RU2790380C1

RU2790380C1 - Method and device for producing hydrogen and pyrocarbon from hydrocarbons

Info

Publication number: RU2790380C1
Application number: RU2022111843A
Authority: RU
Inventors: Николай АНТВАЙЛЕР; Карстен Бюкер
Original assignee: Тиссенкрупп Индастриал Солюшнз Аг; Тиссенкрупп Аг
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2023-02-17

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to the field of pyrolytic decomposition of hydrocarbons. A method for producing hydrogen and pyrocarbon from hydrocarbons is proposed, in which hydrocarbons are converted into hydrogen and carbon in a reactor at temperatures ranging from 1000°C to 1800°C, and the specified reactor contains two electrodes placed at a distance from each other in the direction of the flow of hydrocarbons, characterized in that in the reactor section between the specified electrodes, along the entire cross-section of the reactor an inert gas component is introduced, while the reactor in the specified section between the electrodes contains carbon particles. A device for pyrolytic conversion of hydrocarbons into hydrogen and carbon is also proposed.

EFFECT: proposed method makes it possible to provide such operating conditions for properly configured reactors that prevent the formation of a conductive carbon bridge on the reactor wall.

19 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к области пиролитического разложения углеводородов, в частности метана, на водород и пироуглерод (пиролитический углерод), и относится, в частности, к новому способу проведения соответствующей конверсии, в котором используется реактор, содержащий два электрода, расположенные на расстоянии друг от друга в направлении движения потока углеводородов, и на участке реактора между электродами по всему поперечному сечению реактора осуществляют ввод инертного газового компонента. Изобретение, кроме того, относится к устройству для осуществления указанного способа.The present invention relates to the field of pyrolytic decomposition of hydrocarbons, in particular methane, into hydrogen and pyrocarbon (pyrolytic carbon), and relates, in particular, to a new method for carrying out the corresponding conversion, which uses a reactor containing two electrodes located at a distance from each other in the direction of flow of hydrocarbons, and in the area of the reactor between the electrodes over the entire cross section of the reactor, an inert gas component is introduced. The invention furthermore relates to a device for carrying out said method.

Уровень техникиState of the art

В ближней и среднесрочной перспективе производство водорода будет продолжаться на основе использования ископаемого топлива, главным образом, природного газа (NG). С другой стороны, традиционные способы производства водорода являются одним из основных источников антропогенных выбросов CО₂в атмосферу. In the near and medium term, hydrogen production will continue based on the use of fossil fuels, mainly natural gas (NG). On the other hand, traditional methods of hydrogen production are one of the main sources of anthropogenic CO ₂ emissions into the atmosphere.

Водород, в принципе, может быть получен из углеводородных топлив посредством окислительных и неокислительных процессов химического превращения.Hydrogen, in principle, can be obtained from hydrocarbon fuels through oxidative and non-oxidative chemical conversion processes.

Процессы окислительной конверсии включают химическую реакцию углеводородов с окислителями, такими как вода, кислород или комбинация воды и кислорода (процессы парового риформинга, частичного окисления и автотермического риформинга). Эти процессы включают первую стадию, на которой образуется смесь водорода и монооксида углерода (синтез-газ), от которой отделяют водород путем обработки газа (реакция конверсии водяного газа) и предпочтительно посредством стадии реакций окисления и удаления СО₂. Общий выброс СО₂ в результате осуществления этих процессов достигает 0,5-0,6 м³ на м³ полученного водорода. Oxidative conversion processes involve the chemical reaction of hydrocarbons with oxidizing agents such as water, oxygen, or a combination of water and oxygen (steam reforming, partial oxidation, and autothermal reforming processes). These processes include a first step in which a mixture of hydrogen and carbon monoxide (synthesis gas) is formed, from which hydrogen is separated by treatment of the gas (water gas shift reaction) and preferably by a step of oxidation reactions and removal of CO ₂ . The total emission of CO ₂ as a result of these processes reaches 0.5-0.6 m ³ per m ³ of produced hydrogen.

Неокислительные процессы включают термическое разложение (или диссоциацию, пиролиз, крекинг) углеводородов на водород и углерод. Термическое разложение природного газа в течение нескольких десятилетий было использовано для производства технического углерода (термической сажи), при этом водород представляет собой ценный продукт, дополнительно полученный в этом процессе. В этом процессе пары углеводорода разлагаются на водород и частицы технического углерода (термической сажи) при контакте в предварительно нагретом состоянии при температуре приблизительно равной 1400°С. Процесс осуществлялся, например, как полунепрерывный (циклический) процесс с использованием двух последовательно расположенных реакторов. В патентном документе US2926073 описано усовершенствованное устройство для производства технического углерода и водорода из углеводородов посредством непрерывного процесса термического разложения.Non-oxidative processes include thermal decomposition (or dissociation, pyrolysis, cracking) of hydrocarbons into hydrogen and carbon. The thermal decomposition of natural gas has been used for several decades to produce carbon black (thermal soot), with hydrogen being a valuable additional product obtained in this process. In this process, hydrocarbon vapors are decomposed into hydrogen and carbon black particles (thermal soot) upon contact in a preheated state at a temperature of approximately 1400°C. The process was carried out, for example, as a semi-continuous (cyclic) process using two series reactors. US2926073 describes an improved apparatus for producing carbon black and hydrogen from hydrocarbons through a continuous thermal decomposition process.

Компанией Kvaerner Company (Норвегия) разработан способ разложения метана, который производит водород и сажу при высоких температурах (способ CB&H, описанный в источнике информации: Proc. 12th World Hydrogen Energy Conference, Buenos Aires 697, 1998). Преимуществами плазменно-химических методов, используемых в этом способе, являются высокая тепловая эффективность (> 90%) и чистота водорода 98 мас.%. Однако недостатком указанного способа является высокое потребление энергии. В журнале Int. J. Hydrogen Energy, 24, 771, 1999 (Steinberg et al.) предложен реактор для разложения метана, в состав которого входит ванна с расплавленным металлом. В этом реакторе пузырьки метана проходят через ванну с расплавленным оловом или медью при высоких температурах (900°С или более). Преимущества используемой системы заключаются в эффективной передаче теплоты потоку газообразного метана и легкости отделения углерода от поверхности жидкого металла вследствие разности плотностей.The Kvaerner Company (Norway) has developed a methane decomposition process that produces hydrogen and soot at high temperatures (the CB&H process described in reference: Proc. 12th World Hydrogen Energy Conference, Buenos Aires 697, 1998). The advantages of plasma-chemical methods used in this method are high thermal efficiency (> 90%) and hydrogen purity of 98 wt.%. However, the disadvantage of this method is the high energy consumption. In the journal Int. J. Hydrogen Energy, 24, 771, 1999 (Steinberg et al.) proposes a reactor for the decomposition of methane, which includes a bath of molten metal. In this reactor, methane bubbles pass through a bath of molten tin or copper at high temperatures (900° C. or more). The advantages of the system used are the efficient transfer of heat to the methane gas flow and the ease of separation of carbon from the surface of the liquid metal due to the density difference.

В журнале: Int. J. Hydrogen Energy, 24, 613, 1999 описан высокотемпературный регенеративный газовый нагреватель для получения водорода и углерода, разработанный авторами Spilrain et al. В способе, описанном в этом источнике, термическое разложение природного газа осуществлялось в присутствии газа-носителя (N₂ или H₂), который был предварительно нагрет до температуры в диапазоне от 1627°C до 1727°C в пучке труб регенеративного газового нагревателя.Journal: Int. J. Hydrogen Energy, 24, 613, 1999 describes a high temperature regenerative gas heater for producing hydrogen and carbon developed by Spilrain et al. In the method described in this reference, the thermal decomposition of natural gas was carried out in the presence of a carrier gas (N ₂ or H ₂ ) that had been preheated to a temperature in the range of 1627°C to 1727°C in a regenerative gas heater tube bundle.

Проблема, связанная с описанными выше способами, заключается в необходимости создания очень высокой температуры для крекинга метана. В этой связи были предприняты многочисленные попытки снижения температуры, необходимой для термического разложения метана, за счет использования катализаторов. В частности, в качестве очень активных катализаторов для реакции разложения метана хорошо зарекомендовали себя переходные металлы. Однако существует одна проблема, которая заключается в дезактивации катализатора вследствие осаждения углерода на поверхности этого катализатора.A problem associated with the methods described above is the need to create a very high temperature for the cracking of methane. In this regard, numerous attempts have been made to reduce the temperature required for the thermal decomposition of methane through the use of catalysts. In particular, transition metals have proven to be very active catalysts for the decomposition of methane. However, there is one problem, which is the deactivation of the catalyst due to the deposition of carbon on the surface of this catalyst.

Указанная проблема в большинстве случаев решалась путем сжигания осажденного на поверхности углерода в атмосфере воздуха и восстановления первоначальной активности катализатора. Однако недостаток описанного способа заключается в том, что весь углерод превращается в СО₂, и водород получают в качестве единственного продукта реакции, пригодного к использованию. Например, в источнике информации: Proc. 26th Power Sources Symp. Red Bank, MJ 181, 1974 (Callahan) описан каталитический реактор, способный осуществлять каталитическую конверсию метана и других углеводородов с получением водорода для применения в топливных элементах. Поток газообразного топлива вводится в один из двух слоев реактора, где происходит разложение углеводородов с получением водорода при температуре 870-980°C, и на никелевом катализаторе осаждается углерод. Одновременно вводят воздух во второй реактор, в котором катализатор регенерируется при сжигании осажденного углерода на поверхности катализатора. Подача топлива и воздуха была поменяна местами для второго цикла разложения/регенерации. Описанный выше способ не требует проведения какой-либо из стадий конверсии водяного газа и отделения газа, что является значительным преимуществом. Однако из-за циклического характера способа водород загрязняется оксидами углерода. Другим недостатком этого способа является то, что в нем не получают углерода в качестве побочного продукта.In most cases, this problem was solved by burning the carbon deposited on the surface in air and restoring the initial activity of the catalyst. However, the disadvantage of the described method is that all the carbon is converted to CO ₂ and hydrogen is obtained as the only reaction product suitable for use. For example, in the source of information: Proc. 26th Power Source Symp. Red Bank, MJ 181, 1974 (Callahan) describes a catalytic reactor capable of catalytically converting methane and other hydrocarbons into hydrogen for use in fuel cells. The gaseous fuel stream is introduced into one of the two layers of the reactor, where hydrocarbons are decomposed to produce hydrogen at a temperature of 870-980°C, and carbon is deposited on the nickel catalyst. Simultaneously, air is introduced into the second reactor, in which the catalyst is regenerated by burning the deposited carbon on the surface of the catalyst. The fuel and air supply has been swapped for the second decomposition/regeneration cycle. The method described above does not require any of the water gas shift and gas separation steps, which is a significant advantage. However, due to the cyclical nature of the process, the hydrogen is contaminated with carbon oxides. Another disadvantage of this process is that it does not produce carbon as a by-product.

В патентном документе US 3284161 описан способ непрерывного получения водорода путем каталитического разложения потоков газообразных углеводородов. Разложение метана осуществлялось в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора в диапазоне температур от 815°C до 1093°C. В этом способе использовались катализаторы из никеля, железа и кобальта (предпочтительно Ni/Al₂O₃). Катализатор, загрязненный углеродом, непрерывно отводился из реактора и вводился в зону регенерации, где осуществлялось выжигание углерода. Регенерированный катализатор затем возвращался в реактор.US Pat. No. 3,284,161 describes a process for the continuous production of hydrogen by the catalytic decomposition of gaseous hydrocarbon streams. The decomposition of methane was carried out in a reactor with a fluidized bed of catalyst in the temperature range from 815°C to 1093°C. Nickel, iron and cobalt (preferably Ni/Al ₂ O ₃ ) catalysts were used in this process. The carbon-contaminated catalyst was continuously withdrawn from the reactor and introduced into the regeneration zone, where carbon was burned off. The regenerated catalyst was then returned to the reactor.

В патентном документе US 5650132 описан способ получения водорода из метана и других углеводородов, включающий контакт углеводородов с мелкими частицами углеродсодержащего материала, который получен с помощью дугового разряда, созданного между угольными электродами, и площадь внешней поверхности которого составляет по меньшей мере 1 м²/г. В качестве используемого углеродного материала указаны технический углерод, полученный в результате термического разложения различных органических соединений или сжигания топлива, углеродные нанотрубки, активированный уголь, фуллерены С60 или С70 и тонкоизмельченный алмаз. Оптимальные условия конверсии метана включают следующие: разбавление метана инертным газом (предпочтительно до достижения концентрации метана от 0,8 об.% до 5 об.%), диапазон температур от 400°C до 1200°C, время пребывания метана в зоне реакции составляет приблизительно 50 секунд. Увеличение концентрации метана в исходном материале от 1,8 об.% до 8 об.% (при температуре 950°С) привело к резкому снижению степени конверсии от 64,6% до лишь 9,7%. Следует также отметить, что каталитическая активность катализаторов на углеродной основе в процессе пиролиза углеводородов постепенно снижается. Для увеличения срока службы катализатора было предложено подавать в зону пиролиза окисляющие газы, такие как H₂O или CO₂. Однако недостатком данного решения является возможность загрязнения водорода оксидами углеродами, что обуславливает необходимость проведения дополнительной стадии очистки. Было предложено также сжигать отработавший катализатор, но это может быть весьма невыгодным вследствие высокой стоимости углеродных материалов, используемых в этом способе.US 5,650,132 describes a process for producing hydrogen from methane and other hydrocarbons, comprising contacting hydrocarbons with fine particles of carbonaceous material, which is obtained by means of an arc discharge created between carbon electrodes, and whose external surface area is at least 1 m ² /g . As the carbon material used, carbon black obtained as a result of thermal decomposition of various organic compounds or fuel combustion, carbon nanotubes, activated carbon, C60 or C70 fullerenes and finely ground diamond are indicated. Optimum conditions for methane conversion include the following: dilution of methane with an inert gas (preferably to reach a concentration of methane from 0.8 vol.% to 5 vol.%), temperature range from 400°C to 1200°C, residence time of methane in the reaction zone is approximately 50 seconds. Increasing the methane concentration in the feedstock from 1.8 vol.% to 8 vol.% (at 950° C.) led to a sharp decrease in the degree of conversion from 64.6% to only 9.7%. It should also be noted that the catalytic activity of carbon-based catalysts gradually decreases during the pyrolysis of hydrocarbons. To increase the service life of the catalyst, it has been proposed to supply oxidizing gases such as H ₂ O or CO ₂ to the pyrolysis zone. However, the disadvantage of this solution is the possibility of contamination of hydrogen with carbon oxides, which necessitates an additional purification step. It has also been proposed to burn the spent catalyst, but this can be quite disadvantageous due to the high cost of the carbon materials used in this process.

В патентном документе US 2007/111051 описан способ получения водорода, не содержащего (не загрязненного) СО₂, и углерода посредством термокаталитического разложения углеводородного топлива над углеродсодержащими катализаторами в отсутствии воздуха и воды. Используемым в этом случае катализатором является, например, активированный уголь «Darco^®-KB-B», площадь поверхности которого составляет 1500 м²/г, общий объем пор 1,8 мл/г и размер частиц 15 мкм. В способе, известном из указанного патентного документа, фактическое разложение исходного углеводородного сырья осуществляется при температурах в диапазоне от приблизительно 850°C до 1000°C.US 2007/111051 describes a process for producing CO ₂ -free (non-contaminated) hydrogen and carbon by thermal catalytic decomposition of hydrocarbon fuels over carbonaceous catalysts in the absence of air and water. The catalyst used in this case is, for example, " ^Darco® -KB-B" activated carbon, which has a surface area of 1500 m ² /g, a total pore volume of 1.8 ml/g and a particle size of 15 μm. In the method known from said patent document, the actual decomposition of the original hydrocarbon feedstock is carried out at temperatures in the range from about 850°C to 1000°C.

Из изложенного выше следует, что в традиционных реакторах пиролитического разложения газообразного метана на углерод и водород полученный углерод представляет собой, в особенности, значительную проблему. Для решения этой проблемы в соответствии с разработкой Технического университета Дортмунда (факультет биологической и химической инженерии, кафедра инженерии химических процессов под руководством профессора Дэвида В. Агара, информация о разработке доступна по ссылке: dechema.de/dechema_media/2942_Schlussbericht-p-4820.pdf) предложен способ, в соответствии с которым метан проходит сверху вниз в реакторной камере, нагретой до температуры приблизительно 1100°С. Такие условия проведения реакции позволяют образовавшимся частицам технического углерода в ходе осуществления способа падать вниз, и их выгрузка производится вместе с другими газообразными компонентами, такими как водород и непрореагировавший остаточный газообразный метан. Для предотвращения осаждения углерода на боковой поверхности корпуса реактора фактическое реакторное пространство образовано с помощью пучка цилиндрических пористых керамических труб, через которые в реакторное пространство вводится инертный газ, например, в виде газообразного азота (N₂).It follows from the foregoing that in conventional reactors for the pyrolytic decomposition of gaseous methane into carbon and hydrogen, the resulting carbon is particularly a significant problem. To solve this problem in accordance with the development of the Technical University of Dortmund (Faculty of Biological and Chemical Engineering, Department of Chemical Process Engineering under the direction of Prof. David W. Agar, information on the development is available at: dechema.de/dechema_media/2942_Schlussbericht-p-4820.pdf ) proposed a method in which methane passes from top to bottom in a reactor chamber heated to a temperature of approximately 1100°C. These reaction conditions allow the formed carbon black particles to fall down during the process and are discharged together with other gaseous components such as hydrogen and unreacted residual methane gas. To prevent deposition of carbon on the side surface of the reactor vessel, the actual reactor space is formed by a bundle of cylindrical porous ceramic tubes through which an inert gas, eg nitrogen gas (N ₂ ), is introduced into the reactor space.

В соответствии со способом, разработанным Институтом Фраунгофера керамических технологий, реактор полностью окружен теплоносителем, обеспечивающим подвод тепловой энергии, необходимой для условий осуществления способа. Однако такое конструктивное выполнение является затруднительным для воплощения, в частности, в случае ректоров больших размеров, и необходимо значительное количество энергии. Легче реализовать нагрев реакторной камеры с помощью электронагревательных элементов, установленных внутри реакторной камеры. Это может быть достигнуто путем размещения в реакторе одной или более пар электродов, которые обеспечивают резистивный нагрев реакционных газов, например, за счет размещения между электродами токопроводящего материала, в частности, углеродных частиц. Однако такая конфигурация реактора создает проблему в том, что температура внутренней стенки реактора в реакционной зоне превышает температуру пиролиза метана/низших углеводородов. В результате эти соединения также повергаются пиролизу на стенке реактора с образованием на внутренней стенке реактора слоя пироуглерода. Характеристики электропроводности слоя углерода могут обуславливать увеличение электрического тока, протекающего от одного электрода к другому через образовавшийся на стенке слой пироуглерода, что в крайне неблагоприятных ситуациях может привести к прекращению нагрева, если в результате электрический ток через слой углерода больше не проходит.In accordance with the method developed by the Fraunhofer Institute for Ceramic Technology, the reactor is completely surrounded by a coolant that provides the supply of thermal energy necessary for the conditions of the method. However, such an arrangement is difficult to implement, in particular in the case of large reactors, and a significant amount of energy is required. It is easier to realize the heating of the reactor chamber with the help of electric heating elements installed inside the reactor chamber. This can be achieved by placing one or more pairs of electrodes in the reactor, which provide resistive heating of the reaction gases, for example, by placing between the electrodes a conductive material, in particular carbon particles. However, such a reactor configuration creates a problem in that the temperature of the inner wall of the reactor in the reaction zone exceeds the pyrolysis temperature of methane/lower hydrocarbons. As a result, these compounds are also subjected to pyrolysis on the reactor wall with the formation of a layer of pyrolytic carbon on the inner wall of the reactor. The electrical conductivity characteristics of the carbon layer can cause an increase in the electric current flowing from one electrode to another through the layer of pyrocarbon formed on the wall, which in extremely unfavorable situations can lead to a cessation of heating if, as a result, the electric current no longer passes through the carbon layer.

Таким образом, существует проблема, которая заключается в обеспечении таких условий работы надлежащим образом сконфигурированных реакторов, которые предотвращают образование токопроводящего мостика из углерода на стенке реактора. Настоящее изобретение направлено на решение указанной проблемы.Thus, there is a problem, which is to provide such operating conditions for properly configured reactors that prevent the formation of a conductive bridge of carbon on the reactor wall. The present invention is directed to solving this problem.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Изобретение обеспечивает способ получения водорода и пироуглерода из углеводородов, в соответствии с которым углеводороды превращаются в водород и углерод в реакторе при температуре 1000°С или более, реактор содержит два электрода, размещенных на расстоянии друг от друга в направлении движения потока углеводородов, при этом способ отличается тем, что на участке реактора между электродами по всему поперечному сечению реактора подают инертный газовый компонент, а также тем, что реактор на участке между электродами содержит углеродные частицы. Другими словами, при осуществлении способа в соответствии с изобретением по всему поперечному сечению реактора подают инертный газовый компонент, например, азот.The invention provides a method for producing hydrogen and pyrocarbon from hydrocarbons, according to which hydrocarbons are converted into hydrogen and carbon in a reactor at a temperature of 1000°C or more, the reactor contains two electrodes placed at a distance from each other in the direction of hydrocarbon flow, while the method differs in that in the area of the reactor between the electrodes, an inert gas component is fed over the entire cross section of the reactor, and also in that the reactor in the area between the electrodes contains carbon particles. In other words, in carrying out the process according to the invention, an inert gas component, for example nitrogen, is fed throughout the cross section of the reactor.

Применительно к настоящему изобретению термин «инертный газовый компонент» означает газ или смесь газов, которая является химически инертной по отношению к углеводородам, находящимся в реакторе, и не вступает с ними в химическую реакцию. Это не исключает, что инертный газовый компонент содержит или состоит из компонентов, инертных по отношению к продуктам, получаемым в реакторе, в частности, по отношению к образующемуся углероду. Так, например, водород является газом, способным вместе с углеродом и при подходящих условиях образовать метан, который в контексте изобретения может быть использован для разложения углерода, осажденного на стенках реактора. In relation to the present invention, the term "inert gas component" means a gas or mixture of gases that is chemically inert with respect to the hydrocarbons in the reactor, and does not enter into a chemical reaction with them. This does not exclude that the inert gas component contains or consists of components that are inert with respect to the products obtained in the reactor, in particular with respect to the carbon formed. Thus, for example, hydrogen is a gas capable, together with carbon and under suitable conditions, of forming methane, which, in the context of the invention, can be used to decompose carbon deposited on the walls of a reactor.

Указание на то, что инертный газовый компонент подается в реактор «по всему поперечному сечению реактора», не следует понимать как означающее, что инертный газовый компонент подлежит вводу на всем участке между двумя электродами. Инертный газовый компонент предпочтительно вводится между электродами только на субучастке стенки реактора. Это может быть достигнуто, например, при использовании одного или большего количества подающих устройств. Инертный газовый компонент предпочтительно вводят в реакторную камеру с помощью одного или большего количества подающих устройств, размещенных на стенке реактора, ортогонально направлению движения потока углеводородов, вводимых в реактор.The indication that the inert gas component is supplied to the reactor "throughout the entire cross section of the reactor" should not be understood as meaning that the inert gas component is to be introduced throughout the entire area between the two electrodes. The inert gas component is preferably introduced between the electrodes only on a subsection of the reactor wall. This can be achieved, for example, by using one or more feeding devices. The inert gas component is preferably introduced into the reactor chamber by means of one or more feeders placed on the reactor wall, orthogonal to the direction of flow of hydrocarbons introduced into the reactor.

Углеродные частицы могут находиться на участке реактора между двумя электродами в неподвижном состоянии, но возможно также, что углеродные частицы находятся в движении на этом участке. В настоящем изобретении предпочтительно, если углеродные частицы проходят через реактор в направлении, противоположном направлению движения потока углеводородов, поскольку это в значительной степени препятствует образованию токопроводящих мостиков (вследствие адгезии углерода, образовавшегося в реакторе) и, следовательно, формированию неравномерного профиля температуры в реакторе.The carbon particles may be stationary in the region of the reactor between the two electrodes, but it is also possible that the carbon particles are in motion in this region. In the present invention, it is preferable that the carbon particles pass through the reactor in the opposite direction of the flow of hydrocarbons, since this greatly prevents the formation of conductive bridges (due to the adhesion of carbon formed in the reactor) and, therefore, the formation of an uneven temperature profile in the reactor.

В отношении выбора углеводородов, которые могут быть использованы в способе в соответствии с настоящим изобретением, не существует каких-либо ограничений, при условии, что из этих углеводородов является возможным высвобождение водорода и образование углерода в диапазоне температур выше 1000°С. Подходящими углеводородами могут быть, например, углеводороды, которые являются газообразными или жидкими при нормальной температуре и нормальном давлении, такие как метан, пропан, бензиновая фракция, дизельная фракция, нефтяной остаток или сырая нефть. Предпочтительными углеводородами в настоящем изобретении являются газообразные углеводороды, в частности, метан и пропан, из которых особенно предпочтительным является метан. Конверсия упомянутых углеводородов осуществляется в соответствии со следующими уравнениями реакций: With regard to the choice of hydrocarbons that can be used in the method according to the present invention, there is no restriction, provided that from these hydrocarbons it is possible to release hydrogen and form carbon in the temperature range above 1000°C. Suitable hydrocarbons may be, for example, hydrocarbons which are gaseous or liquid at normal temperature and normal pressure, such as methane, propane, gasoline cut, diesel cut, oil residue or crude oil. Preferred hydrocarbons in the present invention are gaseous hydrocarbons, in particular methane and propane, of which methane is particularly preferred. The conversion of the mentioned hydrocarbons is carried out in accordance with the following reaction equations:

CH₄ → C + 2 H₂ CH ₄ → C + 2 H ₂

C_nH_m → nC + m/2H₂ C _n H _m → nC + m/2H ₂

где n больше 1 и m не больше (2n + 2). Обе реакции являются эндотермическими.where n is greater than 1 and m is not greater than (2n + 2). Both reactions are endothermic.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, инертный газовый компонент предпочтительно представляет собой инертный газ, в частности, азот или аргон, или газ, являющийся инертным по отношению к углеводородам, такой как газообразный водород, полученный в результате проведения реакции. «Инертный газ» должен состоять по существу из инертного газа, т.е. предпочтительно содержать до 80 об.%, более предпочтительно до по меньшей мере 90 об.% и ещё более предпочтительно до по меньшей мере 95 об.% инертного газа. Небольшие концентрации неинертных газов, например, метана, могут быть допустимы заданными условиями осуществления способа. Однако в этих случаях температура вводимого инертного газа должна быть ниже температуры разложения метана, чтобы предотвратить образование технического углерода в подводящем канале для инертного газового компонента. Как инертный газовый компонент, так и углеводороды не должны содержать окисляющих или окисленных компонентов.In the method according to the present invention, the inert gas component is preferably an inert gas, in particular nitrogen or argon, or a gas which is inert towards hydrocarbons, such as hydrogen gas, resulting from the reaction. The "inert gas" must consist essentially of an inert gas, i. e. preferably contain up to 80 vol.%, more preferably up to at least 90 vol.% and even more preferably up to at least 95 vol.% inert gas. Small concentrations of non-inert gases, such as methane, may be tolerated by the given process conditions. However, in these cases, the temperature of the injected inert gas must be below the decomposition temperature of the methane in order to prevent the formation of carbon black in the feed duct for the inert gas component. Both the inert gas component and the hydrocarbons must be free of oxidizing or oxidized components.

Используемые углеродные частицы предпочтительно могут быть такими, которые промотируют пиролитическое разложение углеводородов и проводят электрический ток в диапазоне температур выше 1000°С.The carbon particles used may preferably be those which promote the pyrolytic decomposition of hydrocarbons and conduct electric current in the temperature range above 1000°C.

В частности, подходящими углеродными частицами в настоящем изобретении являются, в числе других, поставляемые на рынок продукты, такие как DARCO® KB-B (Norit Americas Inc.), Black Pearls 2000 (CABOT Corp.) или XC-72 (CABOT Corp.). Однако в принципе может быть использован любой материал, образованный из углерода, такой как прокаленный нефтяной кокс, коксующийся уголь или пироуглерод, образовавшийся в способе.Particularly suitable carbon particles in the present invention are, among others, commercially available products such as DARCO® KB-B (Norit Americas Inc.), Black Pearls 2000 (CABOT Corp.) or XC-72 (CABOT Corp. ). However, in principle, any material formed from carbon can be used, such as calcined petroleum coke, coking coal or pyrocarbon formed in the process.

В настоящем изобретении обычно достаточно, если способ осуществляется с использованием углеродных частиц, полученных отдельно для этой цели, на начальной стадии. В последующем часть пироуглерода, полученного в способе, может быть использована в качестве указанных углеродных частиц, либо индивидуально, либо в смеси с отдельно полученными углеродными частицами. По экономическим соображениям предпочтение отдается преимущественному использованию пироуглерода, и особое предпочтение исключительному использованию пироуглерода, полученного в ходе проведения способа, после начальной стадии, т.е. когда реактор произвел достаточное количество пироуглерода для осуществления способа с его использованием.In the present invention, it is usually sufficient if the method is carried out using carbon particles obtained separately for this purpose, at the initial stage. Subsequently, a portion of the pyrocarbon obtained in the process may be used as said carbon particles, either individually or in a mixture with separately obtained carbon particles. For economic reasons, preference is given to the predominant use of pyrocarbon, and particular preference is given to the exclusive use of pyrocarbon obtained during the process, after the initial stage, i. when the reactor has produced enough pyrocarbon to carry out the process using it.

Термин «преимущественно» означает здесь содержание по меньшей мере 60 мас.%, предпочтительно по меньшей мере 70 мас.%, более предпочтительно по меньшей мере 80 мас.% и ещё более предпочтительно по меньшей мере 90 мас.% от общего количества углеродных частиц.The term "predominantly" here means a content of at least 60 wt.%, preferably at least 70 wt.%, more preferably at least 80 wt.% and even more preferably at least 90 wt.% of the total amount of carbon particles.

Для способа в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно также, если реакционная зона расположена в реакторной камере (реакторном пространстве) вертикально, и углеводороды проходят через реакционную зону снизу вверх, а углеродные частицы перемещаются через реакционную зону сверху вниз. Такие условия осуществления способа, с одной стороны, обеспечивают возможность теплообмена между углеводородами, подводимыми в камеру реактора, и углеродными частицами. С другой стороны, углерод, полученный из углеводородов, в значительной степени осаждается на углеродные частицы и, в случае не статических углеродных частиц, транспортируется вниз из реакторной камеры вместе с углеродными частицами, в то время как газообразный продукт, полученный в реакторной камере, отводится с верха реактора. В результате такого осуществления способа полученный газообразный продукт по существу не содержит углерода, образовавшегося в реакторной камере.For the method according to the present invention, it is also preferable if the reaction zone is located in the reactor chamber (reactor space) vertically, and hydrocarbons pass through the reaction zone from the bottom up, and carbon particles move through the reaction zone from the top down. Such conditions for the implementation of the method, on the one hand, provide the possibility of heat exchange between hydrocarbons supplied to the reactor chamber and carbon particles. On the other hand, carbon derived from hydrocarbons is largely deposited on the carbon particles and, in the case of non-static carbon particles, is transported down from the reactor chamber along with the carbon particles, while the gaseous product obtained in the reactor chamber is discharged with top of the reactor. As a result of this implementation of the method, the resulting gaseous product essentially does not contain carbon formed in the reactor chamber.

Дополнительно или в качестве альтернативы, способ в соответствии с изобретением является в особенности эффективным, если температура в реакционной зоне реактора поддерживается, в частности, в диапазоне температуры от 1000°C до 1900°C, предпочтительно в диапазоне от 1200°C до 1500°C.Additionally or alternatively, the method according to the invention is particularly effective if the temperature in the reaction zone of the reactor is maintained, in particular in the temperature range from 1000°C to 1900°C, preferably in the range from 1200°C to 1500°C .

Как уже было отмечено выше, предпочтительно, если инертный газовый компонент имеет температуру меньше температуры, необходимой для разложения углеводородов на углерод и водород. При соответствующих условиях проведения способа стенка реактора на участке, где инертный газовый компонент вводится в реакторную камеру, будет холоднее, чем в остальной части реактора, что препятствует образованию технического углерода в непосредственной близости от подводящего канала для инертного газового компонента. Благодаря более холодному инертному газу в каналах, предназначенных для подачи в реактор инертного газа, не образуется технический углерод, который может закупоривать эти каналы. В предпочтительном воплощении температура вводимого в реактор инертного газового компонента составляет менее 1000°С, предпочтительно менее 900°С, и в особенности предпочтительно в диапазоне от 200°C до 800°C.As already noted above, it is preferable if the inert gas component has a temperature below the temperature required for the decomposition of hydrocarbons into carbon and hydrogen. Under appropriate process conditions, the reactor wall at the site where the inert gas component is introduced into the reactor chamber will be colder than in the rest of the reactor, which prevents the formation of carbon black in the immediate vicinity of the inlet for the inert gas component. Due to the cooler inert gas in the channels designed to supply the reactor with inert gas, there is no formation of carbon black, which can clog these channels. In a preferred embodiment, the temperature of the inert gas component introduced into the reactor is less than 1000°C, preferably less than 900°C, and particularly preferably in the range from 200°C to 800°C.

Как отмечено выше, водород является газом, инертным, например, в отношении реакции пиролиза метана с получением водорода и углерода, и может быть использован в настоящем изобретении в качестве инертного газового компонента. В предпочтительном воплощении способ в соответствии с изобретением предусматривает возможность подачи части газообразного продукта, полученного при осуществлении способа, предпочтительно от 5 об.% до 30 об.% и, в частности, от 10 об.% до 25 об.%, в реактор в качестве инертного газового компонента.As noted above, hydrogen is a gas that is inert, for example, with respect to the pyrolysis reaction of methane to produce hydrogen and carbon, and can be used in the present invention as an inert gas component. In a preferred embodiment, the method according to the invention provides for the possibility of feeding a part of the gaseous product obtained by carrying out the method, preferably from 5 vol.% to 30 vol.% and, in particular, from 10 vol.% to 25 vol.%, to the reactor in as an inert gas component.

Углеводороды, в частности метан, предпочтительно следует подавать в реактор со скоростью потока, обеспечивающей превращение углеводородов в водород и углерод от значительного превращения (т.е. по меньшей мере 20%) до по существу полного (т.е. по меньшей мере 70%) превращения. Подходящие скорость потока в этом случае находятся в диапазоне от 0,001 м/с до 10 м/с, предпочтительно от 0,01 м/с до 1 м/с.Hydrocarbons, in particular methane, should preferably be fed into the reactor at a flow rate that allows the conversion of hydrocarbons to hydrogen and carbon from significant conversion (i.e. at least 20%) to essentially complete (i.e. at least 70% ) transformations. Suitable flow velocities in this case are in the range from 0.001 m/s to 10 m/s, preferably from 0.01 m/s to 1 m/s.

Способ в соответствии с изобретением, кроме того, является особенно предпочтительным, если инертный газовый компонент вводится в реактор со скоростью потока в диапазоне от 0,001 м/с до 100 м/с, предпочтительно от 0,1 м/с до 10 м/с.The method according to the invention is furthermore particularly preferred if the inert gas component is introduced into the reactor at a flow velocity in the range of 0.001 m/s to 100 m/s, preferably 0.1 m/s to 10 m/s.

В особенности предпочтительные условия осуществления способа установлены для углеродных частиц, используемых в способе в соответствии с изобретением, если эти частицы подают в реактор со скоростью в диапазоне от 0,5 м/ч до 100 м/ч и предпочтительно от 1 м/ч до 10 м/ч.Particularly preferred process conditions are established for the carbon particles used in the process according to the invention, if these particles are fed into the reactor at a rate in the range from 0.5 m/h to 100 m/h and preferably from 1 m/h to 10 m/h

Второй аспект настоящего изобретения относится к устройству для пиролитического превращения углеводородов в водород и углерод, содержащему реактор 1 с реакторной камерой, которая содержит два электрода 2 на расстоянии один от другого в направлении движения потока углеводородов, с помощью которых в реакторе может быть осуществлен резистивный нагрев, и подающее устройство для инертного газа, которое расположено на участке между электродами реактора и проходит по всему поперечному сечению реактора. Предложенное устройство предпочтительно содержит подводящие линии для исходного продукта (например, метана) и углеродных частиц в качестве катализатора, а также содержит отводящие линии для углеродных частиц и газообразного продукта.The second aspect of the present invention relates to a device for the pyrolytic conversion of hydrocarbons into hydrogen and carbon, containing a reactor 1 with a reactor chamber, which contains two electrodes 2 at a distance from one another in the direction of flow of hydrocarbons, with which resistive heating can be carried out in the reactor, and an inert gas supply device which is located in the area between the electrodes of the reactor and extends over the entire cross section of the reactor. The proposed device preferably contains inlet lines for the original product (eg, methane) and carbon particles as a catalyst, and also contains outlet lines for carbon particles and gaseous product.

Подающее устройство предпочтительно расположено ортогонально предполагаемому направлению движения углеводородов и углеродных частиц в реакторе. Подающее устройство содержит распределитель для инертного газового компонента, который находится в сообщении по текучей среде с реакторной камерой (например, посредством непрерывного щелевого отверстия (щелевого канала), которое пересекает реакторную камеру, образуя впускное отверстие). Поперечное сечение реактора в описанном выше устройстве предпочтительно выполнено круговым, в частности, имеет форму окружности или овала. Реактор может также содержать множество подающих устройств для инертного газового компонента.The feeder is preferably positioned orthogonally to the intended direction of movement of hydrocarbons and carbon particles in the reactor. The feeder includes a distributor for the inert gas component that is in fluid communication with the reactor chamber (eg, via a continuous slot (slot) that traverses the reactor chamber to form an inlet). The cross section of the reactor in the device described above is preferably circular, in particular circular or oval. The reactor may also contain a plurality of feeders for the inert gas component.

Предпочтительно в устройстве в соответствии с изобретением подающее устройство может быть выполнено так, что поперечное сечение реактора сужается выше и/или ниже впускного отверстия для ввода инертного газового компонента в реактор. В частности, предпочтительно, если поперечное сечение реактора сужается выше и ниже указанного впускного отверстия для газа. Сужение 6 выше впускного отверстия обеспечивает незащищенное абразивное истирание образующегося в процессе пиролиза слоя технического углерода, и снижает возможность скопления углеродных частиц на участке ввода инертного газа. Сужение 7 поперечного сечения ниже впускного отверстия уменьшает динамическое давление потока газа-реагента/газообразного углеводорода на впускное отверстие. Preferably, in the device according to the invention, the feed device can be configured such that the cross section of the reactor tapers above and/or below the inlet for introducing the inert gas component into the reactor. It is particularly preferred if the cross section of the reactor tapers above and below said gas inlet. The constriction 6 above the inlet provides unprotected abrasion of the layer of carbon black formed during the pyrolysis process, and reduces the possibility of accumulation of carbon particles in the inert gas inlet area. The narrowing 7 of the cross section below the inlet reduces the dynamic pressure of the reactant gas/gaseous hydrocarbon stream on the inlet.

С другой стороны, с точки зрения конструктивной сложности может быть выгодным выполнить подающее устройство так, чтобы на участке между электродами поперечное сечение реактора было постоянным, за исключением впускного отверстия для инертного газового компонента из подающего устройства, т.е. выполнить так, чтобы на участке между электродами, за исключением этого впускного отверстия, отсутствовало сужение или расширение поперечного сечения реактора. Углубленное расположение впускного отверстия подающего устройства относительно стенки реактора обуславливает небольшое снижение скорости газа на этом участке.On the other hand, from the point of view of structural complexity, it may be advantageous to design the feeder so that in the area between the electrodes the cross section of the reactor is constant, with the exception of the inlet for the inert gas component from the feeder, i.e. make sure that in the area between the electrodes, with the exception of this inlet, there is no narrowing or expansion of the cross section of the reactor. The recessed location of the inlet of the feeder relative to the reactor wall causes a slight decrease in the gas velocity in this area.

Если введенный в радиальном направлении инертный газ имеет достаточно низкую температуру, радиальный профиль температуры смещен в сторону низких температур стенки, что, в свою очередь, приводит к уменьшению процесса пиролиза в этой зоне. Для обеспечения равномерного распределения объемного потока газовой фазы по всему поперечному сечению реактора высоту Н1 щелевого отверстия, через которое в реактор поступает инертный газовый компонент и перепад давления Δp между давлением Р1 газа в указанном распределителе, сообщающимся с подводящим каналом, и давлением Р2 газа в реакторе предпочтительно следует устанавливать в диапазоне, который обеспечивает распределение инертного газового компонента по всему поперечному сечению (т.е. давление на участке Р1 больше, чем давление Р2 в реакторе на величину Δp). Величина Δp зависит от геометрических параметров и условий в реакторе.If the inert gas introduced in the radial direction has a sufficiently low temperature, the radial temperature profile is shifted towards lower wall temperatures, which in turn leads to a decrease in the pyrolysis process in this zone. To ensure uniform distribution of the volumetric flow of the gas phase over the entire cross section of the reactor, the height H1 of the slot opening through which the inert gas component enters the reactor and the pressure difference Δp between the gas pressure P1 in the specified distributor, which communicates with the inlet channel, and the gas pressure P2 in the reactor, preferably should be set in a range that ensures the distribution of the inert gas component over the entire cross section (i.e., the pressure in section P1 is greater than the pressure P2 in the reactor by Δp). The value of Δp depends on the geometric parameters and conditions in the reactor.

Кроме того, предпочтительно распределитель инертного газа в подающем устройстве имеет такие геометрические параметры, что ни одна из углеродных частиц не может попасть внутрь распределителя, и над ним не образуется мостик из пироуглерода вследствие большего времени пребывания. В этой связи предпочтительно также, если инертный газ вводится в реактор под углом в диапазоне от 30° до 60°, предпочтительно приблизительно 45° относительно направления движения потока углеводородов.In addition, preferably the inert gas distributor in the supply device has such geometrical parameters that none of the carbon particles can get inside the distributor, and there is no pyrocarbon bridge formed above it due to the longer residence time. In this regard, it is also preferable if the inert gas is introduced into the reactor at an angle in the range of 30° to 60°, preferably approximately 45° with respect to the direction of flow of the hydrocarbons.

При благоприятных условиях газообразный продукт, образовавшийся при осуществлении способа, содержит значительное количество водорода лишь с небольшими относительными содержаниями метана. Газообразный продукт является, таким образом, подходящим для частичной рециркуляции потока газообразного продукта в камеру реактора в качестве инертного газа.Under favorable conditions, the gaseous product formed during the process contains a significant amount of hydrogen with only small relative contents of methane. The gaseous product is thus suitable for partial recycling of the gaseous product stream to the reactor chamber as an inert gas.

Следовательно, для устройства в соответствии с изобретением предпочтительно, если предложенное устройство содержит отводящую линию 13 для газообразного продукта, полученного в реакторе, при этом отводящая линия снабжена линией 14 ответвления, с помощью которой часть газообразного продукта возвращается в реактор посредством подающего устройства для инертного газа. Поскольку, как отмечено выше, для подачи инертного газа в реакторную камеру давление в подводящем канале для инертного газа должно быть выше, чем давление в самой реакторной камере, выгодно, если в устройстве на линии ответвления 14 установлен компрессор 15, с помощью которого инертный газ сжимается до более высокого давления.Therefore, for the device according to the invention, it is preferable if the device according to the invention comprises an outlet line 13 for the gaseous product obtained in the reactor, the outlet line being provided with a branch line 14, with which part of the gaseous product is returned to the reactor by means of an inert gas supply device. Since, as noted above, in order to supply inert gas to the reactor chamber, the pressure in the inlet channel for inert gas must be higher than the pressure in the reactor chamber itself, it is advantageous if a compressor 15 is installed in the device on branch line 14, with which the inert gas is compressed to higher pressure.

Использование газообразного продукта (H₂) в качестве инертного газа имеет дополнительное преимущество в том, что температура потока газообразного продукта на участке подводящего канала значительно ниже температуры пиролиза метана. При давлениях, реализуемых в реакторной камере (обычно в диапазоне от 10 до 15 бар), равновесие реакции CH₄→ H₂+ C_твсмещаетсяв сторону образования метана. На участке поперечного сечения распределителя равновесие реакции, аналогичным образом, также смещено в сторону метана вследствие низкой температуры потока газа, и радиальный ввод потока газа, содержащего H₂, приводит, таким образом, к метанизации присутствующего углерода/химическому удалению нагара углерода. Благодаря повышению температуры на участке выше точки ввода инертного газа образовавшийся метан повторно пиролизуется с получением водорода и углерода, и указанные условия осуществления способа обеспечивают, таким образом, непрерывную очистку участков подачи инертного газа при осуществлении данного способа. The use of gaseous product (H₂) as an inert gas has the additional advantage that the temperature of the gaseous product stream in the feed channel section is significantly lower than the methane pyrolysis temperature. At pressures implemented in the reactor chamber (typically in the range of 10 to 15 bar), the equilibrium of the reaction CH₄→H₂+ C_tvis shiftingtowards the formation of methane. In the cross-sectional area of the distributor, the reaction equilibrium is similarly shifted towards methane due to the low temperature of the gas stream, and the radial entry of the gas stream containing H₂, thus leading to methanization of the carbon present/chemical decarbonization of carbon. By raising the temperature in the area above the inert gas injection point, the generated methane is re-pyrolyzed to produce hydrogen and carbon, and these process conditions thus ensure continuous cleaning of the inert gas injection sites in the process.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 схематически показан реактор 1, выполненный в соответствии с изобретением, содержащий два электрода 2, расположенные на расстоянии друг от друга, и слой 3 углерода, находящийся с внешней стороны обоих электродов. На фиг. 1 в стенке 4 реактора выполнен распределитель 5 для инертного газа, из которого инертный газ проходит в реактор через щелевое отверстие 9. Ниже и выше распределителя 5 поперечное сечение реактора имеет сужения 6, 7. На этих суженных участках скорость газа увеличивается, и таким образом, устраняется возможное скопление углеродных частиц на этом участке. В области ниже распределителя инертного газа сужение 7, кроме того, способствует отклонению проходящего через него потока газа. Слой 8 пироуглерода образуется на внутренней стенке в ходе осуществления способа.In FIG. 1 schematically shows a reactor 1 according to the invention, comprising two electrodes 2 spaced apart and a carbon layer 3 on the outside of both electrodes. In FIG. 1 in the wall 4 of the reactor there is a distributor 5 for an inert gas, from which the inert gas passes into the reactor through a slotted hole 9. Below and above the distributor 5, the cross section of the reactor has narrowings 6, 7. In these narrowed sections, the gas velocity increases, and thus, the possible accumulation of carbon particles in this area is eliminated. In the region below the inert gas distributor, the constriction 7 further contributes to deflecting the gas flow passing through it. A pyrocarbon layer 8 is formed on the inner wall during the process.

На фиг. 2 представлены различные варианты выполнения подводящего канала для подачи инертного газ в реакторную камеру, при этом варианты А и В предусматривают сужение поперечного сечения реактора на участке выше и ниже подводящего канала для инертного газа, в то время как вариант С характеризуется выполнением подающего канала, при котором на участке между электродами поперечное сечение реактора остается постоянным, за исключением выпускного отверстия для инертного газа из подающего устройства. In FIG. 2 shows various embodiments of the inlet channel for supplying inert gas to the reactor chamber, while options A and B provide for a narrowing of the cross-section of the reactor in the area above and below the inlet channel for inert gas, while option C is characterized by the execution of the supply channel, in which in the area between the electrodes, the cross section of the reactor remains constant, with the exception of the inert gas outlet from the feeder.

Фиг. 3 иллюстрирует конструктивное выполнение распределителя газа в соответствии с изобретением, где позицией Н1 обозначена высота щелевого отверстия, через которое газ выходит из распределителя в реакторную камеру. Позицией Р1 обозначено давление в распределителе, Р2 – давление в реакторе и Δp – перепад давления между давлением в распределителе и давлением в реакторе.Fig. 3 illustrates the construction of a gas distributor according to the invention, where H1 denotes the height of the slot through which the gas exits the distributor into the reactor chamber. Position P1 denotes the pressure in the distributor, P2 is the pressure in the reactor and Δp is the pressure difference between the pressure in the distributor and the pressure in the reactor.

На фиг. 4 схематически показано устройство в соответствии с изобретением, содержащее реактор 1, подводящую линию 10 для исходного углеводородного материала, подводящую линию 11 для углеродных частиц, отводящую линию 12 для углеродных частиц и отводящую линию 13 для газообразного продукта. На одном участке отводящей линии для газообразного продукта предусмотрена линия 14 ответвления, с помощью которой часть газообразного продукта может быть направлена в компрессор 15, из которого газообразный продукт направляется обратно в реактор.In FIG. 4 schematically shows an apparatus according to the invention, comprising a reactor 1, a hydrocarbon feed feed line 10, a carbon particle feed line 11, a carbon particle outlet line 12 and a product gas outlet line 13. A branch line 14 is provided in one section of the gaseous product outlet line, by means of which part of the gaseous product can be directed to a compressor 15, from which the gaseous product is sent back to the reactor.

Список ссылочных номеров позицииItem Reference List

1 - реактор1 - reactor

2 - электроды2 - electrodes

3 - слой углерода3 - layer of carbon

4 - стенка реактора4 - reactor wall

5 - распределитель для инертного газа5 - distributor for inert gas

6 - верхнее сужение поперечного сечения реактора6 - upper narrowing of the cross section of the reactor

7 - нижнее сужение поперечного сечения реактора7 - lower narrowing of the cross section of the reactor

8 - слой пироуглерода8 - pyrocarbon layer

9 - подающее щелевое отверстие для инертного газа9 - inlet slot for inert gas

10 - подводящая линия для углеводородного исходного материала10 - supply line for hydrocarbon source material

11 - подводящая линия для углеродных частиц11 - supply line for carbon particles

12 - отводящая линия для углеродных частиц12 - outlet line for carbon particles

13 - отводящая линия для газообразного продукта13 - outlet line for gaseous product

14 - линия ответвления14 - branch line

15 - компрессор.15 - compressor.

Claims

1. A method for producing hydrogen and pyrocarbon from hydrocarbons, in which hydrocarbons are converted into hydrogen and carbon in a reactor at temperatures ranging from 1000°C to 1800°C, and said reactor contains two electrodes placed at a distance from each other in the direction of flow hydrocarbons, characterized in that in the area of the reactor between the said electrodes, an inert gas component is introduced over the entire cross section of the reactor, while the reactor in the area between the electrodes contains carbon particles.

2. The method according to p. 1, characterized in that these carbon particles pass through the reactor in countercurrent relative to the direction of flow of hydrocarbons.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the hydrocarbons are methane.

4. The method according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the inert gas component is nitrogen or hydrogen.

5. The method according to any one of paragraphs. 2-4, characterized in that the reaction zone is located vertically in the reactor chamber, hydrocarbons pass through the reaction zone from the bottom up, and carbon particles pass through the reaction zone from the top down.

6. The method according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the injected inert gas component has a temperature of less than 1000°C, preferably less than 900°C, and more preferably in the range from 200°C to 800°C.

7. The method according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that part of the gaseous product obtained by implementing this method is sent to the reactor as an inert gas component.

8. The method according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that the inert gas component is introduced into the reactor at an angle of 30° to 60°, preferably at an angle of approximately 45° relative to the direction of hydrocarbon flow.

9. The method according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that the temperature in the reaction zone is maintained in the range from 1200°C to 1500°C.

10. The method according to any one of paragraphs. 1-9, characterized in that hydrocarbons are fed into the reactor at a flow rate in the range from 0.001 m/s to 10 m/s.

11. The method according to any one of paragraphs. 1-10, characterized in that the inert gas component is introduced into the reactor at a flow rate in the range from 0.001 m/s to 100 m/s.

12. The method according to claim 2, characterized in that the carbon particles are fed into the reactor at a rate in the range from 0.5 m/h to 100 m/h.

13. A device for the pyrolytic conversion of hydrocarbons into hydrogen and carbon, containing a reactor (1), containing a reactor chamber, which contains two electrodes (2) at a distance from each other in the direction of flow of hydrocarbons, with which resistive heating of the reactor can be carried out, and a supply device for an inert gas, located in the area of the reactor between said electrodes, which extends over the entire cross section of the reactor.

14. Apparatus according to claim 13, characterized in that the feeder is designed such that the cross section of the reactor tapers above and/or below the gas supply opening.

15. Apparatus according to claim 13, characterized in that the feeder is designed such that the cross section of the reactor is constant in the region between said electrodes, with the exception of the inert gas outlet from the feeder.

16. The device according to any one of paragraphs. 13-15, characterized in that the supply device is designed so that the inert gas enters the reactor through a slotted hole (9) with a height H1, while the height H1 is chosen so that during the flow of the inert gas, a pressure drop Δp is established, which ensures the distribution of gas component across the entire cross section.

17. The device according to any one of paragraphs. 13-16, characterized in that the supply device is configured to introduce inert gas into the reactor at an angle of 30° to 60°, preferably at an angle of approximately 45°, relative to the direction of flow of hydrocarbons.

18. The device according to any one of paragraphs. 13-17, characterized in that it contains an outlet line (13) for the gaseous product obtained in the reactor, while said outlet line is provided with a branch line (14), with which part of the gaseous product can be returned to the reactor through a feeder for inert gas.

19. The device according to any one of paragraphs. 13-18, characterized in that it contains a compressor (15) installed on the outlet line.