РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКИНСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПИРОЛИЗОМ

Полезная модель относится к технологии получения волокнистых углеродных материалов методом пиролиза ароматических и неароматических углеводородов.
Технология получения волокнистых углеродных материалов заключается в проведении пиролиза углеводородных газов, либо углеродосодержащих материалов в присутствии катализаторов, преимущественно на основе дисперсного никеля, либо сплавов на его основе, а также других активных металлов с последующим охлаждением продуктов пиролиза.
Печь карбонизации для получения волокнистых углеродных материалов (Патент РФ №2046846, 6 МПК D01F 9/14, В29В 13/02) содержит корпус, муфель, теплообменник, нагревательные элементы, трубопроводы для холодного и горячего инертного газа и продуктов пиролиза, устройство для заправки жгутов обрабатываемого материалы и газовые затворы, причем корпус печи образован соосно расположенным набором унифицированных цилиндрических модулей с муфелями, соединенных посредством подвижных соединений, на торцах крайних из которых выполнены перекрытые газовыми
затворами прорези для входа и выхода жгутов обрабатываемого материала. Устройство для заправки жгутов выполнено в виде бесконечных струн, натянутых на направляющие ролики, верхняя ветвь которых расположена в корпуса, нижняя - под ним. Каждый муфель снабжен установленным с зазором графитовым вкладышем с графитовыми запорными кольцами, образующими полость, соединенную трубопроводами горячего инертного газа и газообразных продуктов пиролиза, при этом вкладыш выполнен со сквозными парными отверстиями, оси каждой пары которых с возможностью пересечения в середине горизонтальной плоскости, проходящей через прорези для входа и выхода жгутов.
Недостатком такого устройства является сложность конструкции и сложность поддержания оптимального термического режима из-за изменяющихся в процессе пиролиза теплофизических свойств исходного материала, что обуславливает низкую производительность процесса карбонизации. Усложнение конструкции вызвано опасностью перегрева продукта, приводящего к термическому разложению готового продукта и ухудшению его свойств. Другим недостатком является необходимость обработки исходного материала перед карбонизацией, из чего следует, что наиболее перспективными являются устройства, позволяющие обрабатывать исходные газообразные углеводородные продукты. В патенте США №5165909, МПК D01F 9/10, от 24 ноября 1992 года предпочтение отдано таким
газам, как ацетилен (температура карбонизации 500°С) и метан (температура карбонизации ниже 1000°С). Согласно патенту пиролиз проводится в вертикальной печи, в верхней части которой расположены патрубок подачи углеводородного газа, ленточные нагреватели и бункер с катализатором. В нижней части бункера с катализатором установлен питательный клапан, который подает в реакционную зону печи катализатор в виде порошкообразного никеля с добавлением алюминия. В нижней части расположен второй патрубок подачи углеводородного газа. Расстояние между питающим клапаном и вторым патрубком подачи углеводородного газа является реакционной зоной, ниже которой расположено основание печи, снабженное фильтром, являющимся сборником готового продукта перед его выгрузкой.
Однако в такой печи полученные продукты пиролиза подвергаются длительному нагреву циркулирующим горячим газом, содержащим смесь углеводородного газа, продуктов пиролиза и катализатора, что может привести к термическому разложению готового продукта. Другим недостатком известного устройства является невозможность равномерного распределения порошкообразного катализатора равномерно по всему живому сечению печи. Это приводит к снижению эффективности пиролиза из-за неравномерности распределения катализатора (смесь никеля с 10% алюминия).
Наиболее близким по конструкции к заявляемому устройству является реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом, содержащий состоящий из днища и крышки, соединенных узлом герметизации, корпус, в котором установлены нагреватели, в нижней части расположен сборник готового продукта и трубопровод подачи углеводородного газа, а в верхней части - узел подачи катализатора, соединенный с камерой-осадителем, установленной над соединенным с приводом вращения и взаимодействующим с неподвижным скребком диском, и в верхней части корпуса расположены патрубки отбора газообразных продуктов пиролиза (Патент РФ №2310023, МПК D01F 9/10).
Недостатком такого реактора является недостаточная надежность из-за коробления корпуса при переменных тепловых нагрузках. Это связано с размещением группы нагревателей под вращающимся диском, вызывающие поводки днища, приводящие к разгерметизации реактора, а также размещением узла герметизации выше нагревателей. Это ведет к уменьшению производительности и снижению качества продукта из-за возникающей нестабильности температуры и контакта горячего продукта с атмосферным воздухом.
Указанный недостаток обусловлен конструктивными признаками известного устройства.
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство по патенту РФ №2310023.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышение надежности работы реактора, увеличении выхода продукта и повышение его качества.
Технический результат достигается тем, тем, что в реакторе для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом, содержащем состоящий из днища и крышки, соединенных узлом герметизации, корпус, в котором установлены нагреватели, в нижней части расположен сборник готового продукта и трубопровод подачи углеводородного газа, а в верхней части - узел подачи катализатора, соединенный с камерой-осадителем, установленной над соединенным с приводом вращения и взаимодействующим с неподвижным скребком диском, и в верхней части корпуса расположены патрубки отбора газообразных продуктов пиролиза, согласно полезной модели днище корпуса выполнено из двух соединенных вертикальной обечайкой частей, между которыми помещен теплоизоляционный материал и верхняя половина днища снабжена компенсатором, выполненным в виде кольцевой камеры, снабженной крышкой, узел герметизации корпуса расположен между верхней и нижней половинами днища, а нагреватели расположены на крышке реактора.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Выполнение днище корпуса из двух соединенных вертикальной обечайкой частей, между которыми помещен теплоизоляционный материал и верхняя половина днища снабжена компенсатором, выполненным в виде кольцевой камеры, снабженной крышкой, узел герметизации корпуса расположен между верхней и нижней половинами днища, а нагреватели расположены на крышке реактора, исключает коробление днища при воздействии высоких температур. При этом резко снижается тепловая нагрузка на узел герметизации за счет исключения конвективного подвода тепла. За счет более эффективной изоляции дополнительно снижается потребляемая мощность.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций реакторов для синтеза волокнистых углеродных материалов с получением технического результата, заключающегося в повышении производительности и упрощении конструкции реактора, что
позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где на представленных чертежах изображены: на фиг.1 показан общий вид реактора для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом в разрезе; на фиг.2 - сечение по А-А, на котором показан вид днища изнутри; на фиг.3 показано сечение по Б-Б с расположением камеры-осадителя и на фиг.4 показано сечение по В-В, поясняющее конструкцию компенсатора.
Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом содержит корпус, состоящий из днища 1 и крышки 2, соединенных узлом герметизации 3. Днище 1 выполнено из двух половин, нижняя половина 4 закреплена на раме 5 и соединена вертикальной обечайкой 6 с верхней половиной 7, изготовленной из листовой жаростойкой стали. В полости, заключенной между верхней половиной 7 и нижней половиной 4 днища 1 и вертикальной обечайкой 6 помещен теплоизоляционный материал 8. В качестве теплоизоляционного материала могут использоваться маты из базальтового волокна. Верхняя половина днища 7 снабжена компенсатором, выполненным в виде кольцевой камеры 9, снабженной крышкой 10. Узел герметизации 3 корпуса расположен между верхней 7 и нижней 4 половинами днища 1. На плоском участке узла герметизации 3 установлена крышка 2,
внутренняя обечайка 11 которой изготовлена из жаропрочной листовой стали. В полости внутренней обечайки 11 установлены нагреватели 12 и термопара 13. В нижней части днища 1 помещен сборник готового продукта 14 и трубопровод подачи углеводородного газа 15. На внутренней поверхности крышки 2 закреплена камера-осадитель 16, соединенная с установленным на внешней поверхности крышки 2 узлом подачи катализатора 17. На днище 1 смонтирован диск 18, соединенный с приводом вращения 19 и взаимодействующий с неподвижным скребком 20. В днище 1 выполнено расположенное под неподвижным скребком 20 окно 21, к которому снизу присоединен, сборник готового продукта 14. В крышке 2 также расположены патрубки отбора газообразных продуктов пиролиза 22. Кольцевая ниша 12 с нагревателями 13 расположена над диском 18. К окну 21 присоединен промежуточный трубопровод 23, соединенный с патрубком подачи аргона 24. Промежуточный трубопровод 23 соединен со сборником готового продукта 14. На диске 18 показан слой катализатора 25. Узел подачи катализатора 17 соединен с линией 26 подачи углеводородного газа, например, метана.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед работой полость реактора продувается аргоном для удаления из нее атмосферного воздуха, так как в смеси с метаном или другим углеводородным газом в полости реактора может образоваться взрывоопасная смесь, что недопустимо, исходя из правил техники безопасности. Для этого в
сборник готового продукта 14 через патрубок 24 и промежуточный трубопровод 23 подается аргон, который вытесняет атмосферный воздух из полости реактора через патрубки 22. Через трубопровод 26 в камеру-осадитель 16 подается метан и при включенном узле подачи катализатора 17 в полость камеры-осадителя 16 подается катализатор 25 в пылевидной форме. При вращении диска 18 приводом 19 на диске оседает ровным слоем катализатор 25. В обескислороженную полость реактора, образованную смонтированным на раме 5 основанием 1 и крышкой 2, соединенных узлом герметизации 3 при включенных нагревателях 12 расположенных в кольцевой нише 12 через патрубок 15 подается метан, который нагревается нагревателями 13 и взаимодействует со слоем катализатора 25 на верхней поверхности диска 18. Степень нагрева контролируется с помощью термопары 13. Одновременно с этим из полости реактора вытесняется аргон через патрубки 22. При взаимодействии метана с катализатором, на поверхности частиц катализатора образуется продукт, этот процесс продолжается до прекращения работы катализатора, и тогда включается привод вращения диска 19. При вращении диска 18 скребком 20 продукт направляется через окно 21 и промежуточный трубопровод 23 в сборник 14 готового продукта. Для исключения изменения свойств продукта в промежуточный трубопровод 23 через патрубок 24 подается аргон. Не прореагировавший с катализатором газ вместе с продуктами пиролиза отводится через патрубки 22 как в процессе
пиролиза, так и при окончании работы. После этого отключается привод вращения диска 11 и процесс повторяется. В конце работы после охлаждения продукта сборник 14 отсоединяется промежуточного трубопровода 23 и синтезированный продукт выгружается из него.
В процессе нагрева реактора нижняя половина 4 днища 1 и вертикальная обечайка 6 не нагреваются выше безопасной температуры. Этому препятствует теплоизоляционный материал 8. Верхняя половина 7 днища 1 нагревается до температуры пиролиза. Короблению и температурным поводкам препятствует компенсатор, выполненный в виде кольцевой камеры 9. При нагреве стенки кольцевой камеры 9 упруго сжимаются, а при охлаждении расходятся. Крышка 10 препятствует попаданию в полость кольцевой камеры 9 содержащего кислород воздуха. Узел герметизации 3 при нагреве корпуса благодаря расположению между верхней 7 и нижней 4 половинами днища 1 и наличию теплоизоляции подвергается нагреву в безопасных пределах, исключающих самопроизвольную разгерметизацию.
Предлагаемое устройство обеспечивает повышение надежности работы реактора, увеличении выхода продукта и повышение его качества.