УСТАНОВКА ДЛЯ ПИРОЛИЗА
PYROLYSIS PLANT

Изобретение относится к созданию наноструктурных материалов, а именно к установкам для распылительного пиролиза, в частности к получению порошка нитрида алюминия (AlN).
Известна установка для пиролиза по патенту US 5618580, включающая внешний цилиндр и вращающийся внутренний цилиндр. Между цилиндрами возникают вихри Тейлора, что приводит к более эффективному протеканию реакции пиролиза. В установке по патенту ЕР 0348384 для тех же целей используется микроволновая обработка распыленного аэрозоля. Недостатками установок является сложность конструкции.
Известны установки для пиролиза (например, по патентам ЕР 0295389, JP 2002020120, JP 2007238402, JP 2007267613), содержащие реакционные камеры с зонами, в которых поддерживается разная температура, для более эффективного испарения и последующего протекания реакции.
Известна установка для производства порошков по патенту JP 2007083112, выбранная в качестве прототипа, реакционная камера которой выполнена с сужениями и содержит форсунки для распыления рабочего вещества и патрубки для подачи топлива. Патрубки для подачи топлива смещены относительно центральной оси, таким образом, реакция протекает в закрученном потоке горящего топлива.
Недостатком установки является то, что весь продукт с объемом газов проходит через фильтры аспирационной системы. Сбор порошков (продукта), имеющих наноразмеры, связан со следующей проблемой: либо фильтры быстро забиваются наноразмерными частицами, либо часть наночастиц проходит через фильтры. Кроме того, рабочий состав недостаточно равномерно перемешивается с неоднородным закрученным потоком топлива в реакционной камере и химическая реакция протекает неполно, с большим содержанием промежуточных продуктов реакции в выходящем потоке. Затруднено управление протеканием химической реакции, которое может осуществляться изменением состава топлива и/или скорости потока.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности установки для пиролиза жидкого рабочего состава при максимальном сборе продукта, минимальном загрязнении окружающей среды.
Технический результат достигается в установке для пиролиза жидкого рабочего состава, содержащей реакционную трубу со средствами нагрева ее стенок, внутренняя поверхность которой имеет сужающуюся книзу часть и образует выходное отверстие для продукта пиролиза, систему распыления рабочего состава, средства формирования закрученного потока, выполненные в виде ориентированных форсунок системы распыления или в виде ориентированных патрубков, установленных в реакционной трубе. Аспирационный выход и выходное отверстие для продукта пиролиза расположены на противоположных концах реакционной трубы. Средства нагрева стенок выполнены с возможностью создания градиента температур вдоль реакционной камеры и образуют зоны испарения и реакционную зону. Сужающаяся часть внутренней поверхности реакционной трубы имеет форму усеченного конуса. Выход для продукта сообщается с охлаждающей емкостью. Установка снабжена встряхивающим устройством, устройством предварительной подготовки рабочего состава, двухступенчатой аспирационной системой.
Изобретение поясняется чертежами
фиг.1 - схема установки;
фиг.2 - реакционная камера с патрубками, вид сверху.
Установка для пиролиза (фиг.1) включает устройство подготовки жидкости, реакционную трубу 1 с системой распыления рабочего состава (например, с форсунками 2 или с иными устройствами для распыления) и с выходным отверстием 3 для продукта, средства 4 нагрева стенок. Аспирационный выход 5 и выходное отверстие 3 для продукта выполнены преимущественно на противоположных концах реакционной трубы 1. Реакционная труба 1 снабжена средствами формирования закрученного потока, выполненные в виде ориентированных форсунок 2 системы распыления или в виде ориентированных патрубков 7, установленных в стенках реакционной трубы 1. Внутренняя поверхность реакционной трубы 1 имеет сужающуюся часть 8, имеющую форму усеченного конуса и сообщающуюся с выходным отверстием 3 для продукта.
Средства 4 нагрева стенок выполнены с возможностью создания градиента температуры вдоль реакционной камеры 1. Например, средства 1 нагрева стенок могут быть выполнены в виде двух электрических нагревателей, поддерживающих температуру газа в зоне 9 испарения в диапазоне 250-800°С и в реакционной зоне 10 в диапазоне 500-1000°С.
Выход 3 для продукта сообщается с охлаждающей емкостью 11, имеющей двойные стенки 6, между которыми течет хладагент, например вода.
Установка снабжена встряхивающим устройством 12, которое обеспечивает механическую встряску реакционной камеры 1. Оно может быть выполнено, например, в виде металлического ударника 12.
Установка снабжена устройством 13 предварительной подготовки рабочего состава, снабженным нагревателем 14, обеспечивающим нагрев рабочего состава до 300°С. Устройство 13 предварительной подготовки обеспечивает подачу рабочего состава под давлением до 30 атмосфер в систему распыления. Кроме того, оно может быть снабжено средствами для подготовки различных рабочих составов, таких как суспензии, взвеси, растворы солей и т.п. В качестве таких средств могут использоваться мешалки, источники ультразвука, инфракрасного, микроволнового излучения, вибрационные устройства.
Аспирационная система (не показана) выполнена преимущественно двухступенчатой. В первой, сухой ступени, выполненной, например, в виде фильтра или в виде вихревого инерционного пылеуловителя (циклона) собирается полезный продукт. Вторая, мокрая ступень, служит для полной очистки газа от продукта. Мокрая ступень может быть выполнена в виде циклона, насадочного пылеуловителя (кольца Рашига, металлические кольца и розетки, проволочные спирали, кусочки кокса и пр.), тарельчатого пылеуловителя (в промывной камере пыль и другие примеси улавливаются пенным слоем), ударно-инерционного пылеуловителя (очищаемый газ направляется с высокой скоростью на поверхность жидкости).
Установка работает следующим образом.
В устройстве 13 предварительной подготовки рабочий состав (например, соли алюминия, меди, никеля) подогревается до заданной температуры. При этом достигаются оптимальные характеристики для его распыления под давлением через форсунки 2: регулируется текучесть, испарение происходит более эффективно, достигается однородность рабочего состава для полного протекания химической реакции. Через патрубки 7 подается газ, например аргон или азот. Ориентированные форсунки 2 или ориентированные по касательной к стенкам патрубки 7 создают закрученный поток рабочего состава.
В зоне 9 испарения поддерживается температура, при которой происходит эффективное испарение из распыленных капель. Далее, рабочий состав попадает в зону 10 реакции, в которой поддерживается температура, при которой происходит пиролиз рабочего состава. При этом образуется продукт, представляющий собой субмикронный или нанопорошок, например, нитрида алюминия. Использование зонального принципа нагрева стенок позволяет проводить реакцию пиролиза разных рабочих составов наиболее полно с получением продукта с заданными характеристиками (размер частиц, химический состав).
За счет того, что рабочий состав с газом образуют закрученный поток, увеличивается путь частиц в зонах с разной температурой, что повышает полноту протекания реакции и уменьшает размер реакционной камеры. Закрученный поток при движении вдоль сужающейся части 8 ускоряется и происходит эффективное разделение продукта (нанопорошка нитрида алюминия) и газа-носителя. Продукт попадает в охлаждающую емкость 11. При скоплении материала на внутренних стенках реакционной трубы при помощи ударника 12 происходит механическая встряска и продукт попадает в охлаждающую емкость 11.
Пыль (нанопорошка нитрида алюминия) с газом выводятся из реакционной камеры 1 через аспирационный выход 5. Выполнение раздельных аспирационного выхода 5 и выходного отверстия 3 для продукта (например, выполненных на противоположных концах реакционной трубы 1) позволяет наиболее полно и эффективно проводить сбор продукта и очистку выходящего из установки газа от пыли.