RU2807459C1 - Способ вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания и устройство для него - Google Patents
Способ вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания и устройство для него Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807459C1 RU2807459C1 RU2022130175A RU2022130175A RU2807459C1 RU 2807459 C1 RU2807459 C1 RU 2807459C1 RU 2022130175 A RU2022130175 A RU 2022130175A RU 2022130175 A RU2022130175 A RU 2022130175A RU 2807459 C1 RU2807459 C1 RU 2807459C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon dioxide
- water
- internal combustion
- combustion engines
- oxygen
- Prior art date
Links
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 98
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 49
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 239000007789 gas Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000004064 recycling Methods 0.000 title claims abstract description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 53
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 32
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 30
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 30
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 21
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims abstract description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 5
- XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N sulfur monoxide Chemical class S=O XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims abstract 4
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 10
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 description 8
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- NNPPMTNAJDCUHE-UHFFFAOYSA-N isobutane Chemical compound CC(C)C NNPPMTNAJDCUHE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001282 iso-butane Substances 0.000 description 2
- QWTDNUCVQCZILF-UHFFFAOYSA-N isopentane Chemical compound CCC(C)C QWTDNUCVQCZILF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007036 catalytic synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 clays Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- AFABGHUZZDYHJO-UHFFFAOYSA-N dimethyl butane Natural products CCCC(C)C AFABGHUZZDYHJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WMVRXDZNYVJBAH-UHFFFAOYSA-N dioxoiron Chemical compound O=[Fe]=O WMVRXDZNYVJBAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002391 heterocyclic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 239000012256 powdered iron Substances 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области охраны окружающей среды от диоксида углерода, содержащегося в газовых выхлопах двигателей внутреннего сгорания. Способ вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, включает направление выхлопных газов, поступающих в выхлопную трубу через, по крайней мере, один мембранный газоразделительный модуль. В нём происходит отделение безвредного азота и его окислов, а также оксидов серы и монооксида углерода. Оставшиеся диоксид углерода и пары воды подаются в смеситель, где из них формируют карбонизированную воду. Диоксид углерода подаётся под давлением в интервале 0,5-10 атм, оставшимся от давления выхлопа в режиме впрыска. Далее карбонизированную воду пропускают, по крайней мере, через один реактор, содержащий катализатор разложения воды на основе железа, где проходит химическая реакция поликонденсационного синтеза n-алканов,
nCO2 + [n + b + 1)] H2O + эFe = CnH2n+2 + bH2 + э(FeO) + (1/2) (3n + b + 1 - э) O2,
где: n - число атомов углерода в молекуле нормальных алканов; b - коэффициент (b больше 0), обеспечивающий стехиометрию реакции при разном количестве разлагающейся воды, э - стехиометрический коэффициент, учитывающий расходование кислорода на окисление катализатора, с образованием водорода, кислорода и углеводородов, которые поступают по меньшей мере в один сепаратор. Водород, кислород и углеводороды отделяются от воды и диоксида углерода, которые направляют вместе с обычным топливом в рабочий цилиндр двигателя. Изобретение обеспечивает уменьшение расхода топлива при использовании двигателей внутреннего сгорания, уменьшение выброса диоксида углерода, увеличение КПД использования топлива, решение проблемы вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания даже при комнатной температуре. 3 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к области охраны окружающей среды от диоксида углерода, содержащегося в газовых выхлопах двигателей внутреннего сгорания.
Углеводороды относятся к группе веществ, обладающих высокой калорийностью и используются в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания индустриальной промышленности, включая автотранспортную отрасль. Глобальной проблемой использования такого рода топлив является утилизация диоксида углерода (СО2) выхлопных газов, который загрязняет атмосферу и негативно влияет на климат нашей планеты.
Водород также относится к группе элементов, обладающих высокой калорийностью и его тоже можно использовать в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания, и самое главное, что это топливо является экологически чистым, то есть не требует удаления вредного углекислого газа из выхлопных выбросов. Недостатком обычных методов производства водорода является высокое потребление энергии. Количество энергии, содержащееся в полученном в качестве топлива водороде составляет всего лишь 25% энергии, потребляемой на ее производство. Кроме того, в ряде процессов производства водорода происходит нежелательное образование большого количества углекислого газа.
Известен патент РФ №2540313 в котором описан способ разложения воды с утилизацией диоксида углерода и выделением водорода, согласно которому под давлением подают исходные реагенты воду и диоксид углерода, через смеситель в реактор, выполненный в виде герметичной емкости, содержащей катализатор, при этом концентрацию диоксида углерода в воде регулируют, чтобы получить карбонизированную воду с определенной концентрацией диоксида углерода, далее проводят химическую реакцию смеси исходных реагентов в присутствии катализатора с образованием в ходе химической реакции водорода, кислорода и сопутствующих продуктов химической реакции, которые поступают после реактора по меньшей мере в один сепаратор.
Известный способ не апробировался для выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, которые помимо водяных паров содержат азот и его окислы, оксиды серы, монооксид углерода, углеводороды, гетероциклические соединения, сажу. Вопрос будет ли проходить реакция разложения воды в условиях присутствия этих компонентов и способы их устранения в патенте не раскрыты.
Техническая задача на решение которой направлено заявляемое изобретение получение способа вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания.
Поставленная техническая задача решается путем способа вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. Способ включает направление выхлопных газов, поступающих в выхлопную трубу через, по крайней мере, один мембранный газоразделительный модуль, где происходит отделение безвредного азота и его окислов, а так же оксидов серы и монооксида углерода. Оставшиеся диоксид углерода и пары воды подаются в смеситель. Причём диоксид углерода подают под давлением в интервале 0,5-10 атм, оставшимся от давления выхлопа в режиме впрыска, где из них формируют карбонизированную воду. Далее карбонизированную воду пропускают, по крайней мере, через один реактор, содержащий катализатор разложения воды на основе железа, где проходит химическая реакция поликонденсационного синтеза n-алканов,
nCO2 + [n + b + 1)] H2O + эFe = CnH2n+2 + bH2 + э(FeO) + (1/2) (3n + b + 1 - э) O2, (1)
где: n - число атомов углерода в молекуле нормальных алканов; b - коэффициент (b больше 0), обеспечивающий стехиометрию реакции при разном количестве разлагающейся воды, э - стехиометрический коэффициент, учитывающий расходование кислорода на окисление катализатора (в данном случае железа), с образованием водорода, кислорода и углеводородов, которые поступают по меньшей мере в один сепаратор, где водород, кислород и углеводороды отделяются от воды и диоксида углерода, которые направляют вместе с обычным топливом в рабочий цилиндр двигателя.
Технический результат вышеописанного способа для его осуществления позволяют уменьшить расход топлива при использовании двигателей внутреннего сгорания, уменьшить выброс диоксида углерода, увеличить КПД использования топлива, решает проблему вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания даже при комнатной температуре.
Особые условия подачи диоксида углерода паров воды в смеситель обеспечивают высокий уровень насыщения воды диоксидом углерода, что направляет реакция поликонденсационного синтеза n-алканов по пути (1), который обеспечивает высокий стехиометрический выход алканов по отношению к затрачиваемому количеству воды.
В качестве катализаторов в реакторе могут быть использованы металлы или сплавы или окислы или минералы, то есть природные материалы. Хорошими катализаторами реакции будут осадочные породы, содержавшие SiO2, а также железо и его главные окислы FeO, Fe3O4 и Fe2O3, стальная стружка. Выбор катализатора определяется рядом факторов, указанных подробно ниже.
Предпочтительно, чтобы насыщение воды диоксидом углерода для получения карбонизированной воды осуществлялось, по меньшей мере, в одном смесителе. Использование нескольких смесителей целесообразно для промышленного производства.
Целесообразно использовать фильтры, поэтому система может содержать по меньшей мере один фильтр, который обеспечит фильтрацию исходных, промежуточных или конечных продуктов процесса.
Например, смесительный блок может быть сконструирован с, по меньшей мере, одним фильтром, по меньшей мере, один фильтр может быть установлен на входе и или выходе из реактора, и устройство разделения может содержать, по меньшей мере, один фильтр.
В реакторе осуществляется химическая реакция поликонденсационного синтеза n-алканов, которая может быть представлена следующим уравнением:
nCO2 + [n + b + 1)] H2O + эFe = CnH2n + 2 + bH2 + э(FeO) + (1/2) (3n + b + 1 - э) O2,
(1) где: n - число атомов углерода в молекуле нормальных алканов; b - коэффициент (b больше 0), обеспечивающий стехиометрию реакции при разном количестве разлагающейся воды, э - стехиометрический коэффициент, учитывающий расходование кислорода на окисление катализатора (в данном случае железа).
Реакция требует относительно мало энергии, и это может быть получено в результате сгорания топлива, которое сгорает в цилиндре двигателя. Сгорание дополнительных, образующихся в результате химической реакции в реакторе жидких углеводородов и газов (водорода и углеводородов), во время топливного взрыва в камере сгорания может обеспечивать дополнительную кинетическую энергию.
Топливо и дополнительные жидкие углеводороды и газы (водород и углеводороды) можно закачивать в двигатель, используя один и тот же насос или может быть введен отдельный топливный насос высокого давления.
Не подвергшиеся в реакторе химическим преобразованиям карбонизированная вода и диоксид углерода возвращают в смеситель для дальнейшего участия в реакции.
На основе предложенного метода, наиболее общий вид устройства для защиты окружающей среды от выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания промышленного применения, включая автотранспортные средства представлен на рис. 1.
Устройство включает в себя следующие основные функциональные блоки: мембранный газоразделительный модуль, предназначенный для разделения выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в зависимости от скорости различных газов проходить через картридж газоразделительного модуля на безвредный азот, и его окислов, а так же оксидов серы и монооксида углерода и остальную водогазовая смесь, включая диоксид углерода, кислород, водяные пары и т.д.; смесительный блок, используемый для приготовления карбонизированной воды с помощью растворения диоксида углерода в воде; реактор, заполненный каталитическим веществом, способствующим разложению проходящей через него карбонизированной воды на водород и кислород, и дальнейшему образованию углеводородов; разделитель-сепаратор, где продукты химических реакций в реакторе, разделяются на газообразные и жидкие соединения, с последующим разделением продуктов реакции: водород, кислород, метан и другие углеводороды от оставшихся вне реакций карбонизированной воды и диоксида углерода.
Принцип работы установки состоит в следующем: выхлопной газ из выхлопной трубы поступает на мембранный газоразделительный модуль, где, в зависимости от скорости, происходит разделение газов, при этом азот могут отфильтровывать от возможных окислов углерода и направляют: или в специальный сборник, или выпускается в атмосферу. В свою очередь, оставшиеся от выхлопных газов диоксид углерода и охлажденная вода (для максимального растворения диоксида углерода) из специального резервуара направляются к смесительному блоку через отдельные трубопроводы, диоксид углерода подается под давлением оставшимся от давления выхлопа в режиме впрыска. Основная цель смесительного узла заключается в обеспечении высокого уровня насыщения воды диоксидом углерода. Для того чтобы избежать попадания нежелательных механических или химических примесей в смесительную единицу, воду и двуокись углерода предварительно фильтруют.
Карбонизированная вода, приготовленная в смесительном блоке, подается под определенным давлением в реактор, где в качестве катализатора могут использоваться прежде всего: железо и его окислы, Mn, Cr, Mo, W, Со, Ni, А12О3, глины, фосфаты и цеолиты, реагирующие даже при комнатной температуре, а также другие природные металлы и минералы (Лапидус А.Л., Крылова А.Ю. О механизме образования жидких углеводородов из СО и Н2 на кобальтовых катализаторах. Российский химический журнал, 15.02.2000, - vol. 44, N1, 43-56). В реакторе происходит реакция разложения воды, а далее химические реакции с участием водорода, углерода и кислорода. В результате химических реакций возникают их продукты в газообразной и жидкой фазах. В газообразном состоянии образуются: водород, кислород, метан (СГЦ) и его гомологи, в жидком: широкий спектр тяжелых углеводородов от С5 и выше. Габаритные размеры реактора его конструкции, тип катализатора, температура реакции, а также давление и скорость потока раствора через реактор, определяется на основании требований, чтобы достигнуть максимального выхода водорода и углеводородов с параллельным уменьшением количества непрореагировавшего диоксида углерода на выходе из реактора. После реактора продукты образования направляются в разделитель- сепаратор, где подвергаются процессу разделения жидкой и газообразной фаз, из которых отделяются полезные продукты: водород, кислород, метан и его гомологи - из газовой фазы, а также углеводороды (С5+) - от жидкой фазы. Эти компоненты затем направляются в специальные одну или две камеры, а поток оставшейся воды и непрореагировавший диоксид в смесительный блок через трубопровод для их повторного использования.
Все полезные продукты: водород, кислород и углеводороды из специальных камер можно закачать вместе с топливом в двигатель, используя один и тот же насос или могут быть закачаны отдельно с помощью инжекционного насоса или насосов, для различных продуктов в жидкой и газообразной фазе.
Таким образом, предлагаемое устройство, чья схематическая блок-диаграмма представлена на рис. 1, позволяет использовать вредную составляющую выхлопных газов для получения углеводородов, водорода и кислорода из диоксида углерода и воды в технологически замкнутом цикле, обеспечивая экономически эффективное преобразование экологически вредного диоксида углерода, возникающего при использовании основных видов современных углеводородных топлив.
Соответствующий блок, используемый в промышленных масштабах, должен содержать также дополнительное оборудование, такое как: компрессоры, фильтры, отсекающие и регулирующие клапана, датчики и счетчики устройств для контроля, управления и оптимизации технологического процесса.
Для осуществления этого изобретения может быть использовано технологическое оборудование и катализаторы, которые обычно используют в известных способах синтеза углеводородов (Фишера-Тропша, Кельбеля-Энгельгардта и др.) и для получения водорода и кислорода.
Пример
Для подтверждения ключевых положений теории выполнен комплекс экспериментов, воспроизводящих синтез углеводородов и водорода по реакции (1) в «мягких» термобарических условиях.
Эксперименты заключались в пропускании водного раствора диоксида углерода, то есть карбонатизированную воду, имитирующую, в первом приближении, выхлопные газы, растворенные в воде, через пористую насыпную среду. В модельные среды добавлялась примесь содержащего железо вещества (железная стружка, порошковые окись и двуокись железа и др.), игравшего роль катализатора. Эксперименты проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении на выходе из установки.
Разработанная лабораторная установка схематично показана на рис. 2.
Установка состояла из реакторной колонки (1), заполненной насыпным модельным веществом. На вход реакторной колонки из смесителя (2) подавалась вода с заданной концентрацией растворенного в ней диоксида углерода. На выходе из реактора жидкость поступала в сепаратор-накопитель (3), где происходило отделение от нее газообразных продуктов реакции, которые затем анализировались газоанализатором (4). Смесителем являлся бак емкостью 20 л, выдерживавший давление 15 атм. Для приготовления раствора использовался баллон с углекислым газом (5). Концентрация диоксида углерода в растворе регулировалась давлением и временем насыщения углекислым газом залитой в смеситель воды.
Использовалась вода как дистиллированная, так и вода из артезианской скважины. Давления диоксида углерода, подававшиеся в смеситель, варьировались в диапазоне от 0.5 до 10 атм, что позволяло регулировать скорость течения раствора через реактор. Реактор представлял собой отрезок пластиковой трубки длиной 1 м и внутренним диаметром 50 мм. С внешней стороны трубки для нагревания в отдельных экспериментах размещалась электрическая спираль. Газоанализатором служил хроматограф «Хромопласт-001», предназначенный для непрерывного автоматического измерения содержания водорода, метана, этана, пропана, изобутана, бутана, изопентана и пентана в газовой смеси. Анализатор имел две хроматографические колонки разной длины, что позволяло определять водород и указанные газы с чувствительностью плюс минус 0.01%.
Эксперименты показали, что в результате пропускания водного раствора диоксида углерода через модельную среду происходит разложение воды с образованием легких углеводородных газов, согласно формуле (1).
Образование водорода и углеводородов, в частности, метана (СН4), этана (С2Н6), бутана и изобутана (С4Н10), инструментально зафиксировано хроматографом в составе накапливавшейся в сепараторе газовой фазы (рис. 3. 3 хроматограммы газов, синтезированных в реакции (1) при низком (а) и высоком (б) выходе Н2).
На выход водорода и углеводородных газов заметно влияли концентрация СО2 в водном растворе, скорость прокачки раствора через реактор, а также тип и количество катализатора.
Возникновение метана и его гомологов служит веским доказательством того, что в осадочных породах земной коры идет процесс разложения воды, сопровождающийся поликонденсационным синтезом углеводородов газонефтяного ряда.
Известно, что каталитические реакции синтеза углеводородов из окислов углерода и водорода широко распространены в природе. Наиболее изучен из них синтез Фишера-Тропша, протекающий по реакциям (2). Из других реакций этого класса известностью пользуется синтез Кельбеля-Энгельгардта [16]:
Реакции (1) и (3) экзотермические и идут с большим выделением тепла. При каталитическом синтезе по реакции (1) одной тонны метана (СН4) выделяется количество тепла, необходимое для нагрева в адиабатических условиях трех тонн металлического железа от 200 до 1000°С.
Другая важная особенность этих реакций, установленная на примере синтеза Фишера-Тропша, состоит в том, что распределение образующихся углеводородов, состоящих в основном из алканов, алкенов, алканолов и алканалей с числом атомов углерода в цепи от 1 до 100 и выше, во многих случаях подчиняются уравнению Андерсона-Шульца-Флори, что хорошо удовлетворяет также распределение углеводородов сырых небиодеградированных нефтей.
На рис. 3 в качестве примера, подтверждающего этот вывод, приведено распределение нормальных алканов (формула CnH2n+2) в системе координат уравнения Андерсона-Шульца-Флори для одной пробы нефти и двух проб конденсата, начиная с числа углеродных атомов в молекуле n = 10.
Данное обстоятельство явилось основанием при выборе железа в качестве катализатора в наших экспериментах. Выполненные эксперименты принципиально подтвердили, что установленная авторами реакция (2) относится к тому же классу поликонденсационных реакций синтеза, что и реакции (1) и (3).
Claims (4)
- Способ вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, включающий направление выхлопных газов, поступающих в выхлопную трубу через, по крайней мере, один мембранный газоразделительный модуль, где происходит отделение безвредного азота и его окислов, а также оксидов серы и монооксида углерода, оставшиеся диоксид углерода и пары воды подаются в смеситель, причём диоксид углерода подается под давлением в интервале 0,5-10 атм, оставшимся от давления выхлопа в режиме впрыска, где из них формируют карбонизированную воду, далее карбонизированную воду пропускают, по крайней мере, через один реактор, содержащий катализатор разложения воды на основе железа, где проходит химическая реакция поликонденсационного синтеза n-алканов,
- nCO2 + [n + b + 1)] H2O + эFe = CnH2n+2 + bH2 + э(FeO) + (1/2) (3n + b + 1 - э) O2,
- где n - число атомов углерода в молекуле нормальных алканов; b - коэффициент (b больше 0), обеспечивающий стехиометрию реакции при разном количестве разлагающейся воды, э - стехиометрический коэффициент, учитывающий расходование кислорода на окисление катализатора,
- с образованием водорода, кислорода и углеводородов, которые поступают по меньшей мере в один сепаратор, где водород, кислород и углеводороды отделяются от воды и диоксида углерода, которые направляют вместе с обычным топливом в рабочий цилиндр двигателя.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2807459C1 true RU2807459C1 (ru) | 2023-11-15 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8025715B2 (en) * | 2008-05-12 | 2011-09-27 | Membrane Technology And Research, Inc | Process for separating carbon dioxide from flue gas using parallel carbon dioxide capture and sweep-based membrane separation steps |
| RU2514076C2 (ru) * | 2011-03-03 | 2014-04-27 | Галадигма ЛЛС | Способ утилизации диоксида углерода в водоносном пласте |
| WO2014067536A3 (ru) * | 2012-11-02 | 2014-06-26 | Галадигма ЛЛС | Способ разложения воды с утилизацией диоксида углерода и выделением водорода |
| RU2534075C1 (ru) * | 2010-09-13 | 2014-11-27 | Мембране Текнолоджи Энд Ресерч, Инк | Способ отделения диоксида углерода из отработанного газа с использованием стадий мембранного разделения на основе продувки и абсорбции |
| RU2534772C2 (ru) * | 2010-02-12 | 2014-12-10 | ДАУ ГЛОБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭлЭлСи | Отделение кислых компонентов с помощью мембран из самоорганизующегося полимера |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8025715B2 (en) * | 2008-05-12 | 2011-09-27 | Membrane Technology And Research, Inc | Process for separating carbon dioxide from flue gas using parallel carbon dioxide capture and sweep-based membrane separation steps |
| RU2534772C2 (ru) * | 2010-02-12 | 2014-12-10 | ДАУ ГЛОБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭлЭлСи | Отделение кислых компонентов с помощью мембран из самоорганизующегося полимера |
| RU2534075C1 (ru) * | 2010-09-13 | 2014-11-27 | Мембране Текнолоджи Энд Ресерч, Инк | Способ отделения диоксида углерода из отработанного газа с использованием стадий мембранного разделения на основе продувки и абсорбции |
| RU2514076C2 (ru) * | 2011-03-03 | 2014-04-27 | Галадигма ЛЛС | Способ утилизации диоксида углерода в водоносном пласте |
| WO2014067536A3 (ru) * | 2012-11-02 | 2014-06-26 | Галадигма ЛЛС | Способ разложения воды с утилизацией диоксида углерода и выделением водорода |
| RU2540313C2 (ru) * | 2012-11-02 | 2015-02-10 | Галадигма ЛЛС | Способ разложения воды с утилизацией диоксида углерода и выделением водорода |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| George Dowson, Peter Styring. Conversion of Carbon Dioxide to Oxygenated Organics. Carbon Dioxide Utilisation, 2015. Elsje Alessandra Quadrelli et al. Potential CO2 Utilisation Contributions to a More Carbon-Sober Future. Carbon Dioxide Utilisation, 2015. Anand Kumar et al. Carbon Management: Regional Solutions Based on Carbon Dioxide Utilization and Process Integration. Proceedings of the 4th International Gas Processing Symposium,Qatar,October 2014, Advances in Gas Processing, 2015. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105257435B (zh) | 将汽车二氧化碳转化为烃类燃料的车载催化装置和方法 | |
| CN101970820A (zh) | 排放控制的改进 | |
| RU2807459C1 (ru) | Способ вторичного использования диоксида углерода, содержащегося в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания и устройство для него | |
| Anvarovna et al. | RECOVERY OF HIGH MOLECULAR HYDROCARBONS FROM SYNTHESIS GAS AND PHYSICO-CHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE CATALYST | |
| SU427502A3 (ru) | Способ очистки газа | |
| Purohit et al. | An investigation on the regeneration of lean NOx trap using ethanol and n-butanol | |
| US8604263B2 (en) | Method of hydrocarbons and hydrogen production from water and carbon dioxide | |
| MX2012002487A (es) | Proceso no de fraccionamiento para produccion de combustible de baja ebullicion a partir de petroleo crudo o fracciones del mismo. | |
| Shukla et al. | Recycling of platinum group metals and alternative catalysts for catalytic converters | |
| Thomas et al. | Hydrocarbon selective catalytic reduction using a silver-alumina catalyst with light alcohols and other reductants | |
| WO1999006502A2 (fr) | Procede de transformation du methane | |
| Parks et al. | Near-zero NOx control for diesel aftertreatment | |
| Shakiyeva et al. | Synthesis and testing catalysts based on fly ash from thermal power plants and natural zeolite for gas emissions purifica-tion and catalytic processing of heavy oil | |
| Cai et al. | Co3O4 as an efficient passive NOx adsorber for emission control during cold-start of diesel engines | |
| Bays et al. | On-board separation of oxygenates from fuels | |
| Schröder et al. | Low‑Temperature NO | |
| Ismagilov et al. | Environmental Issues in Kuznetsk Coal Basin. Scientific Approaches and Technologies to Reduce Environmental Pollution | |
| Ingersoll et al. | Removal of sulfur oxides from diesel exhaust gases | |
| Nasr | Cobalt oxide catalysts for wet lean methane combustion | |
| Sobchinsky et al. | The Use of Catalysts in the Production of Fuel for Agricultural Machinery | |
| Minahan et al. | ALCOHOL FUELS FROM SYNGAS | |
| Lund-Johansen | Nickel Cobalt Catalyst for Methane Abatement in Marine Machinery | |
| Jacquot et al. | Soot Oxidation by O2and/or NO2 in the Presence of Catalysts Under Lean-Burn and Rich Atmospheres | |
| Bienstock | Removal of Hydrocarbons and Carbon Monoxide from Automotive Exhaust, Using a Promoted Uranium Catalyst | |
| Frank et al. | Kinetics and mechanism of the reduction of NOx by H2 in oxygen-rich atmospheres on a Pt-Mo-Co/a-Al2O3 catalyst |