Устройство микроволновой плазмохимической конверсии метана в синтез-газ

Изобретение относится к химии, в частности к устройствам для генерации микроволновых плазменных факелов с целью углекислотной конверсии метана в синтез-газ.

Известно устройство микроволновой плазмохимической конверсии метана в синтез-газ, содержащее буферную емкость смешения, реакционную камеру, генератор микроволновых колебаний и резонатор. Устройство содержит блок питания переменной мощности и волновод, выполненный в виде коаксиально расположенных внешнего и внутреннего электродов, причем внешний электрод является реакционной камерой, а внутренний электрод изготовлен полым и заканчивается соплом, выполненным из тантала (RU 80450 U1, 10.02.2016).

В известном устройстве плазма постоянно контактирует с внутренним электродом микроволнового тракта, рассеивая часть тепловой энергии на нем. Это ограничивает уровень мощности микроволнового излучения.

Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств для генерации микроволновых плазменных факелов с целью углекислотной конверсии метана в синтез-газ.

Техническим результатом предложенного устройства является значительное снижение теплового воздействия на инициатор и значительное увеличение мощности микроволнового излучения при сохранении времени жизни инициатора, а также возможности отказа от дорогих тугоплавких металлов.

Технический результат достигается тем, что устройство микроволновой плазмохимической конверсии метана в синтез-газ содержит источник микроволновой энергии, рабочую камеру. При этом, для возможности визуальной диагностики процесса, боковые стенки камеры могут быть изготовлены из кварца. На одном торце рабочей камеры выполнено входное окно, через которое вводят микроволновое излучение, на другом торце камеры размещены патрубки откачки и ввода рабочей среды, причем в камере на противоположной стороне от окна размещен инициатор, выполненный в виде матрицы из направленных навстречу микроволновому излучению проволочек диаметром 1-1,5 мм с шагом 3-4 мм и длиной 1-1,5 см, а радиальный размер инициатора больше или равен диаметру входного окна.

На чертеже схематически представлено устройство микроволновой плазмохимической конверсии метана в синтез-газ.

Устройство микроволновой плазмохимической конверсии метана в синтез-газ содержит источник микроволновой энергии (на чертеже не показан), рабочую камеру 1. На одном торце рабочей камеры 1 выполнено входное кварцевое окно 2, через которое вводят микроволновое излучение, на другом торце камеры 1 размещены патрубки 4 и 5 откачки и ввода рабочей среды. В камере 1 на противоположной стороне от окна 2 размещен инициатор 3, выполненный в виде матрицы из направленных навстречу микроволновому излучению проволочек диаметром 1-1,5 мм с шагом 3-4 мм и длиной 1-1,5 см. Технический результат достигается только в пределах вышеуказанных диапазонах. Радиальный размер инициатора больше или равен диаметру входного окна. Технический результат достигается только в пределах указанного размера.

Устройство состоит из камеры 1 с длиной = 20-22 см и внутренним диаметром ∅=9-10 см. Для возможности визуальной диагностики процесса камера может изготавливаться из кварца. Для ввода микроволнового излучения в торце камеры предусмотрено кварцевое окно 2 диаметром 7-8 см и толщиной 5-6 мм. Для откачки камеры и запуска в нее рабочей смеси предусмотрены патрубки 4 и 5 соответственно, которые находятся в противоположном торце от кварцевого окна 2. Для формирования плазмы в камере предусмотрен разрядный инициатор 3, который представляет из себя матрицу из направленных навстречу микроволновому излучению проволочек диаметром 1-1,5 мм с шагом 3-4 мм и длиной 1-1,5 см. Радиальный размер инициатора больше или равен диаметру входного окна. Инициатор находится в противоположном от кварцевого окна торце камеры.

Способ заключается в откачке камеры через патрубок 4 до давления 0,5-1 мм рт.ст., запуске в нее метана (СН₄) до давления 500 мм рт.ст. и углекислого газа до общего давления 1000 мм рт.ст. через патрубок 5. После этого в камере образуется гомогенная метан - углекислотная смесь. После этого в камеру через входное окно 2 вводится микроволновое излучение. После подачи в камеру микроволнового излучения, происходит образование плазмы на разрядном инициаторе 3, после чего плазма заполняет весь объем камеры.

За счет того, что плазма 6, возникая на разрядном инициаторе 3, начинает двигаться навстречу СВЧ-излучению в сторону входного окна 2 и перестает контактировать с инициатором 3, существуя при этом в объеме камеры. Кроме того, при работе в проточном режиме за счет возможности использования более высоких мощностей СВЧ-излучения производительность данного реактора значительно увеличивается.

Под действием этой плазмы происходило плазмохимическое некаталитическое превращение метан-углекислотной смеси в синтез-газ по реакции СН₄+СO₂=2СО+2Н₂.