Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА

Изобретение относится к производству углеродных материалов и может быть использовано в производстве технического углерода.

Известна установка для получения технического углерода (сажи) по патенту США №3328131, недостатками которой являются слишком высокие показатели гидравлического сопротивления фильтра и удельных затрат на производство целевого продукта.

Известен способ производства гранулированной сажи по а.с. СССР №1635540 (прототип) в установке, содержащей реактор, холодильник, циклон, смеситель-гранулятор и зернистый фильтр, в котором насыпной слой влажных гранул перемещают направленным потоком между двумя параллельными газопроницаемыми перегородками, а аэрозольный поток пропускают через него в направлении, перпендикулярном направлению движения гранул.

Недостатком известной установки является низкая эффективность улавливания сажи в циклоне при производстве высокодисперсных марок сажи и высокие показатели концентрации сажи в аэрозоле перед зернистым фильтром, переменные во времени из-за зависания уловленной сажи в бункере циклона и, как следствие, высокое аэродинамическое сопротивление зернистого фильтра и недостаточная эффективность очистки отходящих газов, а также сложность регулирования показателя качества по влажности готового продукта.

Цель изобретения - снижение затрат на получение гранулированного технического углерода, повышение качества целевого продукта и эффективности очистки отходящих газов производства.

Изобретение представляет собой установку для получения гранулированного технического углерода, включающую реактор для термического разложения углеводородного сырья и образования аэрозоля дисперсного углерода, воздухоподогреватель, циклон-концентратор для осаждения дисперсного углерода из аэрозольного потока с патрубками для ввода аэрозоля и для вывода уловленного целевого продукта и аэрозольного потока, аппарат для очистки дисперсного углерода от посторонних включений, вентилятор для подачи аэрозоля из циклона-концентратора в циклон газотранспорта с патрубками для ввода и вывода аэрозоля, вентилятор для подачи аэрозоля из циклона газотранспорта в циклон-концентратор, промежуточную емкость для дисперсного углерода со шлюзовым питателем, смеситель-гранулятор, аппарат для сушки гранул и улавливания дисперсного углерода, соединенный входными патрубками с циклоном-концентратором для осаждения дисперсного углерода из аэрозольного потока и со смесителем-гранулятором и снабженный патрубками для вывода гранул и очищенных от дисперсных аэрозольных частиц газообразных продуктов реакции. В аппарате для сушки гранул и улавливания дисперсного углерода установлены вертикально две параллельные газопроницаемые перегородки, по периметру присоединенные к корпусу аппарата, расстояние между перегородками 150-200 мм. Установка также содержит пневмоподъемник гранул и уловленного дисперсного углерода, который соединен в зоне загрузки материала через смеситель с патрубком для ввода потока аэрозоля из циклона-концентратора и патрубком для ввода потока высушенных гранул с уловленным дисперсным углеродом, подаваемым в него шлюзовым питателем из аппарата для сушки влажных гранул и улавливания дисперсного углерода, а в зоне разделения потока аэрозоля дисперсного углерода от сухих гранул соединен шлюзовым питателем с бункером готового продукта и газоходом со входным патрубком циклона-концентратора.

Параметры работы установки: расход сырья - 4000 кг/ч, расход газа - 300 м³/ч, расход воздуха - 10000 м³/ч, расход воды на закалку продуктов реакции 3000 л/ч, температура аэрозоля на входе в фильтр 500°C, расход аэрозоля через фильтр 44000 м³/ч, скорость газов в фильтре V=0,3 м/с, аэродинамическое сопротивление 3,0 кПа, содержание дисперсного углерода в газообразных продуктах реакции после фильтра - не более 50 мг/м. Удобство регулирования влажности готового продукта расходом и температурой аэрозоля, подаваемого в пневмоподъемник. При тех же условиях получения дисперсного углерода для прототипа: V=0,28 м/с, 5-11 кПа, содержание дисперсного углерода в газах после фильтра 55 мг/м³, отсутствие гарантий по влажности готового продукта.

На фиг. представлена схема установки для получения гранулированного технического углерода.

Установка включает в себя реактор 1, в котором осуществляется термическое разложение углеводородного сырья, воздухоподогреватель 2 для охлаждения аэрозоля, циклон-концентратор 3 для осаждения дисперсного углерода из аэрозольного потока с патрубком 4 для ввода аэрозоля и патрубками 5 и 6 для вывода уловленного целевого продукта и аэрозольного потока для дополнительной очистки фильтрованием, аппарат 7 для очистки дисперсного углерода от посторонних включений, вентилятор 8 для подачи высококонцентрированного аэрозоля в циклон газотранспорта 9 с патрубком 10 для ввода и патрубком 11 для вывода аэрозоля, вентилятор 12 для подачи аэрозоля из циклона газотранспорта 9 в поток аэрозоля перед циклоном-концентратором 3, промежуточную емкость 13 для дисперсного углерода со шлюзовым питателем 14 для подачи дисперсного углерода в смеситель-гранулятор 15 для получения влажных гранул с патрубками 16 для ввода дисперсного углерода и 17 для вывода влажных гранул через верхний шлюзовой питатель 23 в аппарат 18 для сушки влажных гранул и улавливания дисперсного углерода из аэрозольного потока в движущемся насыпном фильтрующем слое между газопроницаемыми параллельными перегородками, вертикально установленными в корпусе 19 аппарата 18 с патрубком 20 для ввода влажных гранул, патрубком 21 для ввода аэрозоля, патрубком 22 для вывода очищенных газообразных продуктов реакции и нижним шлюзовым питателем 23 для вывода высушенных гранул с уловленным дисперсным углеродом, пневмоподъемник 24 со смесителем 25 и патрубками 26 и 27 для ввода в него аэрозоля от циклона-концентратора 3 и высушенных гранул с уловленным дисперсным углеродом, для подъема в потоке аэрозоля дисперсного углерода и выделения гранул из аэрозольного потока с подачей шлюзовым питателем 28 в бункер готовой продукции 29, вентилятор 30 и газоход 31 для подачи аэрозоля из пневмоподъемника 24 на осаждение в циклоне-концентраторе 3.

Установка работает следующим образом.

В реактор 1 вводят топливо давлением 0,15 МПа с расходом 200 м³/ч и воздух давлением 60 кПа с расходом 10000 м³/ч. В продукты горения топлива вводят углеводородное сырье (смесь 30% антраценового масла и 70% термогазойля) с расходом 4000 кг/ч. Сырье разлагают при 1550°C с образованием аэрозоля, содержащего технический углерод марки П245. Количество дисперсного углерода, содержащегося в аэрозоле, получаемого в час, составляет 2400 кг. В конце реактора в поток аэрозоля впрыскивают 3000 л/ч распыленной воды. При этом температура снижается до 800°C, а содержание паров воды в них возрастает до 20 об. %. Затем аэрозоль охлаждается до 500°C в воздухоподогревателе 2 путем передачи тепла технологическому воздуху, вводимому в реактор 1. Из воздухоподогревателя 2 аэрозоль при 500°C с расходом 44000 м³/ч направляют для осаждения дисперсного углерода в циклон-концентратор 3, куда возвращается 5000-6000 м³/ч аэрозоля из циклона 9 и 4000-5000 м³/ч аэрозоля из пневмоподъемника 24.

В циклоне-концентраторе 3 улавливают 90-92% технического углерода, содержащегося в аэрозоле, что составляет 2700-2900 кг/ч целевого продукта. Дисперсный углерод вентилятором 8 через аппарат 7 для очистки от посторонних включений, циклон газотранспорта 9, промежуточную емкость 13, шлюзовой питатель 14 и патрубок 16 подают в смеситель-гранулятор 15. В смесителе-грануляторе дисперсный углерод смешивают с водным раствором связующих добавок с получением потока гранул с влажностью 48%. Фракционный состав влажных гранул следующий: содержание гранул размером от 0,25 до 0,50 мм - 4-15%), от 0,5 до 1,0 мм - 10-20%, от 1,0 до 2,0 мм - 20-40%, выше 2,0 мм - 40-50%.

Поток влажных гранул свободно высыпается из смесителя-гранулятора 15 через патрубки 17, 20 и верхний шлюзовой питатель 23, образуя между проницаемыми для газов перегородками для сушки влажных гранул и улавливания дисперсного углерода из аэрозольного потока насыпной, фильтрующий слой толщиной 150 мм, движущийся под собственным весом сверху вниз. При часовом расходе дисперсного углерода через смеситель-гранулятор 15 2450 кг/ч, объемная скорость подачи влажных гранул в аппарат 18 составляет 6 м³/ч. Поскольку толщина фильтрующего слоя 150 мм, общая площадь фильтрующего слоя, через который фильтруется аэрозоль, составляет 40 м². Скорость движения фильтрующего слоя между перегородками фильтра регулируют скоростью выгрузки гранул. Скорость выгрузки поддерживается такой, чтобы обеспечить время контакта влажных гранул с аэрозолем 10-20 мин. Аэрозоль выводится из циклона-концентратора 3 через патрубок 6 с температурой 500°C и давлением 3,0-4,0 кПа и подается в аппарат 18 через патрубок 21. Проходя через слой влажных гранул аэрозольный поток фильтруется, аэрозольные частицы дисперсного углерода осаждаются в слое гранул, из которых одновременно удаляется (испаряется) вода за счет тепла аэрозольного потока.

При этом содержание паров воды в аэрозоле увеличивается до 30%, а температура снижается от 500°C до 250°C. Очищенные газообразные продукты реакции выводятся из аппарата 18 через патрубок 22 и направляются на утилизацию. Скорость фильтрования аэрозоля через фильтрующий слой составляет ~0,3 м/с. Аэродинамическое сопротивление фильтрующего слоя при оптимальной толщине 150 мм составляет 3 кПа. Часть аэрозольного потока (~10%) из циклона-концентратора 3, минуя аппарат 18, подают в пневмоподъемник 24 через смеситель 25 с патрубком 26, через патрубок 27 в смеситель 25 поступают гранулы с уловленным дисперсным углеродом. В пневмоподъемнике 24 за счет тепла аэрозольного потока гранулы доводятся до кондиции по влажности (0,6-0,9%), обкатываются, шлифуются и выводятся шлюзовым питателем 28 в бункер готовой продукции 29, а дисперсный углерод в виде укрупненных до 50-60 мкм агломератов в потоке аэрозоля вентилятором 30 по газоходу 31 подают в циклон-концентратор 3, где за счет коагуляции (соосаждения мелких аэрозольных частиц из реактора на крупных агломератах из аппарата 18). значительно повышается эффективность улавливания дисперсного углерода в циклоне-концентраторе.

Экономичность установки обеспечивают следующие показатели:

за счет повышения эффективности улавливания дисперсного углерода в циклоне-концентраторе концентрация частиц дисперсного углерода в аэрозоле перед аппаратом 18 в 2-3 раза ниже, аэродинамическое сопротивление его ниже, чем в установке по прототипу, а степень очистки газов выше при большей скорости фильтрования аэрозоля, что создает условия для снижения удельной металлоемкости установки. Обеспечивается удобство регулирования влажности готового продукта в пневмоподъемнике.

В предлагаемом аппарате при скорости аэрозоля 0,3 м/с, толщине слоя гранул 150 мм аэродинамическое сопротивление составляет 3,0 кПа. Минимальное аэродинамическое сопротивление для известного аппарата при скорости аэрозольного потока 0,28 м/с составляет 5,0 кПа.

Зависимость экономичности работы фильтрующего устройства от аэродинамического сопротивления определяется тем, что последнее преодолевается давлением воздуха, подаваемого на горение топлива в реакторе. На сжатие и подачу воздуха затрачивается примерно 60-80% всей электроэнергии, потребляемой при производстве технического углерода. Причем с увеличением давления воздуха затраты электроэнергии резко возрастают.

В таблице приведены сравнительные данные работы предлагаемой и известной установок в режиме получения технического углерода марки Π 245 (по классификации ASTM N 220).