Патент на изобретение №2310023

(54) РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПИРОЛИЗОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии получения волокнистых углеродных материалов методом пиролиза ароматических и неароматических углеводородов. Технический результат – повышение выхода продукта и повышение его качества. Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом содержит корпус, в котором установлены нагреватели, в верхней части расположен узел подачи катализатора, а в нижней – сборник готового продукта и трубопровод подачи углеводородного газа, причем реактор снабжен соединенной с узлом подачи катализатора камерой-осадителем, установленной над соединенным с приводом вращения и взаимодействующим с неподвижным скребком диском. Под диском установлен сборник готового продукта. Нагреватели расположены над и под вращающимся диском, а в верхней части корпуса и камеры-осадителя расположены патрубки отбора продуктов пиролиза. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технологии 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 углеродосодержащего 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 2184819, МПК D01F 9/22, D01F 9/32 от 1.07.1987 года).

Недостатком такого устройства является низкая производительность процесса карбонизации, связанная с 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 материалы 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 корпусе, 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.

Недостатками такого устройства являются 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 перспективными 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 изобретения является повышение выхода продукта и повышение его качества.

Задача решается тем, что в реакторе для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом, содержащем корпус, в котором установлены нагреватели, в верхней части расположен узел подачи катализатора, а в нижней – сборник готового продукта и трубопровод подачи углеводородного газа, причем реактор снабжен соединенной с узлом подачи катализатора камерой-осадителем, установленной над соединенным с приводом вращения и взаимодействующим с неподвижным скребком диском, под которым установлена емкость готового продукта, и нагревателями, расположенными над и под вращающимся диском, а в верхней части корпуса и камеры-осадителя расположены патрубки отбора продуктов пиролиза. Узел подачи катализатора выполнен в виде дозатора, соединенного через распылитель с линией подачи газа, снабженной нагревателем. Сборник готового продукта соединен с линией подачи инертного газа. Вращающийся диск снабжен установленными на его нижней поверхности лопастями. Камера-осадитель выполнена в виде перевернутого стакана с сечением в форме сектора. Емкость готового продукта закреплена на соединенной с корпусом цилиндрической обечайке.

Снабжение реактора соединенной с узлом подачи катализатора камерой-осадителем, установленной над соединенным с приводом вращения и взаимодействующим с неподвижным скребком диском, под которым установлена емкость готового продукта, и нагревателями, расположенными над и под вращающимся диском, а в верхней части корпуса и камеры-осадителя расположены патрубки отбора продуктов пиролиза, обеспечивает достижение необходимой эффективности процесса пиролиза. Это достигается равномерностью нагрева газа и катализатора в реакторе за счет равномерного контакта пылевидного катализатора с углеводородным газом. Этому также способствует обеспечение равномерности слоя катализатора на вращающемся диске, достигаемого путем осаждения в камере-осадителе за счет регулирования скорости подачи дозатора и подачи газа в распылитель, а также путем регулирования зазора между нижним торцом камеры-осадителя и верхней поверхностью вращающегося диска. Такое конструктивное выполнение реактора исключает термическое разложение готового продукта и ухудшение свойств из-за отложения на синтезированном продукте продуктов пиролиза. За счет перечисленных конструктивных особенностей достигается повышение выхода продукта и повышение его качества.

Выполнение узла подачи катализатора в виде дозатора, соединенного через распылитель, соединенный с линией подачи газа, снабженной нагревателем, обеспечивает повышение выхода продукта и повышение его качества за счет обеспечения равномерности распределения катализатора во всем объеме камеры-осадителе путем регулирования скорости подачи дозатора и расхода газа, подаваемого в распылитель, а также за счет предварительного подогрева катализатора до рабочей температуры за счет контакта с газом, подаваемым на распыление.

Соединение сборника готового продукта с линией подачи инертного газа обеспечивает выведение готового продукта из зоны интенсивного нагрева и исключение контакта горячего продукта с кислородом воздуха, что обеспечивает повышение выхода продукта и повышение его качества за счет исключения окисления продукта атмосферным кислородом.

Снабжение вращающегося диска установленными на его нижней поверхности лопастями обеспечивает возможность сокращения продолжительности продувки инертным газом полости реактора от содержащегося в атмосферном воздухе кислорода, который может образовывать в контакте с углеводородным газом взрывоопасную смесь, а в малых количествах – окислять готовый продукт, ухудшая качество продукта.

Выполнение камеры-осадителя в виде перевернутого стакана с сечением в форме сектора обеспечивает равномерность распределения осаждающегося катализатора на вращающемся диске, тем самым достигается повышение выхода продукта и повышение его качества.

Закрепление емкости готового продукта на соединенной с корпусом цилиндрической обечайке обеспечивает выведение готового продукта из зоны нагрева и исключение контакта с атмосферным воздухом, что также обеспечивает повышение выхода продукта и повышение его качества.

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 показаны взаимное расположение вращающегося диска, камеры-осадителя, скребка и емкости готового продукта; на фиг.3 показано сечение по Б-Б с расположением нагревательных элементов и на фиг.4 показан общий вид устройства с лопастями на вращающемся диске.

Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом содержит корпус, выполненный в виде смонтированного на раме 1 основания 2 и крышки 3. На крышке 3 смонтирован узел подачи катализатора в виде дозатора 4 и распылителя 5, сообщающегося трубопроводом 6 с линией подачи нейтрального газа – аргона, а трубопроводом 7 – с камерой-осадителем 8. Камера-осадитель 8 выполнена в виде перевернутого стакана с сечением в форме сектора и установлена в крышке 3 над соединенным с содержащим электродвигатель, муфты и редуктор приводом вращения 9 и взаимодействующим с неподвижным скребком 10 вращающимся диском 11, смонтированным на основании 2. В основании 2 выполнено отверстие, соединенное с цилиндрической обечайкой 12, в свою очередь соединенной разъемом со сборником 13 готового продукта. На внутренних поверхностях основания 2 и крышки 3 закреплены нагреватели 14, расположенные над и под вращающимся диском 11. Основание 2 снабжено расположенным под вращающимся диском 11 патрубком 15 подачи углеводородного газа – метана. На крышке 3 и камере-осадителе 11 расположены патрубки 16 и 17 отвода газообразных продуктов пиролиза. Сборник готового продукта 13 соединен с линией подачи инертного газа 18. В линии подачи инертного газа 6 установлен нагреватель 19. На фиг.4 показан вариант выполнения вращающегося диска 11 с лопастями 20, расположенными на его нижней поверхности. На фиг.1 и 2 показан слой катализатора и продукта 21, находящийся на вращающемся диске 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

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 линию подачи инертного газа 18 в сборник готового продукта 13 подается аргон, который вытесняет атмосферный воздух из полости реактора через патрубки 16 и 17. Для ускорения вытеснения воздуха может включаться привод вращения диска 11. Это особенно эффективно при установке на диске 11 лопастей 20, так как обеспечивается эффективное перемешивание газовой среды, обеспечивая снижение концентрации кислорода до безопасной величины. Через трубопровод 6 и трубопровод 7 в камеру-осадитель 8 подается аргон и при включенном дозаторе 4 через распылитель 5 в полость камеры-осадителя 8 подается катализатор в пылевидной форме. При вращении диска 11 приводом 9 на диск оседает ровным слоем катализатор 21. В обескислороженную полость реактора, образованную смонтированным на раме 1 основанием 2 и крышкой 3, при включенных нагревателях 14 через патрубок 15 подается метан, который нагревается нагревателями 14 и взаимодействует со слоем катализатора на верхней поверхности вращающегося диска 11. Одновременно с этим из полости реактора вытесняется аргон через патрубки 16 и 17. При взаимодействии метана с катализатором на поверхности частиц катализатора образуется продукт, этот процесс продолжается до прекращения работы катализатора и тогда включается привод вращения диска 11. При вращении диска 11 скребком 10 продукт направляется через цилиндрическую обечайку 12 в сборник 13 готового продукта. Для исключения изменения свойств продукта в обечайку 12 по линии инертного газа 18 подается аргон. Не прореагировавший с катализатором газ вместе с продуктами пиролиза отводится через патрубки 17 и 18 как в процессе пиролиза, так и при окончании работы. После этого отключается привод вращения диска 11 и процесс повторяется. В конце работы после охлаждения продукта сборник 13 отсоединяется от цилиндрической обечайки 12 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.

Формула изобретения

1. Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом, содержащий корпус, в котором установлены нагреватели, в верхней части расположен узел подачи катализатора, а в нижней – сборник готового продукта и трубопровод подачи углеводородного газа, отличающийся тем, что реактор снабжен соединенной с узлом подачи катализатора камерой-осадителем, установленной над соединенным с приводом вращения и взаимодействующим с неподвижным скребком диском, под которым установлен сборник готового продукта, и нагревателями, расположенными над и под вращающимся диском, а в верхней части корпуса и камеры-осадителя расположены патрубки отбора продуктов пиролиза.

2. Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом по п.1, отличающийся тем, что узел подачи катализатора выполнен в виде дозатора, соединенного через распылитель с линией подачи газа, снабженной нагревателем.

3. Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом по п.1, отличающийся тем, что сборник готового продукта соединен с линией подачи инертного газа.

4. Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом по п.1, отличающийся тем, что вращающийся диск снабжен установленными на его нижней поверхности лопастями.

5. Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом по п.1, отличающийся тем, что камера-осадитель выполнена в виде перевернутого стакана с сечением в форме сектора.

6. Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом по п.1, отличающийся тем, что сборник готового продукта закреплен на соединенной с корпусом цилиндрической обечайке.

РИСУНКИ