наноматериалов и структур из углеводородного газа производительностью 10 г/ч. Выполнена серия экспериментов и с помощью электронной микроскопии проведен анализ полученного материала, который показал, что на пластине с частицами катализатора образуются углеродные наноматериалы с высокой селективностью, преимущественно состоящих из одно- и многослойных углеродных нанотрубок без примеси других модификаций углерода. Эксперименты показали, что данная установка позволяет получать продукты высокого качества, экономична с точки зрения энергозатрат, экологична.A laboratory setup was made for the production of nanomaterials and structures from hydrocarbon gas with a productivity of 10 g / h. A series of experiments was carried out and electron microscopy was used to analyze the obtained material, which showed that carbon nanomaterials with high selectivity are formed on a plate with catalyst particles, mainly consisting of single and multilayer carbon nanotubes without an admixture of other carbon modifications. The experiments showed that this installation allows you to get high quality products, economical in terms of energy consumption, environmentally friendly.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009132779/05A RU2425795C2 (en) | 2009-08-31 | 2009-08-31 | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009132779/05A RU2425795C2 (en) | 2009-08-31 | 2009-08-31 | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009132779A RU2009132779A (en) | 2011-03-10 |
| RU2425795C2 true RU2425795C2 (en) | 2011-08-10 |
Family
ID=44754801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009132779/05A RU2425795C2 (en) | 2009-08-31 | 2009-08-31 | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2425795C2 (en) |
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2448768C2 (en) * | 2010-07-28 | 2012-04-27 | Вячеслав Геннадьевич Певгов | Method of plasmachemical treatment of raw stock of organic or vegetable origin and device to this end |
| RU2489350C2 (en) * | 2011-11-16 | 2013-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр перспективных углеродных материалов" | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation |
| RU2657174C1 (en) * | 2017-09-06 | 2018-06-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук | Method of manufacture of a radio apparatus |
| US10100200B2 (en) | 2014-01-30 | 2018-10-16 | Monolith Materials, Inc. | Use of feedstock in carbon black plasma process |
| US10138378B2 (en) | 2014-01-30 | 2018-11-27 | Monolith Materials, Inc. | Plasma gas throat assembly and method |
| US10370539B2 (en) | 2014-01-30 | 2019-08-06 | Monolith Materials, Inc. | System for high temperature chemical processing |
| US10618026B2 (en) | 2015-02-03 | 2020-04-14 | Monolith Materials, Inc. | Regenerative cooling method and apparatus |
| US10808097B2 (en) | 2015-09-14 | 2020-10-20 | Monolith Materials, Inc. | Carbon black from natural gas |
| US11149148B2 (en) | 2016-04-29 | 2021-10-19 | Monolith Materials, Inc. | Secondary heat addition to particle production process and apparatus |
| US11304288B2 (en) | 2014-01-31 | 2022-04-12 | Monolith Materials, Inc. | Plasma torch design |
| US11453784B2 (en) | 2017-10-24 | 2022-09-27 | Monolith Materials, Inc. | Carbon particles having specific contents of polycylic aromatic hydrocarbon and benzo[a]pyrene |
| US11492496B2 (en) | 2016-04-29 | 2022-11-08 | Monolith Materials, Inc. | Torch stinger method and apparatus |
| RU2790380C1 (en) * | 2019-11-13 | 2023-02-17 | Тиссенкрупп Индастриал Солюшнз Аг | Method and device for producing hydrogen and pyrocarbon from hydrocarbons |
| US11665808B2 (en) | 2015-07-29 | 2023-05-30 | Monolith Materials, Inc. | DC plasma torch electrical power design method and apparatus |
| WO2023122202A1 (en) * | 2021-12-21 | 2023-06-29 | Soane Labs, Llc | Systems and methods for producing carbon solids |
| US11760884B2 (en) | 2017-04-20 | 2023-09-19 | Monolith Materials, Inc. | Carbon particles having high purities and methods for making same |
| US11926743B2 (en) | 2017-03-08 | 2024-03-12 | Monolith Materials, Inc. | Systems and methods of making carbon particles with thermal transfer gas |
| US11939477B2 (en) | 2014-01-30 | 2024-03-26 | Monolith Materials, Inc. | High temperature heat integration method of making carbon black |
| US11987712B2 (en) | 2015-02-03 | 2024-05-21 | Monolith Materials, Inc. | Carbon black generating system |
| US12030776B2 (en) | 2017-08-28 | 2024-07-09 | Monolith Materials, Inc. | Systems and methods for particle generation |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516198C2 (en) * | 2011-07-21 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр Новых Технологий "НУР" | Method of obtaining carbon nanostructures (versions) and device for its realisation (versions) |
-
2009
- 2009-08-31 RU RU2009132779/05A patent/RU2425795C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2448768C2 (en) * | 2010-07-28 | 2012-04-27 | Вячеслав Геннадьевич Певгов | Method of plasmachemical treatment of raw stock of organic or vegetable origin and device to this end |
| RU2489350C2 (en) * | 2011-11-16 | 2013-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр перспективных углеродных материалов" | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation |
| US11203692B2 (en) | 2014-01-30 | 2021-12-21 | Monolith Materials, Inc. | Plasma gas throat assembly and method |
| US10100200B2 (en) | 2014-01-30 | 2018-10-16 | Monolith Materials, Inc. | Use of feedstock in carbon black plasma process |
| US10138378B2 (en) | 2014-01-30 | 2018-11-27 | Monolith Materials, Inc. | Plasma gas throat assembly and method |
| US10370539B2 (en) | 2014-01-30 | 2019-08-06 | Monolith Materials, Inc. | System for high temperature chemical processing |
| US11939477B2 (en) | 2014-01-30 | 2024-03-26 | Monolith Materials, Inc. | High temperature heat integration method of making carbon black |
| US11866589B2 (en) | 2014-01-30 | 2024-01-09 | Monolith Materials, Inc. | System for high temperature chemical processing |
| US11591477B2 (en) | 2014-01-30 | 2023-02-28 | Monolith Materials, Inc. | System for high temperature chemical processing |
| US11304288B2 (en) | 2014-01-31 | 2022-04-12 | Monolith Materials, Inc. | Plasma torch design |
| RU2816576C2 (en) * | 2014-01-31 | 2024-04-02 | Монолит Матириалз, Инк. | Plasma torch design |
| US10618026B2 (en) | 2015-02-03 | 2020-04-14 | Monolith Materials, Inc. | Regenerative cooling method and apparatus |
| US11998886B2 (en) | 2015-02-03 | 2024-06-04 | Monolith Materials, Inc. | Regenerative cooling method and apparatus |
| US11987712B2 (en) | 2015-02-03 | 2024-05-21 | Monolith Materials, Inc. | Carbon black generating system |
| US11665808B2 (en) | 2015-07-29 | 2023-05-30 | Monolith Materials, Inc. | DC plasma torch electrical power design method and apparatus |
| US10808097B2 (en) | 2015-09-14 | 2020-10-20 | Monolith Materials, Inc. | Carbon black from natural gas |
| US11492496B2 (en) | 2016-04-29 | 2022-11-08 | Monolith Materials, Inc. | Torch stinger method and apparatus |
| US12012515B2 (en) | 2016-04-29 | 2024-06-18 | Monolith Materials, Inc. | Torch stinger method and apparatus |
| US11149148B2 (en) | 2016-04-29 | 2021-10-19 | Monolith Materials, Inc. | Secondary heat addition to particle production process and apparatus |
| US11926743B2 (en) | 2017-03-08 | 2024-03-12 | Monolith Materials, Inc. | Systems and methods of making carbon particles with thermal transfer gas |
| US11760884B2 (en) | 2017-04-20 | 2023-09-19 | Monolith Materials, Inc. | Carbon particles having high purities and methods for making same |
| US12030776B2 (en) | 2017-08-28 | 2024-07-09 | Monolith Materials, Inc. | Systems and methods for particle generation |
| RU2657174C1 (en) * | 2017-09-06 | 2018-06-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук | Method of manufacture of a radio apparatus |
| US11453784B2 (en) | 2017-10-24 | 2022-09-27 | Monolith Materials, Inc. | Carbon particles having specific contents of polycylic aromatic hydrocarbon and benzo[a]pyrene |
| RU2814016C2 (en) * | 2019-04-02 | 2024-02-21 | Унипер Крафтверке Гмбх | Device and method of producing hydrogen and non-volatile carbon from gas containing c1-c4-alkanes |
| RU2790380C1 (en) * | 2019-11-13 | 2023-02-17 | Тиссенкрупп Индастриал Солюшнз Аг | Method and device for producing hydrogen and pyrocarbon from hydrocarbons |
| WO2023122202A1 (en) * | 2021-12-21 | 2023-06-29 | Soane Labs, Llc | Systems and methods for producing carbon solids |
| RU2800547C1 (en) * | 2022-12-28 | 2023-07-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Installation for the production of hydrogen by thermal decomposition of methane in a gas-heated reactor |
| RU217185U1 (en) * | 2022-12-29 | 2023-03-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Device for producing hydrogen by thermal decomposition of hydrocarbons in a gas-heated reactor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009132779A (en) | 2011-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2425795C2 (en) | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas | |
| Khalifeh et al. | Decomposition of methane to hydrogen using nanosecond pulsed plasma reactor with different active volumes, voltages and frequencies | |
| Cormier et al. | Syngas production via methane steam reforming with oxygen: plasma reactors versus chemical reactors | |
| Ong et al. | Application of microwave plasma technology to convert carbon dioxide (CO2) into high value products: A review | |
| Tang et al. | Development of plasma pyrolysis/gasification systems for energy efficient and environmentally sound waste disposal | |
| Gonzalez-Aguilar et al. | Carbon nanostructures production by gas-phase plasma processes at atmospheric pressure | |
| RU2753275C1 (en) | Apparatus for executing low-temperature plasma reaction and method for decomposing hydrogen sulphide | |
| Martin-del-Campo et al. | Influence of operating parameters on plasma-assisted dry reforming of methane in a rotating gliding arc reactor | |
| Sun et al. | Plasma catalytic steam reforming of a model tar compound by microwave-metal discharges | |
| RU2317943C2 (en) | Process of producing carbon and hydrogen from hydrocarbon gas and apparatus | |
| Zhang et al. | High-efficient microwave plasma discharging initiated conversion of waste plastics into hydrogen and carbon nanotubes | |
| Chen et al. | Characteristics and applications of plasma assisted chemical processes and reactors | |
| CN102993053A (en) | Electronegative plasma assisted carbon dioxide emission reduction processing method and device thereof | |
| Miao et al. | Application-oriented non-thermal plasma in chemical reaction engineering: A review | |
| RU2414418C2 (en) | Method of producing hydrogen and carbon nanofibres from hydrocarbon gas | |
| CN100484869C (en) | Method for preparing carbon nano tube using high power plasma generator | |
| Baowei et al. | Steam reforming of dimethyl ether by gliding arc gas discharge plasma for hydrogen production | |
| CN110124471B (en) | High flux low temperature plasma system for decomposing hydrogen sulfide and method for decomposing hydrogen sulfide | |
| CN110127623B (en) | Method for decomposing hydrogen sulfide by plasma | |
| RU2489350C2 (en) | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation | |
| WANG et al. | Hydrogen production from partial oxidation of methane by dielectric barrier discharge plasma reforming | |
| CN110980641B (en) | Gas-liquid two-phase efficient hydrogen production device and method | |
| RU2556926C1 (en) | Method of continuous production of graphenes | |
| CN110124598B (en) | Low-temperature plasma device for decomposing hydrogen sulfide and method for decomposing hydrogen sulfide | |
| RU106616U1 (en) | PLANT FOR PRODUCING A HIGH-CALORNY PLASMOGAS FROM CARBON-CONTAINING WATER-ORGANIC ULTRA-DISPERSION SYSTEMS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140901 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160620 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160901 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170901 |