МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Полезная модель относится к химии, а именно к системам, предназначенным для переработки углеводородного сырья в водородной энергетике или химической промышленности, в частности, к системам переработки углеводородного сырья переменного состава с получением углеродных нановолокон в укрупненном масштабе.
Углеродные нановолокна находят применение, в первую очередь, в качестве наполнителей для композитов. Благодаря низкой плотности, высокой прочности и электропроводности они могут быть использованы для создания новых материалов с улучшенными физико-механическими свойствами, причем многие показатели таких композитов могут достичь рекордных величин.
Известна система для переработки углеводородного сырья для получения углеродных нановолокон, включающая горизонтально расположенный реактор, содержащая зону загрузки катализатора, зону пиролиза, зону охлаждения и выгрузки катализатора, вход для подачи газообразных продуктов, выход для отвода продуктов пиролиза, электрическую трубчатую печь кварцевую лодочку для катализатора и толкатель (Патент РФ №2338686, МПК С01В 31/00, приоритет от 2007.03.01, опубликован 2008.11.20).
Недостатками известного устройства, является низкая производительность, обусловленная тем, что для обеспечения максимальной степени использования катализатора и однородности получаемого продукта, слой катализатора в данной системе должен быть достаточно тонким. С увеличением его толщины затрудняется диффузия реакционного газа к нижнему слою, вследствие чего снижается удельный выход и возрастает степень неоднородности продукта. Кроме того, возможно спекание продукта с образованием монолита и закупориванием реактора или даже его разрывом.
Известна система для переработки углеводородного сырья, с целью синтеза углеродных нановолокон, включающая реактор с расположенным в нем диском, на который нанесен тонкий слой пылевидного катализатора толщиной 1-3 мм, ввод для подачи углеводороднго газа, вывод для отвода газов, привод вращения диска (Патент РФ №2296827, МПК D01F 9/127, приоритет от 2005.08.03, опубликован 2007.04.10).
Недостатком известного устройства является то, что в данном устройстве возможно использование только пылевидного катализатора, кроме того, устройство имеет достаточно сложную конструкцию.
Известна система для получения углеродных нанотрубок и нановолокон содержащая размещенную в узле нагрева колонну «кипящего» слоя, внутри которой размещен катализатор, устройство подачи реагентов, включающее впускной узел, выпускной узел (Патент РФ №2299851, МПК С01В 31/02, B01J 8/24, приоритет от 2002.06.25, опубл. 2007.05.27).
Недостатками известной системы реализации процесса в «кипящем» слое является наличие ряда ограничений, которые накладываются на катализатор, скорость реакционного потока и диаметр реактора. Для обеспечения «кипения» катализатор должен обладать определенным гранулометрическим составом и плотностью. Кроме того, накладывается ограничение на долю активного компонента в связи с тем, что в ходе реакции на частицах катализатора происходит образование углеродных нановолокон, изменяется объем и плотность продукта, что может привести к неоднородности слоя, прекращению кипения или образованию крупных газовых пузырей, что в свою очередь приводит к неэффективному расходу углеводородного сырья. Также ограничение минимальной скорости газового потока приводит к не полной степени превращения и перерасходу углеводородного сырья.
Известна система для переработки углеводородного сырья, включающая реактор, неподвижное основание, содержащее раму и горизонтальную поверхность, печь расположенную на горизонтальной поверхности неподвижного основания, реактор, расположенный в печи горизонтально относительно ее вертикальной оси, узел обеспечения вращения реактора, расположенный на горизонтальной поверхности основания, узел обеспечения герметичности реактора, устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции (И.В.Мишаков, Р.А.Буянов, В.В.Чесноков, И.А.Стрельцов, А.А.Ведягин, «Технология получения углеродных наноразмерных нитей по механизму карбидного цикла» // «Катализ в Промышленности». - 2008. - №2. - С.26-30.
Недостатками известной системы является то, что использование реактора с гладкими стенками не обеспечивает интенсивного массообмена между газофазными реагентами и катализатором. Максимальная реакционная температура, которая может быть достигнута в данной системе, является недостаточной для синтеза углеродных нанотрубок, образование которых происходит при температуре 900°С и выше. В устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции возможно попадание частиц катализатора и углеродного продукта, что приводит к закупориванию просвета газохода и остановке процесса. Наличие мелких частиц углеродного продукта в газовом потоке на выходе из реактора препятствует проведению анализа газофазных продуктов реакции и контролю над степенью превращения углеводородного сырья.
Ставилась задача разработать систему для переработки углеводородного сырья, которая позволяла бы получать укрупненные партии углеродных нановолокон различной структуры, в том числе нанотрубок, обеспечивая при этом однородность получаемого углеродного материала. Увеличить степень превращения углеводородного сырья. Предотвратить попадание частиц катализатора и углеродного продукта в устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции и в газовом потоке на выходе из реактора.
Задача решается путем модернизирования существующей системы для переработки углеводородного сырья за счет увеличения максимальной температуры разложения углеводородов и введения фильтрующих устройств различных типов для отделения углеродной пыли от газового потока. В результате этого, система для переработки углеводородного сырья, включающая неподвижное основание, содержащее раму и горизонтальную поверхность, печь расположенную на горизонтальной поверхности неподвижного основания, реактор, расположенный в печи горизонтально относительно ее вертикальной оси, узел обеспечения вращения реактора, расположенный на горизонтальной поверхности основания, узел обеспечения герметичности реактора, устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции дополнительно содержит устройство фильтрации газофазных продуктов реакции от частиц углеродного продукта, а устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции выполнено позволяющим улавливать мелкие частицы углеродного продукта на выходе из реактора. При этом печь снабжена нагревательной частью, позволяющей достичь температуры 1100°С в реакционной зоне, устройство фильтрации углеродного продукта и продуктов реакции выполнено содержащим фильтрующий элемент с кварцевым волокном, препятствующим попаданию частиц катализатора и углеродного продукта в систему подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции, устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции выполнено с использованием циклона, улавливающего мелкие частицы углеродного продукта на выходе из реактора, а сам реактор выполнен содержащим ребра, которые расположены на внутренней поверхности параллельно оси вращения реактора.
Технический результат заявляемого устройства заключается в возможности проводить процесс переработки углеводородного сырья при температуре вплоть до 1100°С, обеспечивая получение углеродных нанотрубок. Предотвращении попадания частиц катализатора и углеродного продукта в устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции. Предотвращении попадания углеродного продукта в газовый поток на выходе из реактора.
Заявляемая модернизированная система для переработки углеводородного сырья поясняется чертежом, представленном на фиг.1, где:
1 - реактор, 2 - печь, 3 - узел обеспечения вращения реактора, 4 - основание, 5 - устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции, 6 - устройство фильтрации углеродного продукта и продуктов реакции, 7 - циклон, 8 - узел обеспечения герметичности реактора.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Реактор 1, который может быть выполнен в виде металлической емкости объемом 3 л, расположен в печи 2, установленной на основании 4. Печь в заявляемой полезной модели снабжена нагревательной частью, позволяющей достичь температуры 1100°С в реакционной зоне. Навеска катализатора засыпана в реактор. Вращение реактора вокруг его горизонтальной оси обеспечивает узел вращения реактора 3. Устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции 5 герметично соединено с реактором через узел обеспечения герметичности реактора. Кроме того, устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции 5 выполнено с использованием циклона 7, улавливающего мелкие частицы углеродного продукта на выходе из реактора. Устройство фильтрации углеродного продукта и продуктов реакции 6 выполнено в заявляемой полезной модели обеспечивающим фильтрацию продуктов реакции от частиц углеродного продукта. В заявляемой полезной модели устройство подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции 5 выполнено так, что позволяет улавливать мелкие частицы углеродного продукта на выходе из реактора.
Перед началом работы осуществляют продувку реактора инертным газом (аргон или азот) с помощью устройства подачи газофазного углеводородного сырья и отвода газофазных продуктов реакции 5 для удаления кислорода и производят нагрев печи до температуры восстановления катализатора. Следующим этапом выполняют восстановление катализатора путем подачи в реактор водорода, либо смеси водорода с инертным газом. Время восстановления катализатора составляет 15-30 минут. После восстановления катализатора в реактор подают инертный газ и производят нагрев печи до реакционной температуры 500-1100°С. После установления реакционной температуры в реактор подают углеводородное сырье (природный газ, смесь пропана и бутана техническая и т.д.) как в чистом виде, так и в разбавленном инертным газом или водородом. Газофазные продукты реакции очищают от пылевидных частиц углеродного продукта путем пропускания через устройство фильтрации 6. После того, как процесс переработки углеводородного сырья приводит к заполнению реакционного объема углеродным продуктом, нагрев выключают и прекращают подачу углеводородного сырья. Реактор продувают инертным газом. Вращение реактора не отключают вплоть до его полного остывания.
Использование данного реактора позволяет получать до 1 кг углеродных нановолокон за один реакционный цикл. На данном этапе сформулированы рекомендации для наработки трех различных морфологии углеродных нановолокон в укрупненном масштабе с использованием модернизированной системы для переработки углеводородного сырья. Основные параметры переработки углеводородов с получением углеродных нановолокон представлены в таблице 1