ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГЛАМЕНТА ПЕРЕРАБОТКИ ОТРАБОТАННЫХ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
LABORATORY UNIT FOR COMPLETING PROCESS REGULATIONS FOR RECYCLING EXHAUSTED NICKEL-CONTAINING CATALYSTS

Изобретение относится к установкам для получения карбонильного никеля из никельсодержащих продуктов и может применяться в качестве лабораторной опытно-промышленной установки для отработки технологических процессов получения никеля из никельсодержащих отходов, в том числе отработанных никельсодержащих катализаторов нефтехимической промышленности.
Из уровня техники известен вращающийся наклонный реактор для получения карбонила никеля (RU 2423320 C1, МПК C01G 53/02, F27B 7/00, опубл. 10.07.2011). Реактор включает в себя корпус, реакционную камеру, снабженную узлами загрузки и выгрузки сыпучего материала и окна во внутренней обечайке барабана, выполненный с возможностью загрузки в него полидисперсного никельсодержащего сырья. Объем загрузки может составлять до 30% от объема реакционной камеры. После загрузки сырья предусмотрена герметизация реакционной камеры, ее поворот и установку с заданным наклоном. При этом синтез карбонила никеля проводят при давлении оксида углерода в реакционной камере 50-70 атм и механическом перемешивании сыпучего материала в присутствии оксида углерода.
Недостатком известного технического решения является необходимость поддержания высокого давления в реакторе для синтеза карбонила никеля, что ограничивает возможности использования установки для использования ее в лабораторных условиях.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признана система для автоматического управления колонной для ректификации карбонила никеля (SU 196345 A1, МПК B01D 3/42, С22В 23/02, F27D 21/00, опубл. 16.05.1967). Система включает в себя модель колонны, в которую поступают входные параметры и информация от датчиков, при этом по выходу модели судят о составе получаемого продукта. В системе автоматического управления выходной сигнал сравнивается с задающим сигналом, что позволяет реализовать линию отрицательной обратной связи.
Недостатком системы автоматического регулирования колонной является большая длительность анализа образцов готового продукта, которая составляет от 5 до 7 часов, что снижает качество делает невозможным оперативное технологического процесса.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка лабораторной опытно-промышленной установки с обеспечением возможности контроля и управления технологическими операциями процесса переработки отработанных никельсодержащих продуктов.
Указанная задача решена тем, что лабораторная установка представляет собой термоизолированный реактор, снабженный системой нагрева и водяного охлаждения корпуса, к которому подключен подогреваемый ТЭНом газовый коллектор с подключенными к нему, посредством гибких шлангов с электромеханическими клапанами, емкостями с кислородом, азотом, водородом, монооксидом углерода, природным газом и воздухом. Реактор снабжен крышкой, в которой установлен тройник, при этом первый выход тройника через патрубок, снабженный электромеханическим клапаном сообщается с атмосферой, а второй выход тройника посредством патрубка, снабженного электромеханическим клапаном и ТЭНом для нагрева карбонила никеля, подсоединен к камере разложения карбонила никеля, с постоянными магнитами, закрепленными на ее наружной поверхности. Выходной патрубок камеры разложения через фильтр последовательно соединен с системой воздушного и водяного охлаждения монооксида углерода и подключен перистальтическому насосу, выходной патрубок которого введен в реактор.
Дополнительно в реакторе установлен резистивный датчик температуры, датчик давления и датчик содержания монооксида углерода, подключенные к измерительным входам блока управления лабораторной установкой, а ее силовые выходы подключены, соответственно, к системе нагрева корпуса, насосу системы водяного охлаждения корпуса, ТЭНу газового коллектора, ТЭНу для нагрева карбонила никеля, перистальтическому насосу и электромеханическим клапанам патрубков и емкостей с газами.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков лабораторной установки, является возможность проведения с ее помощью управляемых экспериментов по отработке технологического регламента переработки отработанных катализаторов нефтехимической промышленности. Упомянутая возможность достигается за счет применения в конструкции установки датчиков температуры, датчика давления и датчика содержания монооксида углерода, позволяющих контролировать параметры протекания реакции синтеза карбонила никеля, а также блока управления, выполненного с возможностью регистрации параметров и регулирования процесса протекания переработки за счет возможности контроля протекания реакции путем регулирования температуры и скорости циркуляции монооксида углерода в системе.
Конструкция лабораторной установки поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана ее структурная схема, а на фиг. 2 - упрощенная структурная схема блока управления установкой.
Основой лабораторной установки является термоизолированный реактор 1, снабженный системой нагрева корпуса 2 и системой водяного охлаждения 3, к которому подключен подогреваемый ТЭНом 4 газовый коллектор 5 с подключенными к нему посредством гибких шлангов с электромеханическими клапанами емкостей с кислородом 6, азотом 7, водородом 8, монооксидом углерода 9 природного газа 10 и воздуха 11.
Реактор снабжен крышкой 12, в которой установлен тройник, при этом первый выход тройника 13, через патрубок снабженный электромеханическим клапаном 14 сообщается с атмосферой, а второй выход тройника 15 посредством патрубка 16, снабженного электромеханическим клапаном 17 и ТЭНом 18 для нагрева карбонила никеля подсоединен к камере разложения 19 карбонила никеля, с постоянными магнитами 20, закрепленными на ее наружной стороне. Выходной патрубок 21 камеры разложения через фильтр 22 последовательно соединен с системой воздушного 23 и водяного охлаждения 24 монооксида углерода и подключен перистальтическому насосу 25, выходной патрубок 26 которого введен в реактор 1.
Дополнительно в реакторе установлен резистивный датчик температуры 27, датчик давления 28 и датчик монооксида углерода 29, подключенные к измерительным входам 30, 31, 32 блока управления 33 лабораторной установкой, выполненные на основе операционных усилителей, а ее силовые выходы 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 и 46 подключены, соответственно, к системе нагрева 2 корпуса, насосу системы водяного охлаждения 3, ТЭНу 4 газового коллектора 5, ТЭНу 18 для нагрева карбонила никеля, перистальтическому насосу 25, электромеханическим клапанам 14 и 17 патрубков и емкостей с газами 6, 7, 8, 9, 10, 11.
1
1
2
2
3
3
Система нагрева 2 корпуса может быть выполнена с применением ТЭНа. В качестве резистивного датчика температуры может использоваться датчик модели WZP-187, работающий в широком диапазоне температур от -200°С до +400°С ( WZP-187 // CNXSOFT - Новости android-приставок и встраиваемых систем. URL: https://cnx-software.ru/2019/09/03/pt100/резистивный-датчик-температуры-rtd-поддерживает-диапазон-экстремальных-температур/ (дата обращения: 24.05.2020).). В качестве датчика давления может быть применен модуль ВМР280 ( Датчики давления Arduino bmp280, bmp180, bme280 // ARDUINO Мастер. URL: https://shinetech.ru/product/mq-9/ (дата обращения: 24.05.2020).). В качестве датчика монооксида углерода может быть применен датчик угарного газа модели MQ-9 ( Модуль датчика угарного газа MQ-9 // ShineTech.ru. URL: https://shinetech.ru/product/mq-9/ (дата обращения: 24.05.2020).). Блок управления целесообразно реализовать на основе микроконтроллера, а его силовые выходы могут быть выполнены, например, на основе транзисторных или тиристорных ключей.
Микроконтроллер блока управления 33 содержит микропроцессорное ядро 47, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 48, SRAM-памятью данных 49, многоканальным аналого-цифровым преобразователем 50, Ethernet-контроллером 51, модулем LCD-интерфейса 52, интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в четыре восьмиразрядных GPI/O-порта ввода-вывода 53, 54, 55, 56, и модулем подключения SD-карты 57. При этом к линиям аналого-цифрового преобразователя 50 подключены измерительные входы 30, 31, 32 блока управления 33, Ethernet-контроллер 51 подключен к Wi-Fi-модулю 58, к модулю LCD-интерфейса 52 электрически подключен модуль индикации 59, выполненный на основе TFT-дисплея, линии первого и второго восьмиразрядных GPI/O-портов ввода-вывода 53 и 54 подключены к силовым выходам 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 и 46 к третьему восьмиразрядному GPI/O-порта ввода-вывода 55 подключен блок ввода данных 60, выполненный в виде кнопочной клавиатуры, четвертый порт восьмиразрядный GPI/O-порт ввода-вывода 56 оставлен в качестве резерва для подключения дополнительного оборудования, а в слот модуля подключения SD-карты 57 вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта 61.
4
4
5
5
6
6
В качестве микроконтроллера может быть использована любая известная микросхема на микропроцессорном ядре Cortex-M4F/R, ориентированном на создание высокопроизводительных систем реального времени для ответственных применений. В качестве такой микросхемы может быть использован отечественный микроконтроллер K1921BK01T ( Практический курс микропроцессорной техники на базе процессорных ядер ARM-Cortex-M3/M4/M4F [электронный ресурс]: учебное пособие - электрон. текстовые дан. (12 Мб) / В.Ф. Козаченко, А.С. Анучин, Д.И. Алямкин и др.; под общ. ред. В.Ф. Козаченко. - М.: Издательство МЭИ, 2019. - 543 с. Режим доступа: http://motorcontrol.ru/wp-content/uploads/2019/04/Практический курс микропроцессор.pdf.); в качестве Wi-Fi-модуля может быть использована сборка ESP8266-01 ( Модуль ESP8266-01 WiFi // MCU Store. URL: https://mcustore.ru/store/moduli-svyazi/modul-wifi-esp8266/?gclid=CjwKCAiA58fvBRAzEiwAQW-hzezFoQo60DEhZStdn7fMT-5DeNRZ2oJB f8dkNm5re0i2KGbfe3YFBoCu08QAvD BwE.), а в качестве TFT-дисплея - модель RPI LCD ( 3.2 inch RPi LCD // ChipDip.ru URL: https://www.chipdip.ru/product/3.2inch-rpi-lcd-b (дата обращения: 12.12.2019).) с резистивным сенсорным экраном и диагональю 8,1 см.
Лабораторную установку применяют следующим образом.
Первоначально установку готовят к работе, подключая датчик температуры 27, датчик давления 28 и датчик содержания монооксида углерода 29 к измерительным входам 30, 31, 32 блока управления 33, а силовые выходы 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 и 46, соответственно, к узлу нагрева 2 корпуса, насосу системы водяного охлаждения 3, ТЭНу 4 газового коллектора 5, ТЭНу 18 для нагрева карбонила никеля, перистальтическому насосу 25 и электромеханическим клапанам 14 и 17 патрубков и емкостей с газами 6, 7, 8, 9, 10, 11. Далее осуществляют загрузку 3,5 кг катализатора ГИАП-8, в реактор 1 и герметизируют его крышкой 12. После чего установка готова к работе. Во все время работы управление установкой осуществляют с помощью блока ввода данных 60, контролируя параметры протекания процесса с помощью модуля индикации 59.
Первоначально с помощью блока управления 33 включают ТЭН 4 газового коллектора 5, настраивая его на нужную температуру, далее блок управления начинает реализацию замкнутого программного цикла управления агрегатами лабораторной установки. Управляющая программа хранится во FLASH-памяти 48 программ микроконтроллера, использует для своей работы SRAM-память данных 49, а также параметры технологического процесса синтеза карбонила никеля и уставки функционирования узлов установки, хранящиеся на SD-карте 61.
В соответствии с управляющей программой блок управления включает узел нагрева 2 корпуса реактора 1. Далее с помощью третьей линии второго порта ввода-вывода 54 (линии портов ввода-вывода микропроцессоров и микроконтроллеров принято считать с нуля) через силовой выход 45 блок управления открывает электромеханические клапаны емкостей с природным газом и воздухом 10 и 11, а с помощью пятой линии первого порта ввода-вывода 53 открывает электромеханический клапан 14, обеспечивая продувку упомянутой смесью реактора 1 для нагрева катализатора со сбросом продуктов сгорания в атмосферу.
Далее блок управления закрывает электромеханические клапаны емкостей с природным газом и воздухом 10, 11 и с помощью седьмой линии первого порта ввода-вывода 53 через силовой выход 41 открывает электромеханический клапан емкости с кислородом 6, обеспечивая продувку реактора 1 горячим кислородом, для окисления никеля, со сбросом возгонов в атмосферу. Затем блок управления с помощью первой линии второго порта ввода-вывода 54 открывает клапан емкости с водородом 8, обеспечивая ввод в реактор небольшое количество водорода сгорающего в кислороде при температуре 550°С с образованием воды.
После выполнения продувки реактора блок управления 33 выполняет отключение электромеханических клапанов емкостей с кислородом 6 и водородом 8 и узла нагрева 2 реактора 1. Затем блок управления с помощью нулевой линии второго порта ввода-вывода 54 через силовой выход 42 открывает электромеханический клапан емкости с азотом 7, обеспечивая продувку реактора 1, для вытеснения воздуха из него и его охлаждения, со сбросом газов в атмосферу.
Затем с помощью первой линии первого порта ввода-вывода блок управления через силовой выход 35 активирует насос системы охлаждения 3 реактора 1, после чего закрывает электромеханический клапан емкости с азотом 7, закрывает электромеханический клапан 14 и с помощью второй линии второго порта ввода-вывода 54 открывает электромеханический клапан емкости с монооксидом углерода 9, обеспечивая его закачку в реактор 1, при максимальном давлении в 3 атм, при температуре от 50 до 60°С. После выполнения указанных операций осуществляется выдержка реактора в течение 30 мин.
После выдержки блок управления с помощью шестой линии первого порта ввода-вывода 53 через силовой выход 40 открывает электро-механический клапан 17, обеспечивая сброс газов из реактора 1 в камеру разложения 19, предварительно активировав ТЭН 18 для нагрева карбонила никеля до 225°С с помощью третьей линии первого порта ввода-вывода 53 через силовой выход 37. Восстановленный никель при этом осаждается на дне камеры разложения 19.
На последнем этапе технологического процесса посредством четвертой линии первого порта ввода-вывода 53 через силовой выход 38 блоком управления 33 активируется перистальтический насос 25, который обеспечивает вытеснение газов из камеры разложения 19, через фильтр 22, систему воздушного 23, водяного охлаждения 24 и выходной патрубок 26 в реактор 1.
Во все время осуществления технологического процесса блок управления осуществляет постоянный опрос датчика температуры 27, датчика давления 28 и датчика монооксида углерода 29, автоматически регулируя параметры работы узлов установки и технологического процесса восстановления никеля. Все данные, измеренные датчиками, могут быть переданы на персональный компьютер с помощью Ethernet-контроллера 51 и подключенного к нему Wi-Fi-модуля 58 для их дальнейшей статистической обработки и оптимизации технологического процесса переработки отработанных никельсодержащих катализаторов.
Таким образом, рассмотренная в настоящей заявке лабораторная установка, является важной частью высокотехнологичного комплекса по переработке отработанных катализаторов нефтехимической промышленности. Применение инновационного подхода к регулированию процесса восстановления никеля позволит получить готовый продукт карбонильный никель, который может использоваться для получения специальных сплавов или в качестве прекурсора для получения металлоорганических комплексов. Полученный с помощью установки карбонильный никель в порошкообразном виде может использоваться для производства специальных сплавов, применяемых в атомной и ракетной технике, для изготовления различных изделий, пористых фильтров, прессованных и спеченных электродов для щелочных аккумуляторов. Также карбонильный никель применим в качестве катализатора, дешевого заменителя платины и палладия в реакциях гидрогенизации непредельных углеводородов, циклических альдегидов, спиртов и ароматических углеводородов.