РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПИРОЛИЗОМ

Полезная модель относится к оборудованию для 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 углеводородосодержащего 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. бюлл. №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 материала и газовые затворы, причем корпус печи образован соосно расположенным набором 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 корпуса, 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 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 является увеличение выхода продукта, повышение его качества и повышение производительности реактора.
Задача решается тем, что в реакторе для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом, содержащем соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа корпус, в котором установлены нагреватели, в нижней части которого расположен сборник готового продукта, причем корпус выполнен в виде основания и крышки, на основании смонтирован сборник готового продукта, выполненный в виде соединенной с вращающейся опорой тарелки со слоем катализатора, на внутренней поверхности крышки установлены соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа конический раструб и закреплена опора, на которой установлены взаимодействующие с верхней поверхностью тарелки перемешивающие катализатор устройства.
Перемешивающие устройства выполнены в виде пластин, установленных на противоположных относительно центра частях опоры под углом друг к другу.
Перемешивающее устройство выполнено в виде вертикальных стержней, установленных на опоре с возможностью осевого перемещения.
Стержни установлены на опоре, закрепленной на крышке в диаметральной плоскости.
Стержни, установленные на противоположных относительно центра частях опоры, смещены на половину расстояния между ними.
Выполнение корпуса в виде основания и крышки, причем на основании смонтирован сборник готового продукта, выполненный в виде соединенной с вращающейся опорой тарелки со слоем катализатора, установка на внутренней поверхности крышки соединенного с трубопроводом подачи углеводородного газа конического раструба и закрепление опоры, на которой установлены взаимодействующие с верхней поверхностью тарелки перемешивающие катализатор устройства, обеспечивает повышение производительности реактора за счет увеличения количества катализатора, одновременно участвующего в процессе синтеза волокнистых углеродных материалов. Практически в предлагаемом реакторе на тарелке может быть в несколько раз больше катализатора, чем в известных устройствах. Полнота отработки катализатора обеспечивается эффективностью работы перемешивающего устройства, так как синтез происходит только в поверхностном слое катализатора, взаимодействующем с углеводородным газом. Использование конического раструба позволяет
подводить к поверхностному слою катализатора свежие порции углеводородного газа, выводя за пределы конического раструба отработанный углеводородный газ. Процесс пиролиза за счет перемешивания катализатора идет практически во всем его объеме, что обеспечивает также увеличение выхода продукта и повышение его качества.
Выполнение перемешивающих устройств в виде пластин, установленных на противоположных относительно центра частях опоры под углом друг к другу, обеспечивает эффективное перемешивание катализатора при вращении тарелки. Слои катализатора из нижних слоев переходят на поверхность и контактируют с углеводородным газом, отработанный катализатор переходит в нижние слои. Кроме того, катализатор на тарелке перемещается в радиальном направлении, совершая возвратно-поступательное перемещение при взаимодействии с пластинами. За счет этого происходит отработка всего катализатора. Кроме этого непрерывно происходит выравнивание температуры катализатора во всем объеме, что обеспечивает увеличение выхода продукта, повышение его качества и повышение производительности реактора.
Выполнение перемешивающих устройств в виде вертикальных стержней, установленных на опоре с возможностью осевого перемещения, обеспечивает создание рифлений (концентрично расположенных канавок) на поверхности катализатора. Это позволяет увеличить площадь катализатора,
одновременно взаимодействующего с углеводородным газом, что обеспечивает повышение производительности реактора. За счет возможности осевого перемещения стержней компенсируется возможная неплоскостность тарелки, возникающая за счет интенсивного нагрева и периодического охлаждения. Одновременно исключается истирание получаемого продукта, которое может происходить при чрезмерном прижиме торцов стержней к поверхности тарелки. Это обеспечивает повышение качества и увеличение выхода продукта.
Установка стержней на опоре, закрепленной на крышке в диаметральной плоскости, обеспечивает равномерность размещения рифлений на всей поверхности катализатора, это обеспечивает повышение качества продукта.
Смещение стержней, установленных на противоположных относительно центра частях опоры на половину расстояния между ними, обеспечивает интенсивное перемешивание катализатора за счет удаления одних рифлений с отработанным катализатором и образования новых рифлений, образованных стержнями второй половины опоры при взаимодействии стержней с поверхностью вращающейся тарелки. Это обеспечивает увеличение выхода продукта и повышение производительности реактора.
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 показано взаимное расположение перемешивающих пластин; на фиг.3 показан вариант реактора с перемешивающим устройством в виде стержней; на фиг.4 показано сечение реактора, показанного на фиг.3 по Б-Б; и на фиг.5 показано сечение по В-В.
Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом содержит корпус, выполненный в виде теплоизолированных основания 1 и крышки 2. На основании 1 установлены нагреватели 3 типа ЛАНТЕРМ. На основании смонтирован сборник готового продукта, выполненный в виде соединенной с вращающейся опорой 4 тарелки 5 со слоем катализатора 6. На внутренней поверхности крышки 2 установлены соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа 7 конический раструб 8 и закреплена опора 9, на которой установлены взаимодействующие с верхней поверхностью тарелки 5 перемешивающие катализатор 6 устройства в виде пластин 10, как показано на фиг.1, либо стержней 11, как показано на фиг.3. Перемешивающие устройства, выполненные в виде пластин 10, установленных на противоположных относительно центра частях опоры 9, развернуты под углом друг к другу, как показано на фиг.2. Перемешивающее устройство, выполненное в виде вертикальных стержней 11, установлено на опоре 9 с возможностью осевого
перемещения, как показано на фиг.5. Опора 9 закреплена на крышке 2 в диаметральной плоскости. Стержни 11, установленные на противоположных относительно центра частях опоры 9, смещены на половину расстояния между ними, как показано на фиг.4. Основание 1 установлено на раме 12, на которой также установлены электродвигатель 13 и редуктор 14 привода вращения опоры 4, которое передается через вал 15. Соединение опоры 4 с тарелкой 5 осуществляется через замок 16 в виде проточки с радиальным выступом на опоре 4, входящим в радиальный паз тарелки 5. Крышка 2 снабжена патрубком 17 отвода отработанного углеводородного газа, расположенным с внешней стороны раструба 8. Раструб 8 закреплен в крышке 2 с помощью перфорированного кольца 18.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В тарелку 5 помещается катализатор, тарелка устанавливается в замок 16 реактора. 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 патрубок подачи углеводородного газа 7 в полость конического раструба 8 подается аргон, который вытесняет из полости реактора атмосферный воздух, который выходит через патрубок 17. В обескислороженную полость реактора, образованную смонтированным на раме 12 основанием 1 и крышкой 2, при включенных нагревателях 3 через
патрубок 7 подается пропан-бутановая смесь, которая нагревается нагревателями 3 и взаимодействует со слоем катализатора 6 на верхней поверхности вращающегося диска 5. Одновременно с этим из полости реактора вытесняется аргон через патрубок 17. При взаимодействии пропан-бутана с катализатором, на поверхности частиц катализатора образуется продукт, этот процесс продолжается до прекращения работы катализатора, и тогда прекращается подача пропан-бутановой смеси, через патрубок 7 подается аргон и выключаются нагреватели 3. Не прореагировавший с катализатором газ вместе с продуктами пиролиза отводится через патрубок 17 как в процессе пиролиза, так и при окончании работы. Во время процесса пиролиза диск 5 вращается, что позволяет установленным на опоре 9 вертикальным пластинам (фиг.1) либо стержням (фиг.3) перемешивать слой катализатора 6, что увеличивает производительность реактора. После охлаждения продукта крышка 2 отсоединяется от основания 1 и тарелка 5 снимается с опоры 4 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.