УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ РАСЩЕПЛЕННОГО ГРАФИТА

Полезная модель относится к области получения термически расщепленного графита (ТРГ) и может найти применение в производстве этого материала, применяемого в черной и цветной металлургии, выпуске полупроводниковых кристаллов, атомной, авиационной, автомобильной, судостроительной и химической промышленности, а также для зашиты поверхностей от разливов нефтепродуктов.
Известно устройство для получения ТРГ (Фиалков А.С., Малей Л.С. Некоторые аспекты технологии изготовления расширенного графита. В сб.: Электроугольные и металлокерамические изделия для электротехники. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 65-72) [1], содержащее приспособление для подачи исходного графитового материала и удаления готового продукта и камеру термообработки с нагревателем, осуществляющим прямой нагрев ленты-носителя с обрабатываемым материалом. Недостатками известного устройства являются низкая производительность (менее 0,2 кг/час), быстрый выход оборудования из строя и неоднородность готового продукта.
Известна установка для получения пенографита (ТРГ по используемой нами терминологии) (патент РФ №2102315, МПК СО1В 31/04, опубл. 20.01.1998) [2], включающая последовательно установленные и соединенные средства для подачи окисленного графита, смеситель окисленного графита с газом-носителем, нагревательную камеру с нагревательными элементами, промежуточную камеру разрежения и накопитель ТРГ.
Выше приведенное устройство наиболее близко по технической сущности к заявляемому устройству, поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатками устройства [2] являются горизонтальное размещение нагревательных элементов (труб), что требует использования смесителя окисленного графита с газом-носителем, а также промежуточной камеры разрежения. В описании к патенту [2] указано число нагревательных элементов от 1 до 5-7. В предположении, что источником электропитания устройства является трехфазная система, желательно, чтобы число нагревателей было равным или кратным числу 3. В противном случае неизбежен сдвиг фаз источника питания с утечкой паразитного тока через нулевой проводник, что неприемлемо при использовании относительно маломощного (тем более при мобильном исполнении устройства) генератора энергии. Также в описании предложена транспортерная схема подачи порошка окисленного графита к блоку расщепления, что в условиях наличия сильных газовых потоков внутри устройства может приводить к сдуванию порошка с ленты транспортера, попаданию его на токоведущие части и снижению технической безопасности. Использование промежуточной камеры разрежения связано с горизонтальной компоновкой нагревательных элементов, поскольку без искусственно созданного разрежения ТРГ не будет поступать в накопитель.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в упрощении конструкции известного устройства и снижении удельного расхода электроэнергии.
Для достижения указанного технического результата в известном устройстве для получения ТРГ, включающем последовательно установленные и соединенные средства для подачи окисленного графита, смеситель окисленного графита с газом-носителем, нагревательную камеру с нагревательными элементами, промежуточную камеру разрежения и накопитель пенографита (ТРГ), блок подачи исходного графита выполнен в виде трех параллельных шнековых питателей в горизонтальной плоскости с общим приводом вращения, а блок расщепления выполнен на основе трех вертикально размещенных труб-реакторов из силицированной углеткани, причем каждая из них подключена к источнику трехфазного напряжения по схеме 0-фаза.
Упрощение конструкции известного устройства состоит в том, что из его состава исключены смеситель окисленного графита с газом-носителем и промежуточная камера между блоком расщепления и накопителем (приемным бункером). Порошок окисленного графита поступает из шнековых питателей в трубчатые нагреватели в восходящем потоке воздуха и использование смесителя не требуется. После расщепления чешуйки ТРГ поступают в приемный бункер по трем трубопроводам без использования отдельной камеры разрежения. Снижение удельного расхода электроэнергии по сравнению с известным устройством составляет 17-20% и обеспечивается тем, что средняя по длине нагревателя температура ниже, чем в нагревателе известного устройства. Высокое качество ТРГ обеспечивается значительным градиентом температуры и, соответственно, темпом нагрева. Обеспечивается также некоторое повышение технической безопасности по сравнению с устройством [2], что обусловлено использованием закрытых от внешней среды шнековых питателей порошка окисленного графита в отличие от транспортерной ленты, применяемой в прототипе. Опыт эксплуатации оборудования для термического расщепления графита показывает, что попадание частиц токопроводящего порошка на токоведущие элементы установки может приводить к коротким замыканиям и создавать опасность для обслуживающего персонала.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше и наиболее близкого к нему являются исполнение блока подачи исходного порошка окисленного графита в виде трех параллельных шнековых питателей в горизонтальной плоскости с общим приводом вращения, блока расщепления в виде трех вертикальных труб-реакторов, изготовленных из композиционного материала на основе силицированной углеткани и подключенных к источнику трехфазного электропитания по схеме 0-фаза.
Благодаря наличию этих признаков существенно упрощается конструкция устройства. Блок шнековых питателей в отличие от используемого в устройстве-прототипе транспортерного питателя исполняется закрытым от внешней среды, что исключает возможное попадание порошка графита на токоведущие части элементов устройства. Выполнение блока расщепления в виде трех вертикально установленных труб-реакторов позволяет обеспечить восходящие потоки воздуха (газа-носителя) снизу вверх по каждой из труб, что не требует использования смесителя окисленного графита с газом-носителем и промежуточной камеры разрежения. Чешуйки ТРГ поднимаются вверх за счет парусного эффекта и поступают при охлаждении в приемный бункер. Нагреватели на основе силицированной углеткани обеспечивают эффективное расщепление окисленного графита при температуре 1150°С в их средней части в отличие от традиционно используемых нагревателей из хромита лантана: 1350-1500°С. Это связано с полупроводниковым типом проводимости материала, обеспечивающим значительный знакопеременный градиент температуры (положительный от нижнего торца до геометрического центра и отрицательный от центра до верхнего торца трубы-реактора) по ее высоте. Градиент температуры усиливается также за счет применения водоохлаждаемых медных токоподводов, закрепленных на торцевых участках каждой из труб-реакторов. Медь выбрана в качестве материала токоподоводов как из-за высокой теплопроводности, так и в связи с тем, что не образует карбидов при контакте с нагретыми углеродосодержащими материалами.
Термическое расщепление графита является чисто физическим процессом, для успешной реализации которого темп нагрева важнее средней температуры. По проведенным расчетно-экспериментальным оценкам темп нагрева при реально используемых расходах газа-носителя достигает в нагревателях предлагаемого устройства 2500°С/с. Снижение удельного расхода электроэнергии достигается как за счет снижения средней по длине температуры каждой из труб-реакторов, так и за счет использования схемы их взаимного соединения. Три идентичные трубы-реактора, включенные по схеме 0-фаза, создают условия согласования с трехфазным генератором (минимальный сдвиг по фазе, что особенно важно в случае использования маломощных автономных дизель-генераторов при необходимости изготовления устройства в мобильном исполнении). Использованная схема не исключает возможности плавного регулирования температуры каждой из трех труб-реакторов по отдельности, что обеспечивается тиристорными регуляторами напряжения, установленными на фазных шинах понижающих трансформаторов блока питания.
Предлагаемое устройство иллюстрируется принципиальной схемой Фиг. 1.
Пульт управления 1 включает органы управления и приборы контроля режима работы устройства. Пульт оборудован тремя термопарами, подающими сигнал на регуляторы температуры. Блок расщепления 2 содержит три трубы-реактора 3, вертикально установленные в блоке из огнеупорного кирпича, окруженного водоохлаждаемым металлическим кожухом (на схеме не показан). Для подачи электрического напряжения питания к торцевым участкам труб-реакторов 3 используются медные водоохлаждаемые токоподводы 4. Поступающий в восходящем потоке воздуха в полости нагревателей 3 ТРГ по трем трубопроводам 5 оседает в приемном бункере 6. Для обеспечения водяного охлаждения труб-реакторов устройства применена балластная емкость 7 с водой (тосолом для эксплуатации устройства в мобильном исполнении в зимних условиях), из которой через клапан 8 посредством насоса 9 осуществляется циркуляция охлаждающей жидкости. Силовой блок трехфазного питания 10 содержит три понижающих печных трансформатора и три группы тиристоров с предохранителями и RC-фильтрами. В нижней части блока расщепления 2 размещен центробежный вентилятор 11 для подачи воздуха. Непрерывная подача исходного окисленного графита осуществляется блоком 12 из трех параллельных шнековых питателей, приводимых во вращение через редуктор 13 электродвигателем 14. Порошок окисленного графита периодически добавляется оператором в питающий бункер 15. Для плавного регулирования расхода воздуха используются три шаровых вентиля 16.
Экспериментально измеренное распределение температуры стенки отдельного нагревателя без подачи газа-носителя и с максимальным его расходом приведено на Фиг. 2. Нагреватель обеспечивает высокие значения градиента температуры, что означает также высокий темп нагрева окисленного графита при относительно низкой средней температуре и, следовательно, потребляемой мощности.
Устройство работает следующим образом.
После включения насоса 9 и обеспечения циркуляцией устройства охлаждающей водой на трубах-реакторах 3 подают электрическое напряжение вплоть до получения сигнала каждой из термопар, подтверждающего достижение температуры 1150°С. Затем открывают шаровые краны 16 и включают центробежный вентилятор 11. В питающий бункер 15 насыпают приблизительно 2 кг порошка окисленного графита и включают привод вращения блока шнековых питателей 12. По мере заполнения ТРГ приемного бункера 6 (контролируется через прозрачные окна с подсветкой) проводят периодическую добавку порошка окисленного графита в бункер 15. После полного заполнения бункера 6 проводят разгрузку его содержимого в упаковочную тару без выключения устройства и продолжают технологический процесс. Выключение устройства по завершении процесса проводят в обратном порядке. В связи с неизбежным выделением паров кислотных остатков из окисленного графита устройство необходимо оснастить автономной системой вытяжной вентиляции, включающей скруббер для их нейтрализации.