РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПИРОЛИЗОМ
REACTOR FOR PRODUCTION OF FIBROUS CARBON STRUCTURES BY CATALYTIC PYROLYSIS

Изобретение 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.
Известно устройство для карбонизации углеродосодержащих материалов, включающее теплоизолированный корпус с муфелем, устройство для перемещения жгутов обрабатываемого углеродосодержащего материала, патрубки подачи горячего и холодного инертного газа и продуктов пиролиза, теплообменник для дополнительного температурного воздействия при проведении пиролиза и промежуточный объем для отбора обработанных жгутов при пониженной температуре, а также уплотнительные узлы ввода жгутов в печь и вывода из нее в виде газовых затворов (см., например, патент Великобритании GB 2184819, МПК D01F 9/22, D01F 9/32 от 1.07.1987 года).
Недостатком такого устройства является низкая производительность процесса карбонизации, связанная невозможностью поддержания постоянства температуры при перемещении в полости печи жгутов с обрабатываемым материалом, а также ограничениями по температуре из-за опасности перегрева продукта, приводящего к термическому разложению готового продукта, что влечет за собой ухудшение его свойств. Другим недостатком является необходимость обработки исходного материала перед карбонизацией.
Частично эти недостатки устранены в патенте РФ №2046846, 6 МПК D01F 9/14, В29В 13/02, опубл. бюл. №30/95. Печь карбонизации для получения волокнистых углеродных материалов 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 наборам 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 корпусе, 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 размещены 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.
Таким образом, наиболее перспективным 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).
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство по патенту США №5165909.
Задачей изобретения является повышение выхода продукта и повышение его качества.
Задача решается тем, что в реакторе для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом, содержащем корпус, в котором установлены нагреватели, в верхней части расположен узел подачи катализатора, а в нижней - сборник готового продукта и трубопровод подачи углеводородного газа, причем узел подачи катализатора выполнен в виде дозатора, соединенного через распылитель с колпаком, в котором установлена решетка с подвижным экраном, а сборник готового продукта выполнен в виде соединенного с приводом вращения диска, заключенного по периметру в неподвижную обечайку, снабженную окном, в котором установлен взаимодействующий с плоскостью диска скребок, и охлаждаемой емкости.
Скребок установлен на оси с возможностью поворота и перемещения в вертикальной плоскости и выполнен из нескольких частей.
Решетка в нижней части и неподвижная обечайка в верхней части снабжены коническими отбортовками.
Экран выполнен в виде конуса, своим основанием закрепленного на решетке.
Экран выполнен в виде расходящихся книзу перевернутых желобков, закрепленных на решетке.
Выполнение узла подачи катализатора в виде дозатора, соединенного через распылитель с колпаком, в котором установлена решетка с подвижным экраном, обеспечивает достижение равномерности распределения катализатора в процессе каталитического пиролиза в реакционной зоне за счет перемещения экрана относительно решетки. Зона с наибольшим слоем катализатора перекрывается экраном для уменьшения количества оседающих частиц и за счет этого достигается равномерность распределения частиц катализатора на поверхности вращающегося диска. Равномерность слоя катализатора обеспечивает более полное протекание процесса пиролиза. Тем самым исключается попадание в готовый продукт непрореагировавших частиц углерода в форме сажи, что обеспечивает повышение выхода продукта и повышение его качества.
Выполнение сборника готового продукта в виде соединенного с приводом вращения диска, заключенного по периметру в неподвижную обечайку, снабженную окном, в котором установлен взаимодействующий с плоскостью диска скребок, и охлаждаемой емкости обеспечивает:
- исключение сдувания потоком газа с поверхности вращающегося диска частиц готовой продукции, которые, находясь за пределами вращающегося диска, подвергаются перегреву, ведущему к термическому разложению углеродных волокон;
выравнивание скоростей потока продукционного газа над слоем катализатора, так как неподвижная обечайка направляет поток продукционного газа от периметра вращающегося диска к его середине, что повышает эффективность процесса пиролиза;
- удаление готового продукта с вращающегося диска скребком в охлаждаемую емкость, в которой продукт может находиться продолжительное время, не ухудшая своих свойств, обеспечивает повышение производительности за счет увеличения количества циклов подачи катализатора и проведения процесса пиролиза, а также повышение качества готового продукта.
Установка скребка на оси с возможностью поворота и перемещения в вертикальной плоскости и выполнение его из нескольких частей обеспечивает более полное прилегание скребка к поверхности вращающегося диска. Это очень важно из-за необходимости удаления готового продукта из реакционной зоны, так как в противном случае может происходить термическое разложение продукта. За счет установки скребка на оси обеспечивается удаление готового продукта даже при значительном нарушении плоскостности верхней поверхности диска из-за коробления под действием высоких температур. Таким образом, обеспечивается повышение выхода продукта и повышение его качества.
Снабжение коническими отбортовками решетки в нижней части и неподвижной обечайки в верхней части обеспечивает более равномерное распределение катализатора в реакционной зоне за счет исключения оседания пылевидных частиц на боковых стенках колпака, а отбортовка верхней кромки обечайки способствует более равномерному потоку продукционного газа над поверхностью вращающегося диска. Это обеспечивает повышение выхода продукта и повышение его качества.
Выполнение экрана в виде конуса, своим основанием закрепленного на решетке, обеспечивает исключение оседания частиц катализатора на верхней поверхности экрана, что обеспечивает повышение надежности системы подачи катализатора, что, в свою очередь, способствует повышению выхода продукта.
Вариант выполнения экрана в виде расходящихся книзу перевернутых желобков, закрепленных на решетке, обеспечивает достижение равномерности распределения катализатора на вращающемся диске. Оседающие частицы могут проходить в зазоре между желобками, чем достигается повышение равномерности оседания катализатора на вращающемся диске, тем самым обеспечивая достижение повышения выхода продукта и его качества.
На представленных чертежах изображены: на фиг.1 показан общий вид устройства для получения волокнистых углеродных материалов; на фиг.2 - сечение по А-А, на котором показаны взаимное расположение вращающегося диска, колпака, скребка и сборника готового продукта; на фиг.3 показана конструкция неподвижной обечайки, выноска I; на фиг.4 показана конструкция решетки, выноска II; на фиг.5 показана конструкция скребка, сечение по Б-Б; на фиг.6 показана конструкция экрана в виде конуса; на фиг.7 показан вариант экрана в виде набора желобков; на фиг.8 показан вариант фиг.7, вид по стрелке В; на фиг.9 показана конструкция желобка, сечение по Г-Г.
Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом содержит корпус, выполненный в виде смонтированного на раме 1 основания 2 и крышки 3. На крышке 3 смонтирован узел подачи катализатора в виде дозатора 4 и распылителя 5, сообщающегося трубопроводом 6 с линией подачи нейтрального газа-аргона, а трубопроводом 7 - с колпаком 8, установленным в крышке 3 над соединенным с содержащим электродвигатель, муфты и редуктор приводом вращения 9 и взаимодействующим со скребком 10 вращающимся диском 11, смонтированным на основании 2. Вращающийся диск 11 заключен в неподвижную обечайку 12, снабженную конической отбортовкой в верхней части 13 и окном 14 для пропуска скребка 10, установленного на оси 15, закрепленной на неподвижной обечайке 12 (не показано). В основании 2 выполнено отверстие, соединенное со сборником 16. На внутренней поверхности основания 2 установлены нагреватели 17 и патрубок 18 подачи углеводородного газа-метана, расположенные под вращающимся диском 11. На крышке 3 и колпаке 11 расположены патрубки 19 и 20 отвода газообразных продуктов пиролиза. Сборник 16 соединен с линией подачи инертного газа (например, аргона) 21. В линии подачи инертного газа 6 установлен нагреватель 22. В верхней части полости колпака 11 установлена снабженная конической отбортовкой решетка 23, на которой в пазах решетки закреплен экран 24, установленный на стойке 25 и выполненный в виде конуса (фиг.6). Экран 24 может быть выполнен в виде расходящихся книзу перевернутых желобков 26, закрепленных на решетке 11, как показано на фиг.7-9. На вращающемся диске 11 показан также слой катализатора и продуктов пиролиза 27.
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 через линию подачи инертного газа 21 в сборник 16 подается аргон, который вытесняет атмосферный воздух из полости реактора в виде смонтированного на раме 1 основания 2 и крышки 3 через патрубки 19 и 20. Для ускорения вытеснения воздуха может включаться привод вращения диска 11, так как обеспечивается эффективное перемешивание газовой среды, обеспечивая снижение концентрации кислорода до безопасной величины. Через трубопровод 6 и трубопровод 7 в колпак 8 подается аргон и при включенном дозаторе 4 через распылитель 5 в полость колпака 8 подается катализатор в пылевидной форме. При оседании пылевидного катализатора последний взаимодействует с решеткой 23 и ее отбортовкой и ее экраном 24, чем достигается равномерность пятна оседания катализатора на внешней поверхности вращающегося диска 11. При использовании конструкции экрана, показанной на фиг.7, 8, 9, достигается еще большая равномерность распределения пылевидного продукта за счет взаимодействия с желобками 27, однако такой вариант более сложен в изготовлении и наладке.
При вращении диска 11 приводом 9 на верхнюю поверхность диска 11 оседает ровным слоем катализатор 27. В обескислороженную полость реактора, образованную смонтированным на раме 1 основанием 2 и крышкой 3, при включенных нагревателях 17 через патрубок 18 подается метан, который нагревается нагревателями 17 и, отражаясь от неподвижной обечайки 12 с бортом 13, взаимодействует со слоем катализатора 27 на верхней поверхности вращающегося диска 11, при этом образуется продукт 27 каталитического синтеза в виде волокнистых углеродных материалов. Этот процесс продолжается до прекращения работы катализатора, и тогда включается привод вращения диска 11. Одновременно с этим из полости реактора вытесняется аргон через патрубки 19 и 20, после его вытеснения - непрореагировавший метан. При вращении диска 11 скребком 10 продукт 27 направляется через окно 14 в сборник 16. Для исключения изменения свойств готового продукта в сборник 16 по линии инертного газа 21 подается аргон. Непрореагировавший с катализатором газ вместе с продуктами пиролиза отводится через патрубки 19 и 20 как в процессе пиролиза, так и при окончании работы. После этого отключается привод 9 вращения диска 11, и процесс повторяется. В конце работы после охлаждения продукта сборник 16 отсоединяется от основания 2 и синтезированный продукт выгружается из нее.
Предлагаемое устройство просто в аппаратурном исполнении и эксплуатации и обеспечивает получение волокнистых углеродных материалов с повышенным выходом продукта и высоким качеством.