УСТАНОВКА ДЛЯ ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Решение относится к технологическому оборудованию для получения синтез-газа из углеводородсодержащего сырья.
Известно устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа (метана), в котором используется плазменный катализ процесса диссоциации в импульсно-периодическом СВЧ (микроволновом) разряде (А.И.Бабарицкий и др. Импульсно-периодический СВЧ-разряд как катализатор химической реакции. ЖТФ. 2000, т.70, вып.11. С.36-41).
Устройство содержит плазмокаталитический реактор, выполненный в виде цилиндрической металлической камеры с входом углеводородного газа и выходом водорода и углерода, расположенными на противоположных концах цилиндра. Корпус одновременно служит резонатором цилиндрического сверхвысокочастотного волновода. На расстоянии четверти длины волны от «выходного» конца реактора, ортогонально оси реактора из его стенки установлена вольфрамовая игла.
Недостатки известного устройства - наличие отдельного источника предварительного подогрева газа, неизбежные потери тепла и низкий (относительно потребительских нужд) процентный выход углерода.
Известно также устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа (RU 2317943, С01В 3/26, 2006), где предложено для получения углерода и водорода осуществлять предварительный нагрев и последующее разложение углеводородного газа воздействием сверхвысокочастотного электромагнитного поля с выделением и сепарацией углерода и водорода. Предварительный нагрев углеводородного газа осуществляют действием энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля в тепловой зоне проточного реактора протяженной формы, равномерно заполненной газопроницаемым электропроводящим веществом - инициатором, выбранным из группы: титан, никель, никелид титана, никелид алюминия, молибден.
Недостатком данного устройства является то, что источником получения углерода может быть только углеводородный газ, что резко ограничивает производительность установки.
В качестве прототипа принята установка для получения пироуглерода (RU №90770, С01В 31/02, 2008), включающая реактор, где тигель с жидким теплоносителем помещен в герметичный корпус со средствами обогрева, в тигель опущена керамическая трубка для подачи исходного газа, систему отвода продуктов реакции, систему автоматического управления процессом. В качестве углеродсодержащего вещества используют газ-углеводород, разлагаемый на углерод и водород. Отвод продуктов реакции осуществлен через боковую стенку в накопитель и окружающую среду через гидрозатвор. Осуществляется автоматический контроль температуры и состава отходящих газов.
Основным недостатком прототипа является возможность работы в данном цикле только с одним исходным веществом (газом-углеводородом или измельченной древесиной или торфом), отсутствие возможности смешивания исходных компонентов. При боковом отводе продуктов реакции не обеспечивается их полное удаление из реактора.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решается задача создания автоматизированной установки для получения синтез-газа (этилена, ацетилена, водорода) из углеводородсодержащего сырья.
Технический результат - возможность использования смеси исходных газов при их дозированной подаче и полном регулируемом отведении конечных продуктов
Этот технический результат достигается тем, что в установке для пиролиза углеводородсодержащего сырья, включающей реактор, где тигель с жидким теплоносителем помещен в герметичный корпус со средствами обогрева, в тигель опущена керамическая трубка для подачи исходного газа, систему отвода продуктов реакции, систему автоматического управления процессом, подача исходных газов к керамической трубке, а также продувочного газа осуществлена через газораспределительный щит и сверхзвуковой смеситель в электронный измеритель объемного расхода, причем линия подачи продувочного газа выполнена с возможностью переключения на смеситель, на керамическую трубку или на герметичный корпус и на линию отвода продуктов реакции, отвод которых осуществлен через крышку тигля, охладитель - конденсатор жидких фракций, второй электронный измеритель объемного расхода, между последними установлены пробоотборники продуктов с жидкостными затворами.
Газораспределительный щит, электронный измеритель объемного расхода и сверхзвуковой смеситель обеспечивают дозированную подачу газов и их интенсивное перемешивание. Линия подачи продувочного газа позволяет менять направление его подачи в различные системы и узлы установки. Отвод продуктов реакции через крышку тигля и указанные элементы обеспечивает полное регулируемое их отведение.
Схема установки пиролиза приведена на чертеже. Она включает:
1 - баллон с продувочным газом - аргоном;
2
2 - баллон с углекислым газом (СO);
4
3 - баллон с метаном (СН);
4 - вводный газораспределительный щит с вторичной запорной арматурой;
5 - сверхзвуковой смеситель;
6 - электронный манометр с выходом на АСУ;
7 - электронный измеритель объемного расхода с выходом на АСУ;
8 - газовый пробоотборник исходной смеси с жидкостным затвором;
9 - управляемый дифференциальный редуктор;
10 - блок управления нагревом реактора и поддержанием температуры;
11 - корпус печи с теплоизоляцией;
12 - крышка реактора с теплоизоляцией;
13 - внутренний герметичный объем реактора, заполненный инертным газом;
14 - нагреватели;
15 - корпус тигля с расплавом меди;
16 - крышка тигля;
17 - устройства подачи сырья и барботажа;
18 - устройство отвода продуктов реакции;
19 - охладитель-конденсатор жидких фракций (заполнен сухим льдом, имеет кювету жидкостного пробоотбора);
20 - пробоотборники продуктов с жидкостным затвором.
Подача исходных газов к керамической трубке, а также продувочного газа осуществлена через газораспределительный щит 4 в сверхзвуковой смеситель 5 и электронный измеритель 7 объемного расхода, причем линия подачи продувочного газа выполнена с возможностью переключения на смеситель 5, на керамическую трубку - устройство 17 или на герметичный корпус 11 и на линию отвода продуктов реакции, отвод которых осуществлен через крышку 16 тигля, охладитель - конденсатор 19 жидких фракций, второй электронный измеритель 7, объемного расхода, между последними установлены пробоотборники 20 продуктов с жидкостными затворами.
Нагрев тигля 15 осуществляется нагревателями 14 и регулируется от блока 10 управления нагревом.
Газы хранятся в стандартных 50-литровых баллонах 1, 2, 3, оснащенных вентилями и ручными редукторами с манометрами на стороне высокого и низкого давления. Баллоны хранятся в полуоткрытом, надежно закрывающемся металлическом шкафу на улице (на схеме не показан).
Установка работает следующим образом. После редуцирования газы по трубкам из нержавеющей стали подаются в помещение с реактором пиролиза на газораспределительный щит 4, оснащенный вторичными клапанами и манометрами. Все дальнейшие газовые коммуникации прокладываются от щита 4.
4
2
После продувки системы аргоном рабочие газы, например, метан и углекислый газ (СН и СO) подаются под давлением 5-10 атм. в сверхзвуковой смеситель 5, обеспечивающий постоянный расход рабочих газов, не зависящий от рабочего давления (1-2 атм.) в смесителе. Рабочее давление в смесителе контролируется электронным манометром 6 с непрерывной фиксацией показаний в АСУ. Далее рабочая смесь через электронный измеритель объемного расхода 7 подается в тигель 15 через устройство подачи сырья 17 - керамическую трубку - в зону барботажа 17, которая в том числе имеет оптический канал для пирометрического измерения температуры дна. Продукты реакции выделяются под крышку 16 тигля 15 и газообразная их часть выводится через устройство 18. Газообразные продукты, состоящие из этилена, ацетилена и водорода, могут содержать некоторое количество жидких фракций в парообразном состоянии. Для их улавливания в системе применяется охлаждаемый сухим льдом охладитель-конденсатор 19 с кюветой. Сконденсировавшиеся жидкие фракции копятся в кювете, затем растворяются в соответствующем растворителе и могут быть подвергнуты хромотографическому анализу. Очищенный таким образом от тяжелых фракций газ проходит на выхлоп под небольшим избыточным давлением, определяемым сопротивлением отводящих труб. По пути установлены газовые пробоотборники 20 с жидкостным затвором, которые представляют собой вертикальную стеклянную колбу с двумя кранами, наполненную водой. При открытии обоих кранов вода под действием силы тяжести и небольшого избыточного давления газа вытекает и колба заполняется газом. Краны закрываются и газовые пробы, заключенные в колбах, могут транспортироваться для проведения хроматографического анализа. Аналогичным образом устроен газовый пробоотборник 8 для определения точного состава исходного газа, установленный в байпасе с дополнительным понижающим редуктором. На выходе рабочего потока установлен измеритель объемного расхода (ИОР2) 7, который необходим для грубого подведения массового баланса.
Кроме рабочих газов, в установке используется также инертный газ аргон выполняющий роль защитного (буферного). Для исключения образования горючих смесей с воздухом в магистралях и в реакторе их необходимо перед проведением процесса заполнить продувочным (буферным) газом. Для этого имеется возможность подать аргон напрямую в сверхзвуковой смеситель 5, а также дозировано продувать рабочий объем печи 13 по продувочным магистралям при помощи регулируемого дифференциального редуктора 9. Он поддерживает небольшое избыточное давление продувочного газа внутри объема реактора 13, опираясь на давление в выхлопном тракте.. Излишки продувочного газа вытекают через продувочный выходной канал на выхлоп.
Предлагаемая схема обеспечивает безопасную эксплуатацию установки пиролиза, дозированную подачу реагентов (метана и углекислого газа) в реактор, отвод продуктов, взятие проб, продувку магистралей и реактора инертным газом.
Установка может быть использована для получения этилена/ацетилена, водорода и технического углерода, пиролиза органических отходов с получением синтез-газа.