СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ОТ ЛЕГКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение может применяться в газовой, нефтяной, химической, энергетической и металлургической отраслях промышленности. Изобретение соответствует всем нормам экологического надзора. В зависимости от поставленных технологических задач может изготавливаться с различными техническими характеристиками. Изобретение позволяет получить чистый водород и утяжеленные фракции алканов из поступаемого в устройство легкого углеводородного газа - метана (CH₄). Также наряду с метаном в устройство могут поступать более тяжелые фракции углеводородного газа, такие как этан, пропан, бутан и т.д.

Устройство для получения водорода с его последующим отделением от легкого углеводородного газа (см. чертеж) включает: ускоритель электронов 1 и реакционно-циклонную камеру 2. В качестве ускорителя электронов может использоваться любой из известных аналогов электронно-ускорительной техники, например патенты на изобретение №2418338 «Сильноточный ускоритель ионов», №2396632 «Кислотный генератор», №2392782 «Линейный ускоритель ионов» и т.д. Реакционно-циклонная камера выполнена из нержавеющей стали конической формы для эффективного разделения продуктов конверсии легкого углеводородного газа, а именно водорода и фракций алканов. У верхнего (большего) основания реакционно-циклонной камеры расположен входной патрубок 3 для ввода легкого углеводородного газа. У нижнего (меньшего) основания реакционно-циклонной камеры расположено направляющее сопло 4 ускорителя электронов, которое предназначено для задания направления и расширения потока электронов. Направляющее сопло также выполнено в конической форме, но с большей конусностью для отсечения мертвой зоны. Также у нижнего основания реакционно-циклонной камеры расположен выходной патрубок 5, предназначенный для вывода утяжеленных фракций углеводородного газа. В центральной части реакционно-циклонной камеры установлены два патрубка: водородоотделительный патрубок 6 и циркуляционный патрубок 8. Водородоотделительный патрубок предназначен для вывода водорода из реакционно-циклонной камеры. Вывод водорода производится через водородоотделительный фильтр (мембрану) 7, который имеет вид цилиндрической сетки с проходными отверстиями, соразмерными атомам водорода. В качестве такой сетки также может быть применен любой из известных аналогов, например патенты на изобретение №2418622 «Газоразделительная мембрана, содержащая микропористый кремнеземный слой на основе кремнезема, легированного трехвалентным элементом», №98107810 «Способ получения водорода с использованием мембраны из твердого электролита» и т.д. Циркуляционный патрубок предназначен для отвода несреагировавших объемов газа. В него встроены автоматизированный шаровой кран 9 и газоанализатор 10, позволяющие регулировать скорость потока циркуляции газа.

Способ заключается в отделении водорода от поступающего в реакционно-циклонную камеру 2 легкого углеводородного газа (метана), через входной патрубок 3. Отделение происходит за счет центробежной силы и постоянного бомбардирования молекул входящего газа электронами, вылетающими с определенным ускорением из ускорителя электронов 1. Направляющее сопло 4 ускорителя электронов сконструировано таким образом, что бомбардировка электронами накрывает весь объем газа вплоть до входного патрубка, но при этом в нижней части камеры остается мертвая зона, через которую выходят утяжеленные фракции углеводородного газа. Легкий углеводородный газ поступает в устройство под давлением 0,1-0,3 МПа и за счет конической формы камеры закручивается и ускоряется под воздействием центробежной силы. За счет бомбардировки электронами от молекул легкого углеводородного газа отбивается водород и вылетает из камеры через водородоотделительный фильтр 7 и далее поступает по водородоотделительному патрубку 6 к потребителю. В это же время утяжеленные фракции выходят из установки, прижимаемые к стенке камеры под воздействием центробежной силы, в противоположном направлении через выходной патрубок 5.

Химические процессы, происходящие в реакционно-циклонной камере при воздействии пучка ускоренных электронов на углеводородный газ, описываются следующими уравнениями:

В результате воздействия ионизирующего излучения в исходной газовой смеси образуется большое количество свободных радикалов. В дальнейшем, за счет реакций роста и передачи цепи и рекомбинации радикалов происходит укрупнение алкильных радикалов и образование водорода.

В качестве аналогов данного способа и устройства могут быть рассмотрены следующие патенты на изобретение: патент №2394754 «Способ получения водорода из углеводородного сырья» (ближайший аналог); патент №2397141 «Способ получения водорода и химический реактор для его осуществления». А также патенты на полезную модель: №80160 «Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа»; №81964 «Ультразвуковое устройство получения водорода»; №111840 «Установка для получения водорода и гидрооксидов алюминия из алюминия или его сплавов». Во всех вышеперечисленных изобретениях и полезных моделях отделение водорода осуществляется за счет электрического, электротермического или электрохимического воздействия на компоненты реагирующих веществ. В данном же описании способа и устройства отделения водорода воздействие относится к физико-химическим процессам, что составляет существенное отличие.