Способ получения сажи

 

Изобретение относится к технологии получения мелкодисперсного технического углерода - сажи, используемой в различных областях техники. Изобретение направлено на снижение энергозатрат, необходимых для его осуществления, и тем самым повышение термического КПД процесса. Способ получения сажи включает пиролиз углеродсодержащего сырья, закалку сажегазовой смеси с использованием в качестве закалочного агента ее охлажденной части и сепарацию готового продукта, при этом сажегазовую смесь для закалки отбирают на выходе из зоны закалки и после охлаждения подают встречно, под углом к основному потоку через отверстия в боковых поверхностях обтекателей, которые устанавливают в сечении зоны закалки. Кроме того, сажегазовую смесь для закалки подают под углом ±45^o к перпендикуляру, восстановленному к вектору скорости основного потока, и со скоростью 50 - 150 м/с, а обтекатели устанавливают в сечении зоны закалки с расстоянием между их боковыми поверхностями, определяемым из соотношения L = V·τ.. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии получения мелкодисперсного технического углерода - сажи, используемой в различных областях техники.

Известен способ получения технического углерода, включающий пиролиз углеродсодержащего сырья, закалку сажегазовых продуктов впрыском воды и сепарацию готового продукта (см. описание к патенту РФ N 2114138, C 09 C 1/48, 1998 /1/). Недостатком известного способа является необходимость больших энергозатрат на его осуществление, что обусловлено использованием воды в качестве закалочного агента. Кроме того, использование воды приводит к повышенной коррозии оборудования, и, как следствие, к уменьшению сроков его эксплуатации.

Известен способ получения сажи, включающий пиролиз углеродсодержащего сырья, закалку сажегазовой смеси и выделение целевого продукта. При этом в качестве закалочного агента используется вода и/или охлажденные продукты реакции (см. описание к патенту США N 4339422, НКИ 423-456, 1982 /2/). Недостатком известного способа является низкий тепловой КПД, обусловленный тепловыми потерями, так как известный способ не предусматривает целевого использования получаемого тепла помимо обслуживания самого процесса.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ получения сажи, известный из описания к патенту США N 4542007, НКИ 423-450, МКИ C 01 B 31/02, C 09 C 1/48, 1985 /3/.

Известный способ предусматривает пиролиз углеродсодержащего сырья, закалку сажегазовой смеси с использованием для этого ее охлажденной части и сепарацию готового продукта с использованием мешочных фильтров.

Недостатком известного способа является необходимость значительных энергозатрат на его осуществление. Причиной является неэффективные впрыск и смешение с основным потоком закалочного агента, что приводит, с одной стороны, к уменьшению количества получаемого продукта и, с другой стороны, к значительному увеличению объемного расхода в 2 - 2,5 раза, прокачиваемого по всему тракту устройства. Поскольку закалочный агент (охлажденные продукты реакции) отбирают перед тем, как отправить сажегазовую смесь на сепарацию, то возникает необходимость обратной транспортировки значительного количества газа по всему тракту - от входа в сепараторы до зоны закалки, что также влечет дополнительные энергозатраты.

Заявляемый в качестве изобретения способ получения сажи направлен на снижение энергозатрат, необходимых для его осуществления, и тем самым повышение термического КПД процесса.

Указанный результат достигается тем, что способ получения сажи включает пиролиз углеродсодержащего сырья, закалку сажегазовой смеси с использованием в качестве закалочного агента ее охлажденной части и сепарацию готового продукта, при этом сажегазовую смеси для закалки отбирают на выходе из зоны закалки и после охлаждения подают встречно под углом к основному потоку через отверстия в боковых поверхностях обтекателей, которые устанавливают в сечении зоны закалки.

Указанный результат достигается также тем, что сажегазовую смесь для закалки подают под углом ± 45^o к перпендикуляру, восстановленному к вектору скорости основного потока.

Указанный результат достигается также тем, что сажегазовую смесь для закалки подают со скоростью 50-150 м/с.

Указанный результат достигается также тем, что обтекатели устанавливают в сечении зоны закалки с расстоянием между их боковыми поверхностями, определяемым из соотношения L = V·τ, где L - расстояние между боковыми поверхностями соседних обтекателей, м; V - скорость подачи закалочной смеси через отверстия в обтекателях, м/с; τ - время закалки, равное 10^-3 - 5 · 10^-4 с.

Отличительными признаками заявляемого способа являются: - отбор части сажегазовой смеси, необходимой для закалки, осуществляют непосредственно на выходе из зоны закалки; - охлажденную сажегазовую смесь подают встречно через отверстия в боковых поверхностях обтекателей, установленных в сечении зоны закалки; - охлажденную сажегазовую смесь подают пол углом к основному потоку; - сажегазовую смесь для закалки подают под углом ± 45^o к перпендикуляру, восстановленному к вектору скорости основного потока; - сажегазовую смесь для закалки подают со скоростью 50-150 м/с;
- обтекатели устанавливают в сечении зоны закалки с расстоянием между их боковыми поверхностями, определяемым из соотношения L = V·τ.
Отбор части сажегазовой смеси, необходимой для закалки, непосредственно на выходе из зоны закалки, а не перед подачей на сепарацию, как это предусмотрено в прототипе, позволяет сократить энергозатраты на перемещение продуктов реакции по всему тракту, а значит и на реализацию всего способа в целом. Выигрыш в энергозатратах обусловлен следующим. Во-первых, из зоны закалки осуществляется отбор сажегазовой смеси с наиболее высокой температурой (900 - 1000^oC), что позволяет отобрать больше тепла для нагрева воздуха, подаваемого в камеру горения. Во-вторых, если принять, что в результате реакции пиролиза образуется единица объема сажегазовых продуктов и на их закалку требуется единица - полторы охлажденных газов, то по способу-прототипу из зоны закалки будут выходить и по всей технологической цепи транспортироваться на сепарацию 2-2,5 единицы объема сажегазовых продуктов, одна - полторы из которых затем вернется в зону закалки, а одна пойдет на сепарацию. Если же, как это предусмотрено заявляемым способом, сразу же на выходе из зоны закалки отобрать одну - полторы единицы объема сажегазовых продуктов и, охладив, подать на закалку, то из зоны закалки также будет выходить 2 - 2,5 единицы объема продуктов, но по всему тракту на сепарацию будет транспортироваться только одна единица объема, поскольку 1-1,5 единиц объема охлажденной смеси вернется в зону закалки.

За счет того, что охлажденную сажегазовую смесь подают встречно через отверстия в боковых поверхностях обтекателей, установленных в сечении зоны закалки также обеспечивается снижение энергозатрат на реализацию способа, поскольку предлагаемая подача закалочного агента позволяет за счет встречной подачи через отверстия в обтекателях и наличия самих обтекателей в зоне закалки, обеспечить эффективный турбулентный теплообмен между горячими и охлажденными сажегазовыми продуктами и снизить расход закалочного агента.

Подача охлажденной сажегазовой смеси под углом к основному потоку также позволяет обеспечить эффективное турбулентное смешение и тем самым теплообмен между газовыми струями (холодной и горячей), что в конечном итоге снижает энергозатраты за счет снижения потребного количества закалочного агента для проведения закалки.

Установлено, что если сажегазовую смесь для закалки подают под углом ± 45^o к перпендикуляру, восстановленному к вектору скорости основного потока, то смешение проходит достаточно эффективно. Выход за указанные пределы снижает эффективность турбулентного смешения, что влечет повышенный расход закалочного агента и снижает выход конечного продукта.

Если закалочную смесь подавать через отверстия в боковых поверхностях со скоростью менее 50 м/с, то для эффективного теплообмена необходимо устанавливать значительное количество обтекателей на небольшом расстоянии между собой, а это приводит к увеличению газодинамического сопротивления в сечении зоны закалки, а следовательно, к повышению энергозатрат на реализацию способа. Если же обеспечивать подачу со скоростью более 150 м/с, то это потребует значительного повышения мощности для средств (вентиляторов, компрессоров и т. п.), обеспечивающих подачу закалочного агента в зону закалки, т.е. влечет повышение энергозатрат на реализацию способа.

Исходя из этого, а также учитывая тот факт, что закалка должна осуществляться за время 10^-3 - 5 · 10^-4 с, выбирают оптимальное расстояние между обтекателями, определяемое соотношением L = V·τ.
Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором схематично представлен продольный разрез принципиальной схемы реактора с зоной закалки.

Реактор для реализации заявленного способа получения сажи в общем случае содержит камеру 1 горения, в которую подаются топливо и воздух, и реакционную камеру 2, снабженную средствами подачи сырья 3. В зоне закалки реактора установлены пустотелые обтекатели 4 в виде аэродинамических профилей. Внутренние объемы профилей соединены трубопроводами со средством подачи закалочного агента. В боковых (обтекаемых реакционным потоком) поверхностях обтекателей выполнены отверстия 5, через которые в зону закалки подается закалочный агент - охлажденные продукты реакции (сажегазовая смесь). На выходе из зоны закалки установлены отводные каналы 6 для отбора части закаленных продуктов реакции (сажегазовой смеси с температурой ~ 900 - 1000^oC), которая направляется на охлаждение в теплообменник для получения, например, высокотемпературного пара, и затем используется в качестве закалочного агента. Высокотемпературный пар направляется, в частности, для нагрева воздуха, подаваемого в камеру горения 1.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом.

В камеру горения 1 подают нагретый воздух (или кислород) и топливо, в качестве которого может быть использован природный газ, жидкое топливо и т. п. Продукты неполного сгорания топлива поступают в реактор 2, где через средства подачи сырья 3 (например, форсунки и т.п.) подается углеродсодержащее сырье (например, тяжелый газойль, масло и т.п.). Сырье сливается с потоком продуктов горения топлива и термически разлагается с образованием сажи. Полученная сажегазовая смесь перемещается по реакционной камере к зоне закалки, в поперечном сечении которой установлены аэродинамические профили, в боковых поверхностях которых выполнены отверстия. Через эти отверстия под давлением подается газообразный закалочный агент. (В момент запуска реактора это может быть охлажденный инертный по отношению к реакционной смеси газ). Закаленная сажегазовая смесь выходит из зоны закалки и разделяется на две части. Одна часть перемещается на выход из реактора и поступает на сепарацию. Вторая часть смеси через отводные каналы отводится к теплообменнику и после охлаждения сжимается вентилятором и подается в качестве закалочного агента через отверстия в обтекателях.

Пример 2. Предварительно нагретый до температуры 400^oC воздух в количестве 7500 нм³/час и топливный газ в количестве 520 нм³/час подают в топливные горелки реактора. В поток продуктов горения топлива через сырьевые форсунки подают предварительно нагретое до 235^oC углеродсодержащее сырье, смесь, состоящую из 55% антраценового масла и 45% тяжелого газойля, в количестве 2025 кг/час. За счет тепла продуктов горения сырье разлагается с образованием сажегазовых продуктов. В зоне закалки устанавливают пустотелые обтекатели в виде аэродинамических профилей с расстоянием между ними L = 10 см (τ = 10^-3, V = 100 м/с). Поперечное сечение обтекателей может быть любым - круглым, в виде эллипса и т.п., а геометрическая форма и размеры могут определяться расчетным путем, исходя из скорости течения потока продуктов реакции пиролиза с тем, чтобы минимизировать увеличение газодинамического сопротивления в зоне закалки. Через отверстия 5 в боковых поверхностях обтекателей в момент запуска реактора подают азот, имеющий температуру окружающей среды в количестве 6000 нм³/час. После запуска реактора, примерно через 5 - 10 сек подачу азота прекращают и начинают вместо него подавать охлажденную до 250^oC сажегазовую смесь, отбираемую на выходе из зоны закалки через каналы 6 в количестве 8000 нм³/час, а оставшаяся часть закаленных сажегазовых продуктов известным образом транспортируется на сепарацию, где сажа отделяется от газовых компонентов с помощью известных средств.

Формула изобретения

1. Способ получения сажи, включающий пиролиз углеродсодержащего сырья, закалку сажегазовой смеси с использованием в качестве закалочного агента ее охлажденной части и сепарацию готового продукта, отличающийся тем, что сажегазовую смесь для закалки отбирают на выходе из зоны закалки и после охлаждения подают встречно, под углом к основному потоку через отверстия в боковых поверхностях обтекателей, которые устанавливают в сечении зоны закалки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сажегазовую смесь для закалки подают под углом ± 45^o к перпендикуляру, восстановленному к вектору скорости основного потока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сажегазовую смесь для закалки подают со скоростью 50 - 150 м/с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обтекатели устанавливают в сечении зоны закалки с расстоянием между их боковыми поверхностями, определяемым из соотношения
L = V·τ
где L - расстояние между боковыми поверхностями соседних обтекателей, м;
V - скорость подачи закалочной смеси через отверстия в обтекателях, м/с;
τ - время закалки, - 10^-3 - 5 · 10^-4 с.

РИСУНКИ

Рисунок 1