Способ получения технического углерода

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической, лакокрасочной и других отраслях промышленности. В реактор, имеющий реакционный канал кольцеобразной формы, вводят инертный газ - аргон, затем - ацетилен, а в зону поджига впрыскивают кислород. Через 2,0-3,0 секунд вводят водород. Инициируют детонацию путем подачи напряжения к устройству поджига. Ввод инертного газа обеспечивает формирование демпфирующей разделительной подушки, исключающей возникновение двух встречных детонационных волн. Выдерживают до 1400-1500°С для улавливания образовавшегося технического углерода. Продукты реакции выводят продувкой реакционного канала сжатым воздухом. Полученный технический углерод является ультрадисперсным, узко структурированным, имеет повышенную электропроводность. Снижаются энергозатраты и повышается экологичность технологического процесса. 1 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к технологии получения технического углерода путем термического разложения углеводородов и может быть использовано в химической, нефтехимической, газовой и лакокрасочной отраслях промышленности.

Известен способ получения технического углерода путем термического разложения природного газа и других углеводородных газов на основе метана в газонагревателях регенеративного типа (см. патент США №3445190, кл. С09С 1/50, опубл. 1969).

Недостатком данного способа является низкий выход технического углерода, его загрязненность минеральными примесями и высокий расход энергоресурсов по осуществлению пиролиза.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ получения технического углерода, при котором осуществляют подачу взрывообразующих компонентов в реактор замкнутой кольцеобразной формы и детонационное сжигание ацетилена в смеси с аргоном с последующей продувкой реактора (В.Г.Кнорре, М.С.Копылов, П.А.Теснер. «Физика горения и взрыва», Новосибирск, Наука, 1974, №10, с.767).

Недостатком этого способа получения технического углерода является зависимость физико-химических параметров от скорости ударной падающей волны, узкого температурного интервала и давления, что значительно увеличивает энергоемкость процесса и снижает эффективность выхода узко структурированного технического углерода.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата.

Технический результат от использования предложенного изобретения - получение ультрадисперсного, узко структурированного технического углерода с повышенной электропроводностью, а также снижение энергоемкости и повышения экологичности технологического. Указанный технический результат достигается тем, что после продувки реакционного канала сжатым воздухом в реактор вводят инертный газ для образования демпфирующей подушки и предотвращения возникновения двух встречных волн детонации, далее вводят ацетилен, водород, затем вводят кислород во временном интервале между компонентами смеси от 2,0 до 3,0 с, подают напряжение к устройству поджига смеси и инициируют детонационный взрыв с выдержкой до температуры 1400-1500°С для обеспечения получения технического углерода требуемого качества, после чего производят вывод продуктов реакции.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.

Предложенный способ отвечает условиям патентоспособности "изобретательский уровень" и "промышленная применимость", поскольку он может быть реализован существующими техническими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

При образовании частиц технического углерода в процессе термического разложения ацетилена возникает своеобразный цепной процесс, лимитирующей стадией которого является образование зародышей-радикалов. В результате взаимодействия этих зародышей-радикалов, типа С₂ и С₂Н, с молекулами ацетилена происходит увеличение числа атомов углерода. В результате взаимодействия этих зародышей-радикалов, типа С₂ и С₂Н, с молекулами ацетилена происходит увеличение числа атомов углерода. В определенный момент времени в ходе этого превращения зародыш-радикал теряет свойства радикала и приобретает свойства физической поверхности, т.е. превращается в минимальную углеродную частичку. Дальнейший рост частиц углерода представляет собой гетерогенную химическую реакцию, при которой молекулы ацетилена разрушаются на поверхности этих образовавшихся частиц углерода.

Наиболее важным результатом кинетики образования частиц углерода является значительное ускорение процесса образования частиц в начале и резкое замедление этого процесса в момент, когда основная масса ацетилена еще не разложилась. В основу способа получения технического углерода заложена возможность увеличения по времени первого этапа сжигания ацетилена и сокращения до минимума второго этапа. Достигается это путем создания оптимального состава реагентов технологической смеси (ацетилена, водорода, кислорода и инертного газа), который оказывает определяющее значение на основные физико-химические параметры образующегося в результате сжигания технического углерода, такие как дисперсность, удельная поверхность, электропроводность. Особенностью предложенного способа является его высокая экологичность, т.к. в результате реакции получается технический углерод повышенной чистоты и водород.

Основными факторами, влияющими на химический состав и структуру технического углерода при детонационном сжигании ацетилена, являются температура, давление, скорость распространения пламени. При увеличении давления сжигания ацетилена дисперсность повышается, что объясняется увеличением температуры фронта горения, а температура на стадии образования зародышей-радикалов имеет решающее значение для степени дисперсности технического углерода. Повышение температуры также увеличивает дисперсность углерода. Другое важное обстоятельство связано с тем, что для режима, переходного к детонации, удельная поверхность технического углерода растет вместе с увеличением скорости взрыва и достигает максимума при скорости детонации около 2000 м/с.

Таблица 1.
Зависимость температуры, давления и скорости распространения пламени от химического состава смеси
	Р, атм	T, °C	V, м/с
А1=8:5:5:82	3,50	900,00	250,00
А2=8,5:6:5,5:80	5,00	1200,00	350,00
А3=9:7:6:78	10,00	1800,00	800,00
А4=9,5:8:6,5:76	15,00	2200,00	1500,00
А5=10:9:7:74	28,00	2800,00	2200,00

Р - давление в реакторе, атм;
Т - температура в реакторе, °С;
V - скорость распространения пламени, м/с.
А1=8:5:5:82	A1=V1:V2:V3:V4
А2=8,5:6:5,5:80	V1 - объем ацетилена в процентах;
А3=9:7:6:78	V2 - объем водорода в процентах;
А4=9,5:8:6,5:76	V3 - объем кислорода в процентах;
А5=10:9:7:74	V4 - объем инертного газа (Ar) в процентах.

Результаты натурных испытаний детонационного сжигания ацетилена в реакторе, имеющем реакционный канал кольцеобразно замкнутой формы круглого сечения, приведенные в таблице 1, показали зависимость температуры, давления и скорости распространения пламени от химического состава смеси. С увеличением процентного содержания ацетилена, водорода и кислорода по отношению к инертному газу давление, температура и скорость сгорания увеличиваются, при этом оптимальные характеристики технического углерода достигаются при меньших значениях температуры и давления.

На фиг.1 представлена схема генератора, работающего по предложенному способу, на фиг.2 - зависимости влияния процентного содержания ацетилена на средний размер частиц углерода (dср., нм.), удельную поверхность (Syд., м²/г) и электропроводность (g, Ом^-1×см^-1×10^-3), на фиг.3 - результаты влияния процентного содержания водорода на основные параметры получаемого углерода, на фиг.4 - результаты исследований по влиянию процентного содержания кислорода, на фиг.5 - зависимость влияния инертного газа (аргона) на структурные и физико-химические параметры углерода.

Работающий по предложенному способу реактор состоит из замкнутого кольцеобразного реакционного канала 1 круглого сечения с двумя противоположными прямолинейными участками 2, патрубка 3 ввода кислорода и инициирования взрыва, патрубка 4 ввода водорода, патрубка 5 для впуска ацетилена и патрубка 6 вывода продуктов реакции и патрубка 7 ввода инертного газа. Патрубки 3, 4, 5, 6, 7 снабжены запорными устройствами известного типа (на чертеже не показаны). Внутри патрубка 3 установлено устройство поджига смеси, например электрозапальник (элемент электрического сопротивления).

Прямые участки 2 имеют длину не менее 15 диаметров реакционного канала, патрубок 3 ввода кислорода расположен перпендикулярно оси прямолинейного участка 2, а его диаметр равен половине диаметра реакционного канала, патрубок 4 ввода водорода расположен перпендикулярно оси прямого участка 2 на расстоянии 4-5 диаметров канала от патрубка 3 и его диаметр равен одной трети диаметра реакционного канала. Патрубок 5 ввода ацетилена установлен перпендикулярно оси прямолинейного участка 2 на расстоянии 4-5 диаметров канала от патрубка 4 и его диаметр равен половине диаметра реакционного канала. Патрубок 6 вывода продуктов реакции расположен соосно прямолинейному участку канала в его начале с диаметром, равным диаметру реакционного канала. Патрубок 7 ввода инертного газа, например аргона, расположен на прямолинейном участке контура реакционного канала, перпендикулярно его оси, со стороны, противоположной патрубку ввода ацетилена, с диаметром, равным диаметру сечения канала, и на расстоянии не менее 25 диаметров сечения канала от места установки патрубка ввода ацетилена.

Предложенный способ получения технического углерода и работа реактора осуществляют следующим образом: последовательно осуществляют подачу инициирующих детонационный взрыв взрывообразующих компонентов в реактор, имеющий реакционный канал замкнутой кольцеобразной формы, формирование демпфирующей разделительной подушки, исключающей возникновение двух встречных волн детонации, впрыск кислорода в зону поджига, инициирование реакции посредством подачи напряжения к устройству поджига смеси и вывод продуктов реакции с продувкой реакционного канала реактора сжатым воздухом. Формирование демпфирующей разделительной подушки осуществляют посредством ввода инертного газа, например аргона, в качестве инициирующих детонационный взрыв взрывообразующих компонентов используют ацетилен и водород, для чего ацетилен вводят до достижения заданного давления, а водород в зону поджига вводят после впрыска кислорода во временном интервале между компонентами смеси от 2,0 до 3,0 с, далее инициируют детонационный взрыв с выдержкой до температуры 1400-1500°С для обеспечения улавливания технического углерода, после чего производят вывод продуктов реакции с продувкой реакционного канала реактора сжатым воздухом.

Таким образом, после продувки реакционного канала реактора сжатым воздухом в него по патрубку 7 вводят инертный газ, например аргон, для формирования демпфирующей разделительной подушки, предотвращающей возникновение двух встречных волн детонации, потом по патрубку 5 вводят ацетилен до достижения заданного давления, а затем по патрубку 3 инициирования взрыва вводят кислород и последним по патрубку 4 - водород во временном интервале между компонентами смеси от 2,0 до 3,0 с. После этого подают напряжение к устройству поджига смеси, например электрозапальнику, расположенному внутри патрубка 3, тем самым инициируют детонационный взрыв. Выдержав продукты реакции до температуры 1400-1500°С, позволяющей улавливать технический углерод, их выпускают через патрубок 6, далее производят продувку реакционного канала реактора сжатым воздухом и начинают новый цикл.

В результате проведенных исследований на экспериментальном образце опытно-промышленной установки по получению технического углерода при начальном давлении 5 атм и температуре 1500°С и фиксированных в каждом конкретном исследовании значениях трех из четырех компонентов технологической смеси. При изменении содержания ацетилена от 5-10% происходит увеличение удельной поверхности от 100 до 200 м²/г, уменьшение размеров частиц с 50 до 15 нм и увеличение, почти в 2 раза, электропроводности. При незначительном снижении электропроводности на 10-15%, происходит почти 2-кратное увеличение удельной поверхности. Наибольший эффект достигается при введении от 7 до 10% водорода, при этом удельная поверхность увеличивается до 280-300 м²/г.

С увеличением процентного содержания аргона с 70-90% удельная поверхность увеличивается почти в 2,5 раза, а электропроводность возрастает на 60-70%. Предлагаемый способ получения технического углерода также обеспечивает высокую чистоту получаемого продукта, так как благодаря высокой температуре технологического процесса поверхность углеродных частиц практически не содержит каких либо адсорбированных или хемосорбированных молекул, в частности молекул углеводородов. По той же причине эта поверхность энергетически весьма однородна и приближается в этом отношении к графитизированным сажам.

Результаты проведенных натурных испытаний показали, что заявленное техническое решение - способ получения технического углерода позволяет реализовать технологический процесс получения ультрадисперсного высокочистого, узко структурированного углерода с повышенной электропроводностью. Кроме этого при применении предлагаемого способа возможно получение продукта с заданными физико-химическими параметрами в узком структурном диапазоне при одновременном снижении энергозатрат и достижении высокой экологичности процесса.

Полученный в результате заявленного способа технический углерод может быть использован в электротехнической промышленности - заводы по производству кабельной продукции, топливных элементов, электрохимических источников тока, в химической и нефтехимической промышленности - для создания новых каталитических материалов адсорбентов и наполнителей, в микроэлектронной промышленности - для производства чистого кремния и солнечных батарей, в лакокрасочной и полиграфической промышленности, в пищевой промышленности и медицине - установки гемолиза, а также системы очистки воды и воздуха, а также при синтезе карбидов металлов, искусственных алмазов и создании новых композиционных материалов.

Способ получения технического углерода, включающий подачу ацетилена в реактор, имеющий реакционный канал замкнутой кольцеобразной формы, формирование демпфирующей разделительной подушки, исключающей возникновение двух встречных детонационных волн, путем ввода инертного газа, впрыск кислорода в зону поджига, инициирование детонации посредством подачи напряжения к устройству поджига и вывод продуктов реакции, отличающийся тем, что сначала в реактор вводят инертный газ - аргон, затем - ацетилен, кислород и через 2,0-3,0 с после этого - водород и инициируют детонацию с выдержкой до температуры 1400-1500°С для улавливания технического углерода, а вывод продуктов реакции осуществляют продувкой реакционного канала сжатым воздухом.