Реактор-нейтрализатор для активации углеродного материала
REACTOR-NEUTRALIZER FOR ACTIVATION OF CARBON MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к технологии и оборудованию получения углеродных материалов с развитой поверхностью и пористостью и может найти применение в сорбционной технике, производстве катализаторов, полимерных материалов и радиоэлектронике. Конкретно, предлагается конструкция реактора для химической активации углеродного материала, которая отличается простотой, возможностью масштабирования, позволяет повысить безопасность и производительность, а также получать активированный углеродный материал с высокой удельной поверхностью и большим удельным объемом пор.
Известна установка для активации углеродосодержащего материала (Патент РФ №2182112), содержащая корпус с огнеупорной изоляцией, расположенную внутри него цилиндрическую реторту (реактор) с перемешивающим устройством, нагревательные элементы, выполненные в виде газовых горелок, устройства для загрузки и выгрузки, а также патрубки для ввода газообразных реагентов; ось газовых горелок смещена относительно оси реторты на величину 0,9-1,2 радиуса последней, а камера печи снабжена патрубком для отвода нагревающих газов.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие обогреваемого корпуса и патрубков для ввода газообразных реагентов, причем, конфигурация патрубков обеспечивает закручивание газового потока.
Недостатками указанной установки является то, что она непригодна для проведения химической активации углеродных материалов гидроксидом калия.
2
Известен способ и установка для химической активации углеволокнистых материалов, описанный в источнике информации: Hui Qian, Hele Diao, Natasha Shirshova, Emile S. Greenhalgh, Joachim G.H. Steinke, Milo S.P. Shaffer, Alexander Bismarck, Activation of structural carbon fibres for potential applications in multifunctional structural supercapacitors, Journal of Colloid and Interface Science 395 (2013) 241-248, согласно которому осуществляют пропитку углеродного волокна в растворе КОН различных концентраций, после чего проводят сушку в вакуумной печи при температуре 80°С, после активируют образцы в печи при температуре 800°С в течение 30 мин в атмосфере N.
Недостатком рассмотренной установки является то, что она непригодна для масштабирования, поскольку не позволяет безопасно нейтрализовать пары металлического калия, выделяющиеся в процессе химической активации углеродного материала гидроксидом калия.
Известен способ получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом (Патент РФ №2296827), заключающийся в том, что в продутом аргоном реакторе распыляют катализатор в виде пылевидного сплава на основе никеля, нагревают до температуры 600-1150°С. После этого производят непрерывную подачу углеродсодержащего газа и отвод газообразных продуктов пиролиза, и по окончании процесса пиролиза готовый продукт вместе с катализатором охлаждают, причем в реактор с нагревателями, размещенными над и под установленным диском, струйным распылителем подают инертный газ и катализатор, поступающий в распылитель через дозатор в камеру - осадитель, имеющую вид перевернутого стакана с сечением в виде сектора вращающегося диска, в котором производят осаждение пылевидного катализатора на верхнюю поверхность    диска   при   включенном   приводе  вращения диска слоем  0,1-0,3 мм, затем подают углесодержащий газ со стороны нижней поверхности диска, который нагревают, при этом отвод газообразных продуктов пиролиза осуществляют через патрубки, которые размещены в верхней части реактора и камеры - осадителя. По окончании процесса пиролиза включают привод вращения диска и скребком удаляют твердые продукты пиролиза в охлаждаемую емкость отбора продуктов пиролиза, в которую также подают инертный газ.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие обогреваемого корпуса, патрубков для ввода газообразных реагентов, а также отдельной камеры для проведения части технологического процесса.
Недостатком такого способа является сложность конструкции реактора и низкий выход углеродного материала с единицы его объема.
Известен способ получения углеродных наноматериалов (Патент РФ №2481889), заключающийся в том, что в реактор, снабженный нагревателем, помещают мелкодисперсный катализатор, продувают инертным газом и нагревают до температуры пиролиза, после чего производят непрерывную подачу углеродсодержащего газа и отвод газообразных продуктов пиролиза через патрубки и по окончании процесса пиролиза готовый продукт охлаждают, согласно изобретению в объеме реактора помещают катализатор в виде таблеток. При этом обеспечивается повышение производительности реактора за счет более полного использования внутреннего объема реактора. После герметизации реактора включают нагреватели и через газораспределительное устройство в полость реактора подают инертный и углеродсодержащий газы, в процессе синтеза на таблетки катализатора воздействуют акустическим активатором.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие обогреваемого реактора, патрубков для ввода газообразных реагентов, плотное размещение исходного материала - катализатора, для более полного использование объема реактора.
Недостатком такого способа является сложность конструкции реактора, низкий выход углеродного материала с единицы его объема, длительность процесса – до полной выработки загруженного катализатора, наличие дополнительных воздействий на получаемый материал и конструкцию установки в виде акустических волн.
Известен способ получения мезопористого углерода (Патент РФ №2620404) и установка для его получения, описанная в примере реализации этого способа. Согласно способу для приготовления исходного вещества в емкости из нержавеющей стали смешивали водные растворы фенолформальдегидной смолы (ФФС), углевода и водную пасту графеновых нанопластинок. Емкость закрывалась плотно прилегающей стальной крышкой, прижатой пружинами, чтобы исключить свободный воздухообмен с окружающей средой. Смесь нагревалась в сушильном шкафу со скоростью 10°С/мин с выдержкой по 4 часа при 140°С, 160°С, и 8 часов при 300°С. При этом испарялась вода, содержащаяся в исходной смеси компонентов и происходило отверждение ФФС. Полученное после термообработки вещество представляло собой твердую пористую массу. Для последующей активации эту массу дробили с помощью мельницы ударного типа до размера частиц менее 0,2 мм. Для щелочной активации карбонизированного углеродного сырья применяли стакан из углеродистой стали, снабженный крышкой с газоподводящей трубкой, через которую пропускали медленный ток аргона для изоляции реакционного пространства от атмосферы.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие обогреваемого реактора, патрубков для ввода и вывода газообразных продуктов.
Недостатком такого способа является отсутствие блока нейтрализации паров калия в ходе химической активации углеродного сырья. При этом пары металлического калия выделяются в пространство печи, где, реагируя с кислородом воздуха, образуют аэрозоль гидроксида калия, который со временем разрушает футеровку печи. Очевидно, что такое техническое решение непригодно для масштабирования от лабораторных образцов до производства.
Известны различные конструкции колпачковых тарелок, используемые для осуществления массообменных процессов для систем «жидкость-пар», описанные в источнике информации: А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. М.:Альянс.2009. С.451.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие колпачков и барботажа, как составных технологического процесса.
Недостатком рассмотренных конструкций и им подобных, направленных на совершенствование колпачков и тарелок, является необходимость применения нескольких тарелок и соответственно значительного количества колпачков для качественного осуществления технологического процесса, что значительно усложняет конструкцию и увеличивает габариты оборудования.
Наиболее близким к заявляемому изобретению реактор для активации углеродного материала (Патент РФ № 2768123), состоящий из фланцевой крышки с патрубком ввода инертного газа и корпуса с коническим днищем, внутри корпуса установлена этажерочная сборка контейнеров с активируемым углеродным материалом и активирующим реагентом (гидроксидом калия), причем, реактор снабжен камерой нейтрализации паров калия, расположенной в нижней части корпуса с подводом водяного пара по тангенциально расположенному или спиральному патрубку, и патрубком для выхода продуктов реакции, а на патрубке ввода инертного газа установлен диск-рассекатель газового потока в виде пластины с установленными на нем лопастями-турбулизаторами для равномерного распределения газового потока вдоль стенок по объему реактора.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие камеры нейтрализации паров калия, этажерочная сборка контейнеров с активируемым углеродным материалом и активирующим реагентом.
Недостатком такого способа является невозможность полной нейтрализации паров металлического калия, а также наличие застойных зон внутри корпуса, между поддонами в этажерке, обусловленная плотностью их компоновки. Очевидно, что в таком техническом решении не гарантируется безопасность реализации процесса активации углеродного материала и стабильное качество получаемого продукта.
В основу заявляемого технического решения положена задача, путем изменения конфигурации реактора, устранить недостатки реактора-прототипа.
Указанная задача достигается тем, что реактор-нейтрализатор для активации углеродного материала, состоящий из камеры активации, установленной в печи и камеры нейтрализации, включающий камеру активации с фланцевой крышкой, расположенной в верхней части камеры с патрубком вывода газообразных продуктов из реакционной зоны, с подводом в нижнюю часть камеры патрубка с инертным газом, внутри камеры установлена этажерочная сборка поддонов с активируемым углеродным материалом и активирующим реагентом (гидроксидом калия) и камеры нейтрализации имеющей патрубки ввода воды и инертного газа, а также вывода газообразных продуктов, установленную над фланцевой крышкой, вне печи, причем камера нейтрализации установлена на патрубке вывода газообразных продуктов из реакционной зоны камеры активации и ее нижняя часть заполнена водой, внутри камеры нейтрализации на патрубке вывода газообразных продуктов из реакционной зоны установлена колпачковая насадка с датчиком уровня, поддоны с активируемым углеродным материалом в камере активации установлены в этажерке с зазором на каждом уровне и имеют форму колец, причем этажерка с поддонами занимает от 2/3 до 3/4 высоты камеры активации от фланцевой крышки, трубка подачи инертного газа в камеру активации соединена с кольцевым газовым коллектором, расположенным на дне камеры на расстоянии  1/3-1/4  высоты камеры активации от этажерки, и имеющим n+1 направляющих трубок, причем четные расположены вертикально, а нечетные тангенсально изогнуты.
а
Камера активации реактора-нейтрализатора установлен в печь для равномерного нагрева.
Активируемый углеродный материал помещается в нескольких поддонах, количество которых определяется исходными размерами реактора, собранных в этажерку, для максимального использования полезного объема камеры активации. Необходимость размещения активируемого материала в этажерочной сборке из нескольких поддонов диктуется тем, что при загрузке всей реакционной смеси (активируемый углерод и гидроксид калия) в один поддон расплав гидроксида калия стекает вниз, вследствие чего реакционная смесь становится неоднородной.
Поддоны имеют форму колец и установлены с зазором на каждом уровне, что обеспечивает равномерность нагрева активируемого материала и отвода газообразных продуктов химических реакций, прежде всего паров металлического калия. Количество и размер поддонов на каждом уровне этажерки определяется исходя из размеров камеры активации.
Инертная среда в камере активации поддерживается подачей инертного газа в кольцевой газовый коллектор, расположенный на дне камеры на расстоянии 1/3 высоты камеры активации от этажерки с поддонами и имеющий n+1 направляющих трубок, причем четные расположены вертикально, а нечетные - тангенсально изогнуты, высота трубок составляет 2-3 диаметра газового коллектора, чередование вертикальных и тангенсальных трубок обеспечивает оптимальное смешивание с реакционными газами и исключает образование застойных зон.
Как вариант реализации изобретения, кольцевой газовый коллектор, расположен на дне камеры на расстоянии 1/4 высоты камеры активации от этажерки и имеет n+1 отверстие, причем четные расположены вертикально, а нечетные тангенсально.
Наличие трубок в газовом коллекторе обеспечивает большую интенсивность смешивания реакционных газов и инертного газа, а отверстий - их равномерность.
Расстояние от кольцевого газового коллектора до этажерки с поддонами равное 1/3-1/4 высоты камеры активации установлено экспериментально, применительно к конкретному исполнению кольцевого газового коллектора, как обеспечивающее формирование равномерного газового потока инертного газа для эффективного смешивания и разбавления реакционных газов.
Камера нейтрализации установлена на патрубке вывода газообразных продуктов из реакционной зоны камеры активации вне печи и ее нижняя часть заполнена водой, внутри камеры нейтрализации на патрубке вывода газообразных продуктов из реакционной зоны установлена колпачковая насадка с датчиком уровня. Газообразные продукты из реакционной зоны отводятся в колпачковую насадку, из которой барбатируют через слой воды в камеру нейтрализации, в которой поддерживается инертная среда и водяной пар. Инертная среда обеспечивается подачей инертного газа, а водяной пар - частичным испарением воды при барботаже нагретых реакционных газов.
Образующийся в результате взаимодействия пара металлического калия с водой расплав гидроксида калия остается в камере нейтрализации, а газовая смесь разбавляется инертным газом и отводится в вытяжную вентиляцию.
Возможный проскок паров калия нейтрализуется водяным паром находящимся в камере нейтрализации.
Уровень жидкости в камере нейтрализации определяется исходя из надежности барботажа, с помощью датчика уровня и исключения ее попадания в патрубок для вывода газообразных продуктов из реакционной зоны камеры активации.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в производстве серии реакторов для химической активации углеродных материалов с получением технического результата, заключающегося в повышении безопасности процесса, упрощении конструкции, повышении ее надежности и качестве получаемого продукта, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения, где на фиг.1 изображен продольный разрез реактора-нейтрализатора; на фиг.2 показан вариант расположения кольцевых поддонов с активируемым материалом на этажерке, установленных с зазором (поперечный разрез камеры активации); на фиг 3 показан вариант расположения вертикальных и тангенсально изогнутых направляющих трубок в кольцевом газовом коллекторе.
Перечень позиций указанных на чертеже.
1. камера активации;
2. фланцевая крышка;
3. печь;
4. патрубок для вывода газообразных продуктов из реакционной зоны;
5. кольцевой газовый коллектор подачи инертного газа в камеру активации;
6. трубка подачи инертного газа;
7. этажерочная сборка контейнеров с активируемым углеродным материалом;
8. камера нейтрализации;
9. колпачковая насадка;
10. датчик уровня заполнения камеры нейтрализации водой;
11. патрубок подачи воды;
12. газоотводный патрубок;
13. патрубок подачи инертного газа в камеру нейтрализации.
Реактор-нейтрализатор для активации углеродного материала содержит: камеру активации 1 с фланцевой крышкой 2, помещенную в печь 3, в фланцевой крышке 2 установлен патрубок для вывода газообразных продуктов из реакционной зоны 4, в нижней части камеры установлен кольцевой газовый коллектор подачи инертного газа в камеру активации 5, в который подается инертный газ по трубке подачи инертного газа 6. В камере активации расположена этажерочная сборка кольцевых поддонов 7 с активируемым углеродным материалом и химическим активатором (гидроксидом калия).
Над фланцевой крышкой 2, вне печи 3, на патрубке вывода газообразных продуктов из реакционной зоны 4 установлена камера нейтрализации 8, внутри которой на патрубке вывода газообразных продуктов из реакционной зоны4 установлена колпачковая насадка 9 с датчиком уровня заполнения камеры нейтрализации водой 10. Камера нейтрализации 8 имеет патрубок подачи воды 11 и газоотводный патрубок 12, установленные в ее верхней части, а также патрубок подачи инертного газа в камеру нейтрализации 13 установленный сбоку камеры.
Реактор-нейтрализатор для активации углеродного материала работает следующим образом. В камеру активации 1 загружается этажерочная сборка кольцевых поддонов 7 с активируемым углеродным материалом и гидроксидом калия в заданном количестве. Камера активации 1 закрывается фланцевой крышкой 2, включается нагрев печи 3, одновременно через трубку подачи инертного газа 6 внутрь реактора посредством кольцевого газового коллектора подачи инертного газа в камеру активации 5 подается инертный газ, поток которого равномерно закручивается и заполняет внутренний объем камеры активации 1 за счет чего происходит интенсификация его смешивания с газообразными продуктами химической реакции с исключением образования застойных зон. Газообразные продукты из реакционной зоны камеры активации 1 отводятся по патрубку для вывода газообразных продуктов из реакционной зоны 4 в колпачковую насадку 9 камеры нейтрализации 8, из которой, барбатируют через слой воды, заполняющий нижнюю часть камеры. В камере нейтрализации 8 поддерживается инертная среда и водяной пар. Инертная среда обеспечивается подачей инертного газа по патрубку подачи инертного газа в камеру нейтрализации 13, а водяной пар - частичным испарением воды при барботаже нагретых реакционных газов.
Уровень жидкости в камере нейтрализации контролируется датчиком уровня заполнения камеры нейтрализации водой 10. Образующийся в результате взаимодействия пара металлического калия с водой расплав гидроксида калия остается в камере нейтрализации 8, а газовая смесь разбавляется инертным газом и отводится в вытяжную вентиляцию газоотводным патрубком 12.
Уровень воды в камере нейтрализации определяется исходя из надежности барботажа и исключения ее попадания в патрубок для вывода газообразных продуктов 4 из реакционной зоны камеры активации 1. Возможный проскок паров калия нейтрализуется водяным паром находящимся в камере нейтрализации 8.
Предлагаемое устройство для активации углеродных материалов обладает простотой конструкции, возможностью масштабирования, повышенной безопасностью, надежностью и производительностью.
Что касается основных технологических параметров - исходного сырья, температурных режимов и временных интервалов то они не являются заявляемыми признаками в настоящем изобретении, потому что могут быть выбраны исходя из уровня техники.