RU2484008C1

RU2484008C1 - Method of separating hydrogen from light hydrocarbon gas and apparatus for realising said method

Info

Publication number: RU2484008C1
Application number: RU2011150410/05A
Authority: RU
Inventors: Иван Сергеевич Слесарев; Сергей Иванович Слесарев; Александр Вячеславович Егоркин; Варвара Александровна Столяр
Original assignee: Иван Сергеевич Слесарев
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-10

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: inventions relate to chemistry. The apparatus for separating hydrogen from light hydrocarbon gas has an electron accelerator 1 with a guide nozzle 4 which is connected to a reaction-cyclone chamber 2 which is cone-shaped. There is an inlet pipe 3 for light hydrocarbon gas on the upper base of the reaction-cyclone chamber and there is an outlet pipe 5 for heavy fractions on the lower base of the reaction-cyclone chamber. There is a hydrogen-separating pipe 6 with a hydrogen-separating filter 7 for removing hydrogen in the central part of the reaction-cyclone chamber. Inside the hydrogen-separating pipe there is a circulation pipe 8 for feeding unreacted hydrocarbon gas to the circulation step. The circulation pipe is fitted with an automated ball valve 9 and a gas analyser 10 for controlling the circulation flow of hydrocarbon gas. Light hydrogen gas is fed into the reaction-cyclone chamber at pressure of 0.1-0.3 MPa.

EFFECT: invention reduces power consumption and capital costs.

Description

Изобретение может применяться в газовой, нефтяной, химической, энергетической и металлургической отраслях промышленности. Изобретение соответствует всем нормам экологического надзора. В зависимости от поставленных технологических задач может изготавливаться с различными техническими характеристиками. Изобретение позволяет получить чистый водород и утяжеленные фракции алканов из поступаемого в устройство легкого углеводородного газа - метана (CH₄). Также наряду с метаном в устройство могут поступать более тяжелые фракции углеводородного газа, такие как этан, пропан, бутан и т.д.The invention can be applied in the gas, oil, chemical, energy and metallurgical industries. The invention meets all environmental standards. Depending on the set technological tasks, it can be manufactured with various technical characteristics. EFFECT: invention makes it possible to obtain pure hydrogen and heavier alkane fractions from a light hydrocarbon gas, methane (CH ₄ ), supplied to the device. Also, along with methane, heavier fractions of hydrocarbon gas, such as ethane, propane, butane, etc., can enter the device.

Устройство для получения водорода с его последующим отделением от легкого углеводородного газа (см. чертеж) включает: ускоритель электронов 1 и реакционно-циклонную камеру 2. В качестве ускорителя электронов может использоваться любой из известных аналогов электронно-ускорительной техники, например патенты на изобретение №2418338 «Сильноточный ускоритель ионов», №2396632 «Кислотный генератор», №2392782 «Линейный ускоритель ионов» и т.д. Реакционно-циклонная камера выполнена из нержавеющей стали конической формы для эффективного разделения продуктов конверсии легкого углеводородного газа, а именно водорода и фракций алканов. У верхнего (большего) основания реакционно-циклонной камеры расположен входной патрубок 3 для ввода легкого углеводородного газа. У нижнего (меньшего) основания реакционно-циклонной камеры расположено направляющее сопло 4 ускорителя электронов, которое предназначено для задания направления и расширения потока электронов. Направляющее сопло также выполнено в конической форме, но с большей конусностью для отсечения мертвой зоны. Также у нижнего основания реакционно-циклонной камеры расположен выходной патрубок 5, предназначенный для вывода утяжеленных фракций углеводородного газа. В центральной части реакционно-циклонной камеры установлены два патрубка: водородоотделительный патрубок 6 и циркуляционный патрубок 8. Водородоотделительный патрубок предназначен для вывода водорода из реакционно-циклонной камеры. Вывод водорода производится через водородоотделительный фильтр (мембрану) 7, который имеет вид цилиндрической сетки с проходными отверстиями, соразмерными атомам водорода. В качестве такой сетки также может быть применен любой из известных аналогов, например патенты на изобретение №2418622 «Газоразделительная мембрана, содержащая микропористый кремнеземный слой на основе кремнезема, легированного трехвалентным элементом», №98107810 «Способ получения водорода с использованием мембраны из твердого электролита» и т.д. Циркуляционный патрубок предназначен для отвода несреагировавших объемов газа. В него встроены автоматизированный шаровой кран 9 и газоанализатор 10, позволяющие регулировать скорость потока циркуляции газа.A device for producing hydrogen with its subsequent separation from a light hydrocarbon gas (see drawing) includes: an electron accelerator 1 and a reaction cyclone chamber 2. As an electron accelerator, any of the known analogues of electron accelerator technology can be used, for example, invention patents No. 2418338 “High-current ion accelerator”, No. 2396632 “Acid generator”, No. 2392782 “Linear ion accelerator”, etc. The cyclone reaction chamber is made of conical stainless steel for the efficient separation of light hydrocarbon gas conversion products, namely hydrogen and alkane fractions. At the upper (larger) base of the reaction cyclone chamber, an inlet pipe 3 is located for introducing light hydrocarbon gas. At the lower (smaller) base of the reaction cyclone chamber there is a guide nozzle 4 of an electron accelerator, which is designed to specify the direction and expansion of the electron flow. The guide nozzle is also made in a conical shape, but with a greater taper to cut off the dead zone. Also at the lower base of the reaction-cyclone chamber is an outlet pipe 5, designed to output heavy fractions of hydrocarbon gas. Two nozzles are installed in the central part of the reaction-cyclone chamber: a hydrogen separation nozzle 6 and a circulation nozzle 8. A hydrogen separation nozzle is designed to remove hydrogen from the reaction-cyclone chamber. The hydrogen is removed through a hydrogen separation filter (membrane) 7, which has the form of a cylindrical grid with through holes proportional to hydrogen atoms. As such a grid, any of the known analogues can also be used, for example, patents for invention No. 2418622 “Gas separation membrane containing a microporous silica layer based on silica doped with a trivalent element”, No. 98107810 “Method for producing hydrogen using a solid electrolyte membrane” and etc. The circulation pipe is designed to divert unreacted volumes of gas. An automated ball valve 9 and a gas analyzer 10 are built into it, allowing you to adjust the gas circulation flow rate.

Способ заключается в отделении водорода от поступающего в реакционно-циклонную камеру 2 легкого углеводородного газа (метана), через входной патрубок 3. Отделение происходит за счет центробежной силы и постоянного бомбардирования молекул входящего газа электронами, вылетающими с определенным ускорением из ускорителя электронов 1. Направляющее сопло 4 ускорителя электронов сконструировано таким образом, что бомбардировка электронами накрывает весь объем газа вплоть до входного патрубка, но при этом в нижней части камеры остается мертвая зона, через которую выходят утяжеленные фракции углеводородного газа. Легкий углеводородный газ поступает в устройство под давлением 0,1-0,3 МПа и за счет конической формы камеры закручивается и ускоряется под воздействием центробежной силы. За счет бомбардировки электронами от молекул легкого углеводородного газа отбивается водород и вылетает из камеры через водородоотделительный фильтр 7 и далее поступает по водородоотделительному патрубку 6 к потребителю. В это же время утяжеленные фракции выходят из установки, прижимаемые к стенке камеры под воздействием центробежной силы, в противоположном направлении через выходной патрубок 5.The method consists in separating hydrogen from light hydrocarbon gas (methane) entering the reaction cyclone chamber 2 through the inlet 3. Separation is due to the centrifugal force and constant bombardment of the incoming gas molecules by electrons emitted from the electron accelerator with a certain acceleration 1. Guiding nozzle 4 electron accelerators are designed in such a way that electron bombardment covers the entire gas volume up to the inlet pipe, but remains dead at the bottom of the chamber I am the zone through which the weighted fractions of the hydrocarbon gas exit. Light hydrocarbon gas enters the device at a pressure of 0.1-0.3 MPa and, due to the conical shape of the chamber, twists and accelerates under the influence of centrifugal force. Due to electron bombardment, hydrogen is beaten off from the molecules of a light hydrocarbon gas and flies out of the chamber through a hydrogen separation filter 7 and then passes through a hydrogen separation pipe 6 to the consumer. At the same time, the heavier fractions exit the installation, pressed against the chamber wall under the influence of centrifugal force, in the opposite direction through the outlet pipe 5.

Химические процессы, происходящие в реакционно-циклонной камере при воздействии пучка ускоренных электронов на углеводородный газ, описываются следующими уравнениями:The chemical processes that take place in a cyclone reaction chamber when a beam of accelerated electrons acts on a hydrocarbon gas are described by the following equations:

В результате воздействия ионизирующего излучения в исходной газовой смеси образуется большое количество свободных радикалов. В дальнейшем, за счет реакций роста и передачи цепи и рекомбинации радикалов происходит укрупнение алкильных радикалов и образование водорода.As a result of exposure to ionizing radiation in the initial gas mixture produces a large number of free radicals. In the future, due to the reactions of growth and chain transfer and recombination of radicals, the enlargement of alkyl radicals and the formation of hydrogen occur.

В качестве аналогов данного способа и устройства могут быть рассмотрены следующие патенты на изобретение: патент №2394754 «Способ получения водорода из углеводородного сырья» (ближайший аналог); патент №2397141 «Способ получения водорода и химический реактор для его осуществления». А также патенты на полезную модель: №80160 «Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа»; №81964 «Ультразвуковое устройство получения водорода»; №111840 «Установка для получения водорода и гидрооксидов алюминия из алюминия или его сплавов». Во всех вышеперечисленных изобретениях и полезных моделях отделение водорода осуществляется за счет электрического, электротермического или электрохимического воздействия на компоненты реагирующих веществ. В данном же описании способа и устройства отделения водорода воздействие относится к физико-химическим процессам, что составляет существенное отличие.The following patents for invention can be considered as analogues of this method and device: patent No. 2394754 “Method for producing hydrogen from hydrocarbon feedstocks” (closest analogue); patent No. 2397141 "A method of producing hydrogen and a chemical reactor for its implementation." As well as utility model patents: No. 80160 “Device for producing carbon and hydrogen from hydrocarbon gas”; No. 81964 "Ultrasonic device for producing hydrogen"; No. 111840 "Installation for the production of hydrogen and aluminum hydroxides from aluminum or its alloys." In all of the above inventions and utility models, hydrogen is separated by electrical, electrothermal, or electrochemical effects on the components of the reacting substances. In this description of the method and device for the separation of hydrogen, the effect refers to physicochemical processes, which is a significant difference.

Claims

1. A device for separating hydrogen from a light hydrocarbon gas, including an electron accelerator with a guide nozzle that is connected to a conical reaction cyclone chamber, an inlet pipe for introducing a light hydrocarbon gas is located at the upper base of the reaction cyclone chamber, and a reaction -cyclone chamber — outlet pipe for withdrawing heavier fractions; in the central part of the reaction-cyclone chamber — a hydrogen separation pipe with a hydrogen separation filter m for hydrogen output, inside the hydrogen separation pipe there is a circulation pipe for outputting unreacted hydrocarbon gas to the circulation stage, an automated ball valve and gas analyzer are built into the circulation pipe for regulating the flow of hydrocarbon gas circulation.

2. The method of separating hydrogen from light hydrocarbon gas, characterized in that the process is carried out in the device according to claim 1, wherein the introduction of light hydrocarbon gas into the reaction cyclone chamber is carried out at a pressure of 0.1-0.3 MPa.