Малогабаритный реактор для получения технического углерода путем управляемого пиролиза углеводородного газа

Полезная модель относится к технологическому оборудованию, используемому для получения технического углерода (сажи) путем осуществления пиролиза газообразных углеводородов и направлена на повышение ресурса и эффективности применения наиболее нагруженных агрегатов этого оборудования - высокотемпературных реакторов пиролиза углеводородов.
Из предшествующего уровня техники известна установка, в которой технический углерод получается в результате протекания плазмохимического и термического воздействия на предварительно подогретое углеводородное сырье, в основном жидкое. При этом процесс осуществляется в проточном реакторе с графитовой футеровкой, в котором создается электрический разряд между графитовыми электродами (патент RU 2349545, С9).
Однако в данном устройстве в образовании частиц сажи из углеводородного сырья участвуют продукты разрушения электродов и футеровки реактора, что отрицательно влияет на структуру и свойства образующегося технического углерода. Кроме того, в этом реакторе плохо регулируется процесс пиролиза углеводородного сырья. В связи с указанным качество получаемого технического углерода не стабильно по времени процесса, а частицы его имеют значительный разброс по размерам и параметрам структуры, что ограничивает область применения полученной продукции.
Наиболее близкимк предложенной полезной модели является реактор для получения технического углерода, внутренняя футеровка наиболее напряженных участков которого выполнена с использованием циркониевых огнеупоров и корундохромистой массы (патент RU 149827, С09С), что позволило повысить температуру горячих газов перед подачей в их поток сырья до 1980-2150°С и увеличить выход технического углерода на 2-3%.
Однако данное устройство, ввиду наличия в нем нестойких к перепадам температуры керамических материалов, требует постепенного повышения температуры по мере выхода на рабочий режим и имеет ограниченный ресурс по числу рабочих циклов (пусков и остановок реактора). Этим также обусловлена ограниченность возможностей по регулированию технологического процесса для получения в течение рабочего цикла технического углерода различных марок, что необходимо для достижения максимально возможного экономического эффекта использования оборудования, используемого для малотоннажного производства дорогих марок технического углерода.
В целом, исходя из изложенного, ни один из известных типов реакторов для получения технического углерода не обладает возможностями для использования при отработке новых технологических процессов, обеспечивающих производство технического углерода перспективных марок.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении стабильности параметров процесса пиролиза углеводородов и расширении возможностей его регулирования с целью получения технического углерода с заданными гранулометрическим составом и параметрами структуры частиц при условии высокого ресурса и стойкости реактора к смене режимов работы.
Технический результат достигается за счет использования малогабаритного реактора для получения технического углерода путем управляемого пиролиза углеводородного газа, содержащего камеру смешения углеводородного газа и кислородно-азотной смеси, камеру сгорания, камеру пиролиза углеводородного газа, расположенную между сечением, проходящим через оси отверстий подачи углеводородного газа на пиролиз, и сечением, проходящим через оси отверстий первого ряда подачи инертного газа на закалку продуктов пиролиза, камеру закалки и камеру охлаждения продуктов пиролиза, расположенную между сечением, проходящим через оси отверстий подачи воздуха для дальнейшего охлаждения продуктов, и выходом из реактора, отличающегося тем, что камера смешения горючего газа и окислителя, камера сгорания, камера пиролиза углеводородного газа и камеры закалки и охлаждения продуктов пиролиза выполнены как единый корпус реактора из цельной заготовки в виде трубы из жаростойкого сплава, подключаемый на выходе к регулятору давления в реакторе в виде клапана, при этом снаружи к корпусу реактора в области камер сгорания, пиролиза и закалки продуктов пиролиза приварена защитная оболочка с компенсатором из нержавеющей стали и штуцерами для подачи газов в реактор, в полость между корпусом реактора и защитной оболочкой подается инертный газ, давление которого снижает механическую нагрузку на корпус реактора при его работе, стенка камеры сгорания выполняется перфорированной или пористой, для повышения однородности горючей смеси углеводородный газ и кислородно-азотная смесь подаются в камеру смешения через тангенциально расположенные штуцеры, а для выравнивания потока перед камерой сгорания и предотвращения воспламенения горючей смеси в камере смешения 1/3-1/2 часть ее объема со стороны входа в камеру сгорания заполнена газопроницаемой набивкой в виде мягкой металлической проволоки, причем для контроля процесса пиролиза и состояния реактора он укомплектован датчиками давления и температуры среды внутри реактора и его стенок и пробоотборным устройством. Кроме того, для расширения диапазона значений времени пребывания частиц сажи в условиях их роста и графитизации материала закалочная среда вводится в поток продуктов пиролиза через несколько групп отверстий, расположенных на разном расстоянии от каналов ввода углеводородного газа на пиролиз.
Устройство реактора поясняется на фиг.1.
Реактор, изготовленный путем механической обработки заготовки в виде трубы 11 из жаростойкого сплава разделен на 5 зон:
I - камера смешения, в которой происходит подготовка горючей смеси углеводородного газа (УВГ), подаваемого через тангенциально расположенный штуцер 1, и воздуха или смеси кислорода и азота, подаваемых через тангенциально расположенный штуцер 2;
II - камера сгорания, в которой происходит горение горючей смеси, воспламеняемой при запуске реактора от искры электрического разряда, возникающего между выступающим концом электрода 10 и донышком камеры сгорания (сопловой решеткой 14);
III - камера пиролиза УВГ, расположенная между сечением, проходящим через оси отверстий (сопл) 3 подачи УВГ на пиролиз, и сечением, проходящим через оси отверстий (сопл) 5 первого ряда подачи инертного газа на закалку продуктов пиролиза;
IV - камера закалки, расположенная между сечением, проходящим через оси отверстий (сопл) 5 первого ряда для подачи закалочной среды (инертного газа) на закалку продуктов пиролиза, и сечением, проходящим через оси отверстий 6 подачи воздуха для дальнейшего охлаждения продуктов;
V - камера охлаждения продуктов, расположенная между сечением, проходящим через оси отверстий 6 подачи воздуха для дальнейшего охлаждения продуктов, и выходом из реактора.
Для снижения механической нагрузки на корпус реактора при его работе снаружи к корпусу реактора в области камер сгорания, пиролиза и закалки продуктов пиролиза приварена защитная оболочка 15 с компенсатором из нержавеющей стали. Разгрузка корпуса реактора осуществляется благодаря тому, что в полости между корпусом реактора и защитной оболочкой создается повышенное давление в результате подачи инертного по отношению к конструкционным материалам реактора газа, например, азота.
Для организации охлаждения стенкиреактора 11 в зоне камеры сгорания с внешней стороны к ней крепится наружный корпус 12.
Охлаждающий газ подается в пространство между стенкой реактора и наружным корпусом 12 через отверстие 4.
Для контроля за процессом, протекающим в реакторе, и состоянием материала реактора используются датчики температуры продуктов и стенок реактора, а также датчики давления, подсоединяемые через штуцеры 7 и8 соответственно.
Малогабаритный реактор работает следующим образом.
Через тангенциально расположенные штуцеры 1 и 2 в камеру смешения подаются в нужном соотношении УВГ и окислитель - смесь кислорода и азота (воздух), которые благодаря тангенциальному вводу интенсивно перемешиваются, образуя однородную горючую смесь. Для выравнивания потока горючей смеси перед сопловой решеткой 14, а также для предотвращения воспламенения горючей смеси в камере смешения из-за случайных проскоков пламени через сопла сопловой решетки примерно 1/3-1/2 часть объема камеры смешения, примыкающей к сопловой решетке 14, заполнена газопроницаемой набивкой в виде мягкой металлической проволоки 9.
При запуске реактора поступающая через сопла сопловой решетки 14 горючая смесь поджигается от искры, возникающей при подаче электрического тока высокого напряжения, в области, примыкающей к выступающему внутрь камеры сгорания концу электрода 10. Горение полностью завершается уже на 2/3 длины камеры сгорания, поэтому УВГ, подаваемый на пиролиз через сопла 3, попадает в поток горячих продуктов сгорания и при скорости потока УВГ, более чем на порядок превышающей скорость потока продуктов сгорания, быстро перемешивается с ними, одновременно нагреваясь до температуры, при которой начинается пиролиз его молекул.
В зоне III реактора происходят образование и рост сажевых частиц, а также трансформация структуры их материала, которые прекращаются в условиях резкого снижения температуры в результате перемешивания продуктов пиролиза (сажевого аэрозоля) с закалочной средой. В зависимости от требуемых характеристик технического углерода, подача закалочной среды может быть осуществлена через какой-либо один из поясов отверстий 5.
Для снижения температуры продуктов, выходящих из реактора, до значений, приемлемых для работы клапана, регулирующего давление в реакторе, и оборудования, в котором должно происходить выделение твердой фазы (частиц технического углерода) из аэрозоля, после зоны закалки в поток продуктов вводится охлаждающий воздух через отверстия 6. При температуре продуктов в зоне отверстий подачи воздуха (150-250°С) никакие реакции, приводящие к окислению углерода сажевых частиц и изменению их структуры, происходить не могут.
Для контроля результатов процесса пиролиза в реакторе через штуцер 13 периодически отбираются пробы продуктов, которые направляются на исследование.