Способ получения полуактивного технического углерода и реактор для его осуществления
Владельцы патента RU 2394054:
Открытое акционерное общество "Нижнекамский завод технического углерода" ("Нижнекамсктехуглерод") (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Техуглерод и огнеупоры" (RU)
Изобретение предназначено для химической и резинотехнической промышленности. Реактор для получения полуактивного технического углерода содержит камеру горения 1, диаметр которой равен диаметру камеры реакции 3, зону смешения 2 и зону охлаждения 4. Длина камеры горения 1 составляет 1,8-2 ее диаметра. На передней торцовой крышке камеры горения 1 расположены горелки 6 для подачи смеси топлива и воздуха с коэффициентом избытка 1,2-1,3. На внутренней поверхности камеры горения 1 организуют полное горение топливной смеси при температуре не выше 1750°С. Образовавшиеся потоки дымовых газов движутся со скоростью 60-70 м/с и поступают в зону смешения 2 со скоростью 130-150 м/с за счет уменьшения сечения конфузора. Посредством пневмомеханических форсунок 8 осуществляют радиальную подачу жидкого углеводородного сырья, распыляемого воздухом высокого давления с температурой 60-80°С. Соотношение скоростей сырья и дымовых газов в зоне смешения 2 составляет 1:(3-5). Образовавшийся поток углеводородогазовой смеси с уменьшением скорости за счет расширения диффузора поступает в камеру реакции 3, в начале которой находится зона испарения с температурой 1450-1550°С, затем расположена зона пиролиза с температурой 1320-1380°С, где происходит термоокислительное разложение сырья с образованием аэрозоля технического углерода. Полученный аэрозоль предварительно охлаждают в зоне охлаждения 4 путем впрыска химически очищенной воды и окончательно - путем рекуперативного теплообмена с технологическим воздухом. Интенсифицируется процесс с сохранением качества технического углерода, увеличивается межремонтный пробег реактора, минимизируются затраты. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Область техники
Изобретение относится к области производства технического углерода из жидкого углеводородного сырья путем термоокислительного разложения (пиролиза), в частности к способам, а также к устройствам для получения полуактивного технического углерода.
Уровень техники
Известны способы получения полуактивного технического углерода, включающие образование топливной смеси, введенной в зону горения для воспламенения и последующего смешения дымовых газов с углеводородным сырьем. Согласно авторскому свидетельству SU 1040773 (опубликовано 30.11.85) для повышения производительности реактора и выхода технического углерода углеводородное сырье распыляют воздухом высокого давления, предварительно нагретым до температуры 450-800°С. При этом общий расход воздуха составляет 2,4-2,8 нм3/кг сырья, а для достижения большей производительности углеводородное сырье подают в два пояса: 40-75% радиально в зону реакции в продукты горения топлива и 25-60% - аксиально в зону горения совместно с поступающей топливно-воздушной смесью. Основные недостатки вышеуказанного способа заключаются в недостаточно высоком выходе технического углерода в связи с высоким расходом технологического воздуха. Это усугубляет аксиальная подача части сырья совместно с топливно-воздушной смесью, содержащей значительное количество кислорода (10-15 об.%), который значительно быстрее реагирует с сырьем, чем с топливом. Кроме того, 2-зонная подача углеводородного сырья приводит к расширению разброса основных физико-химических параметров полуактивного технического углерода, что особенно отрицательно влияет на физико-механические свойства при создании «мягких» типов резин, где используются полуактивные марки технического углерода. Другим значительным недостатком вышеуказанного изобретения является использование для распыливания сырья воздуха высокого давления, который предварительно нагрет до температуры выше температуры окончания кипения углеводородного сырья (420-490°С). Учитывая, что практически во всех случаях для снижения вязкости углеводородное сырье предварительно нагревают до температуры 150-200°С, использование высоконагретого воздуха может приводить к вскипанию легких фракций жидкого углеводородного сырья непосредственно в смесительной форсунке, что незамедлительно отражается на возможности образования кокса в потоке углеводородного пара или закоксовывании деталей выходных узлов пневмомеханической форсунки. Это приведет к искажению направления радиальных струй и возможности попадания капель углеводородного сырья на раскаленную футеровку реакционного канала. В обоих случаях это приведет к увеличению содержания грита в готовой продукции и ухудшит качество резины.
Опыт производства полуактивного технического углерода показал, что основные проблемы интенсификации процесса получения технического углерода заключаются в организации эффективного горения топлива (чаще природного газа), обеспечивающего достаточный тепловой поток в зону реакции с минимально необходимым объемом остаточного активного кислорода, который обеспечивает необходимую стабильную температуру процесса на уровне 1320-1380°С. При этом углеводородный пар должен находиться в зоне реакции не менее 0,5-0,8 с. Невыполнение этих условий приводит к несоответствию основных физико-химических параметров технического углерода.
В патенте RU 2114138 (опубликовано 27.06.1998) проблему повышения выхода при получении полуактивного технического углерода решают за счет подачи в камеру смешивания суженного потока окислителя с топливом при соотношении на оси потока перед воспламенением смеси 0,75-0,95 от стехиометрического при среднем содержании коэффициента избытка окислителя 1,2-1,8. Указанная топливная смесь входит в зону горения с одновременным расширением потока и его воспламенением. В поток продуктов горения вводят радиально углеводородное сырье через (1-5)·10-3 с. После воспламенения смеси расширяют поток с термическим разложением и образованием смеси технического углерода и газообразных продуктов, которые резко охлаждают и направляют в систему улавливания для выделения целевого продукта. В указанном патенте осуществляют разделение технологического воздуха и топлива в единой камере смешивания на потоки топливно-воздушной смеси в центре по оси движения смеси и на периферийную часть потока с разными коэффициентами избытка воздуха, определяющими возможность образования в центре предшественников зародышей технического углерода за счет частичного пиролиза природного газа. Это должно инициировать процесс разложения углеводородного сырья при его смешивании с продуктами горения топливно-воздушной смеси, поступающей из зоны горения. При этом периферийная часть топливно-воздушной смеси с избыточным содержанием окислителя обеспечивает стабильность температурного режима в зоне реакции за счет окисления части углеводородного сырья. Основным недостатком указанного способа получения полуактивного технического углерода является практическая сложность организации 2-х различных зон по содержанию окислителя в единой камере смешивания для получения топливно-воздушной смеси. Это объясняется тем, что современный высокопроизводительный реактор для получения технического углерода работает в условиях повышенного давления в камере горения до 0,03-0,05 МПа. Вследствие этого для создания повышенной концентрации топлива в центральной зоне камеры горения необходимо организовать отдельную подачу топлива (природного газа) с рабочим давлением до 0,5-0,6 МПа. Это значительно усложнит регулирование технологического процесса и вызовет дополнительные затраты при его реализации.
Наиболее близким к заявляемому способу получения полуактивного технического углерода является способ по патенту RU 2317308 (опубликован 20.02.2008).
Технологический процесс в реакторе начинается с зоны горения, где в ограниченных объемах камеры горения осуществляют полное сжигание топлива с целью исключения его пиролиза, для чего технологический воздух предварительно нагревают до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива, например, в случае природного газа до 650-700°С. Образовавшиеся дымовые газы, содержащие остаточный активный кислород, поступают в зону смешения, куда радиально вводится и жидкое углеводородное сырье, где обеспечивается его интенсивное испарение и смешивание с дымовыми газами. Полученная углеводородогазовая смесь поступает в зону реакции для термоокислительного пиролиза с образованием частиц и агрегатов технического углерода. Учитывая эндотермический характер цепных реакций пиролиза углеводородного сырья, температуру дымового газа, выходящего из зоны горения, поддерживают на 200-300°С выше температуры реакции. Поддержание стабильного температурного режима в зоне реакции осуществляют за счет окисления части углеводородного сырья при его горении в остаточном активном кислороде. В конце реакционной зоны осуществляют охлаждение аэрозоля технического углерода до температуры 850°С путем впрыска химически очищенной воды и его последующее охлаждение на выходе из реактора.
В основе этого способа заложено использование технологического воздуха, предварительно нагретого выше температуры начала самовоспламенения топлива (природного газа) 650°С. Это обстоятельство позволило создать в зоне горения необходимые объемы тепла продуктов горения топлива (природного газа) с температурой 1650-1700°С, обеспечивающие минимальное содержание в них избыточного свободного кислорода, поступающего в зону реакции (зону пиролиза) для разложения углеводородного сырья при температуре 1320-1380°С.
Одним из серьезных технологических недостатков указанного по прототипу способа получения технического углерода является возможность повышения температуры в камере горения сверх допустимой величины, т.к. теоретическая температура продуктов горения природного газа при стехиометрических соотношениях с воздухом 1,15-1,30 при температуре воздуха 650°С может достигнуть 1850-1950°С. Кроме того, учитывая, что в зоне смешения дополнительно окисляется до 30% углеводородного сырья от воздействия остаточного активного кислорода, содержащегося в продуктах горения топлива, и кислорода, привнесенного в зону реакции с распыливающим воздухом, температурный уровень продуктов разложения в начальной зоне камеры реакции может превзойти все допустимые ограничения. Еще одним недостатком является необходимость подачи воздуха высокого давления для распыла углеводородного сырья, которая вызвана сравнительно низкими скоростями движения дымовых газов из камеры горения (до 100 м/с), при этом не исключена возможность гритообразования.
Задачей настоящего изобретения является интенсификация процесса сжигания топлива, обеспечение стабильного температурного режима в зоне реакции, снижение гритообразования, повышение выхода полуактивного технического углерода по показателям, соответствующего требованиям международной спецификации ASTM D1765.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается за счет того, что в способ получения полуактивного технического углерода из жидкого углеводородного сырья путем его термоокислительного разложения, включающий предварительный подогрев жидкого углеводородного сырья до температуры 150-200°С, технологического воздуха за счет рекуперативного теплообмена с аэрозолем технического углерода до температуры не выше 700°С, смешивание топлива с нагретым технологическим воздухом с коэффициентом избытка воздуха 1,2-1,3, организацию полного горения топливной смеси в камере горения при температуре не выше 1750°С для получения дымового газа с остаточным активным кислородом, из расчета полного горения топлива по количеству остаточного воздуха 0,7-1,0 нм3/кг углеводородного сырья, смешивание углеводородного сырья в потоке дымового газа, испарение углеводородного сырья, его термоокислительное разложение с образованием аэрозоля технического углерода, его предварительное охлаждение путем впрыска химически очищенной воды и его последующее охлаждение, введены новые отличительные признаки.
Такими признаками являются:
- организация горения топливной смеси на внутренней поверхности камеры горения несколькими отдельными аксиальными струями, исключающими возможность их объединения в объеме этой зоны реактора, распространяющимися со скоростью, в 1,5-2 раза превышающей скорость распространения пламени,
- образование потоков дымовых газов, движущихся по периферии (аксиально по поверхности) со скоростью 60-70 м/с в камере горения, длина которой составляет 1,8-2 диаметра камеры горения, что обеспечивает условия полного и эффективного сжигания топлива и создает допустимую тепловую напряженность в объеме камеры горения,
- увеличение скорости дымовых газов до 130-150 м/с в зоне смешения, достигаемое за счет уменьшения сечения (сжатия потока),
- организация подачи углеводородного сырья в зону смешения радиальными струями, пронизывающими каждый аксиальный поток дымовых газов,
- распыление в зоне смешения углеводородного сырья с температурой 150-200°С воздухом высокого давления с температурой 60-80°С при условии соотношения скоростей сырья и дымовых газов 1:3-5,
- уменьшение скорости образовавшегося потока углеводородогазовой смеси за счет расширения,
- объем камеры реакции, в которую поступает поток углеводородогазовой смеси, определяют из условий соотношения диаметров камеры горения и камеры реакции 1:1,
- рабочая температура в камере реакции составляет: в начале (зона испарения) 1450-1550°С, в конце (зона пиролиза) 1320-1380°С, а время пребывания в камере реакции 0,5-0,8 с.
Дополнительное регулирование свойств получаемого технического углерода по параметру структурности в соответствии с предлагаемым способом обеспечивают за счет изменения удельного расхода распыливающего воздуха, подаваемого в сырьевые форсунки. Для уменьшения параметра структурности получаемого технического углерода капли жидкого углеводородного сырья уменьшают с помощью увеличения расхода распыливающего воздуха, а для увеличения параметра структурности соответственно уменьшают расход распыливающего воздуха. Более тонкую регулировку параметра структурности технического углерода осуществляют за счет изменения подачи щелочной добавки (КОН, К2СО3) в углеводородное сырье.
Наилучший вариант реализации способа по предлагаемому изобретению
На фиг.1 показан способ получения полуактивного технического углерода, который осуществлен на реакторе, включающем камеру горения 1, зону смешения 2, камеру реакции 3 и зону охлаждения (закалки) аэрозоля технического углерода 4.
Реализация способа осуществляется следующим образом.
Технологический процесс в реакторе начинается с зоны горения, где в ограниченных объемах камеры горения 1 осуществляют полное сжигание топлива в присутствии воздуха среднего давления. На передней торцовой крышке камеры горения диаметром 830 мм по образующей окружности расположены шесть диффузионных горелок, обеспечивающих равномерное распределение топлива в предварительно нагретом до температуры 650-700°С технологическом воздухе со средним коэффициентом избытка воздуха 1,27. Диаметр топливно-воздушной струи составляет 150 мм. Она движется по внутренней поверхности камеры горения длиной 1,5 м со средней скоростью 65 м/с. Продукты горения поступают в зону смешения 2, выполненную в виде сопла, в критическом сечении (горле) которого установлены радиальные пневмомеханические форсунки для подачи углеводородного сырья. Диаметр горла сопла составляет 645 мм, что обеспечивает повышение скорости движения продуктов горения топлива до средней скорости 140 м/с. Такая скорость исключает возможность проскока углеводородного сырья на внутреннюю поверхность футеровки сопла и снижает вероятность образования грита в процессе испарения. Далее смесь паров углеводородного сырья и продуктов горения топлива через конический диффузор, длина которого равна диаметру критического сечения сопла, поступает в камеру реакции 3, диаметр которой составляет 830 мм. Выбранные параметры камеры смешения (смесительного сопла) обеспечивают гидравлическое сопротивление на уровне 240-300 мм вод.ст., что предотвращает возможность развития температур в камере горения более 1750°С. Далее продукты реакции охлаждают в зоне охлаждения 4.
Примеры реализации указанного способа получения технического углерода приведены ниже в таблице.
| Таблица | |||||
| № пп | Наименование параметров | Ед. изм. | Марка технического углерода | ||
| N550 | N650 | N660 | |||
| I. | Режимные параметры | ||||
| 1. | Расход углеводородного сырья | кг/час | 5030 | 5100 | 5000 |
| 2. | Расход природного газа | нм3/час | 920 | 750 | 690 |
| 3. | Расход технологического воздуха | нм3/час | 11600 | 9570 | 8870 |
| 4. | Расход воздуха высокого давления на распыл сырья | нм3/час | 1280 | 1320 | 1650 |
| II. | Технологические параметры | ||||
| 1. | Температура в камере горения | °С | 1720 | 1680 | 1620 |
| 2. | Температура в камере реакции | ||||
| - начало (зона испарения) | °С | 1550 | 1450 | 1500 | |
| - окончание (зона пиролиза) | °С | 1380 | 1320 | 1320 | |
| 3. | Температура предварительного нагрева технологического воздуха | °С | 650 | 650 | 655 |
| 4. | Скорость движения продуктов горения топлива в камере горения | м/с | 68 | 65 | 62 |
| 5. | Скорость движения углеводородного сырья в радиальной струе | м/с | 35 | 41 | 48 |
| 6. | Скорость движения газов в критическом сечении смесительного сопла | м/с | 158 | 145 | 130 |
| 7. | Время нахождения продуктов пиролиза углеводородов в зоне реакции | с. | 0,55 | 0,61 | 0,63 |
| 8. | Удельный расход остаточного воздуха на 1 кг углеводородного сырья | нм3/кгсырья | 0,672 | 0,665 | 0,786 |
| 9. | Выход технического углерода | % | 68 | 70 | 66 |
| III. | Физико-химические параметры технического углерода по ASTM D1765 | ||||
| 1. | Йодная адсорбция | м2/г | 43 | 37 | 36 |
| 2. | Внешняя удельная поверхность по адсорбции азота | м2/г | 41 | 35 | 34 |
| 3. | Адсорбция дибутилфталата | см3/100 г | 119 | 121 | 91 |
| 4. | Отсевы на сетке: | ||||
| - 0,5 мм | % | отс. | отс. | отс. | |
| -0,14 мм | % | 0,010 | - | - |
Достигаемый технический результат
Приведенные в таблице примеры реализации способа получения разных марок полуактивного технического углерода показывают его эффективность как по достигаемой производительности реактора (более 5000 кг/час), так и по выходу готовой продукции (до 70% относительно углеводородного сырья).
Предложенный способ получения технического углерода позволяет эффективно выпускать все марки полуактивного технического углерода без отклонений от требований ГОСТ 7885-86 или международной спецификации ASTM D1765.
Уровень техники по устройству
В отечественной промышленности в настоящее время наибольшее распространение получили три типа реакторов для получения полуактивных марок технического углерода. Реакторы имеют четко обозначенные камеру горения, зону реакции и зону закалки. Процесс термоокислительного разложения сырья в таких реакторах осуществляется в турбулентном потоке, то есть продукты полного горения топлива и сырья перемешиваются с достаточной интенсивностью.
Известен реактор PC 50/3500 конструкции ВНИИТУ (Ивановский В.И. Технический углерод. Процессы и аппараты: Учебное пособие. - Омск: ОАО "Техуглерод", 2004, с.54), в котором газ и подогретый до 450-500°С воздух подаются в камеру горения через три горелки, расположенные параллельно оси реактора под углом 120° относительно друг друга. Для равномерного распределения воздуха он направляется в горелки через прорези в трубах, расположенные в воздушной камере реактора. Сырье в реактор подается через центральную (аксиально) и четыре радиальные форсунки. Распыливание сырья осуществляется воздухом высокого давления, который предварительно нагревается в подогревателе воздуха до 500°С. Диаметр камеры реакции составляет 500-600 мм. На расстоянии 6 м от радиальных сырьевых форсунок установлены водяные форсунки, посредством которых впрыскивается вода для охлаждения (закалки) углеродогазовой смеси. Недостатком является низкая производительность - не более 3500 кг/час, склонность к коксованию при комбинированном вводе сырья и низкий показатель "светопропускание толуольного экстракта". Исполнение совмещенных зон горения и реакции приводит к получению неоднородной продукции.
Известен реактор для получения полуактивного технического углерода конструкции Омского завода технического углерода (Ивановский В.И. Технический углерод. Процессы и аппараты: Учебное пособие. - Омск: ОАО "Техуглерод", 2004, с.55). За основу конструкции реактора была принята конструкция реактора РС 50/3500, при этом в нее были внесены существенные изменения:
- увеличен объем камеры горения;
- диаметр зоны реакции увеличен до 740-800 мм;
- организована подача воздуха в продукты реакции (термообработка) с учетом опыта применения этого приема, разработанного заводом ранее для получения лампового технического углерода;
- дополнительно увеличена зона реакции реактора за счет использования его вертикальной части, при этом вертикальная часть реактора зафутерована огнеупорным кирпичом. Диаметр вертикальной части увеличен с 720 до 1030 мм. В результате объем зоны реакции увеличился в 3 раза.
Все эти меры позволили увеличить нагрузку на реакторы по сырью с 3500 кг/час до 5000-5400 кг/час, увеличить выход технического углерода из сырья, а также организовать выпуск технического углерода серии 600 (N660, N650), что на реакторах РС 50/3500 не представлялось возможным.
Недостатки конструкции реактора для получения полуактивного технического углерода Омского завода технического углерода:
- увеличение диаметра камеры горения более чем в 1,5 раза в сравнении с диаметром камеры реакции приводит к повышению теплового напряжения на конструкцию футеровки, что вызывает ограничение подачи топлива, необходимого для повышения производительности реактора по углеводородному сырью;
- распыление углеводородного сырья воздухом высокого давления, подогретым до 500°С, создает условия для вскипания «легкой» части сырья в форсунках, что приводит к необходимости частой ревизии для исключения возникновения гритообразования;
- дополнительная подача технологического воздуха в камеру реакции приводит к локальному повышению температуры в камере реакции, что увеличивает пористость технического углерода, искажая тем самым один из важных параметров технического углерода - удельную внешнюю поверхность. Другим конструктивным недостатком этого решения является снижение надежности работы футеровки в связи с высокой агрессивностью рабочей среды, содержащей щелочные присадки в углеводородном сырье;
- увеличение производительности за счет увеличения камеры реакции путем использования вертикальной части реактора приводит к снижению надежности работы футеровки из-за попадания закалочной воды на стенку футеровки вертикальной части реактора, что приводит к работе плотных огнеупоров (муллитокорунд Al2O3≥85%) в условиях высоких термических напряжений («термошок»). Кроме того, в нижней части вертикальной зоны скапливается большое количество влажного технического углерода, что также приводит к снижению срока службы огнеупоров.
В качестве прототипа выбран реактор для получения полуактивных марок технического углерода конструкции В.Ю.Орлова (Орлов В.Ю. Производство и использование технического углерода для резин / В.Ю.Орлов, А.М.Комаров, Л.А.Ляпина. - Ярославль: Издательство Александр Рутман, 2002, с.197-198, рис.5.29). Данная конструкция наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к реакторам для получения полуактивных марок технического углерода.
Получение полуактивных марок характеризуется меньшими скоростями реакции и более длительным временем пребывания продуктов реакции до их охлаждения, что обусловливается сравнительно низкими температурами в зоне реакции и ее большим объемом (диаметром и протяженностью).
Конструкция большегрузного реактора производства полуактивных марок технического углерода должна обеспечить:
- полное сгорание природного газа в камере горения;
- низкую удельную площадь поверхности получаемого продукта;
- требуемое значение показателя «светопропускание толуольного экстракта», который является оценкой количества неразложившихся углеводородов на поверхности частиц;
- требуемую чистоту продукта (минимальное коксование реактора).
Реактор представляет собой горизонтально расположенный аппарат, цилиндрический корпус которого футерован огнеупорным материалом. В соответствии со стадиями протекания технологического процесса реактор условно делится на камеры горения, реакции с зоной смешения и закалки. Горелочное устройство включает в себя четыре диффузионные газовые горелки, расположенные на передней крышке камеры горения реактора. Горелки расположены симметрично по образующей окружности диаметром большим, чем диаметр входа в зону реакции. Газовоздушный поток направлен на футеровку задней стенки камеры горения. Для выполнения этого условия диаметр камеры горения значительно увеличен. Ввод сырья осуществляется аксиальной пневматической форсункой, установленной на передней торцовой крышке камеры горения в ее центре, или четырьмя радиальными механическими форсунками, расположенными в начальном участке камеры реакции. Возможна и подача сырья аксиальной и радиальными форсунками одновременно. При этом смешивание сырья с продуктами горения и его испарение начинается в камере горения и завершается в начале камеры реакции, так что зона смешения захватывает часть камеры горения и начало камеры реакции. Камера реакции является продолжением камеры горения и имеет диаметр 830 мм, что в 1,5 раза меньше, чем диаметр камеры горения. Для обеспечения необходимого времени пребывания углеводородов в зоне реакции ее размер не является жестко установленным. Он регулируется в зависимости от производимой марки технического углерода. Это достигается изменением вдоль камеры реакции места установки радиальных водяных форсунок, вводящих воду для охлаждения (закалки продуктов реакции), которая испаряется в зоне закалки, охлаждая поток до заданной температуры. Зона реакции заканчивается в точке первого ввода закалочной воды. Продолжительность пребывания продуктов реакции до их закалки водой может быть более 1 с, что обеспечивает нормированное значение показателя «светопропускание толуольного экстракта». Вертикальная часть реактора большого диаметра выполняет функцию гравитационного уловителя частиц кокса и футеровки. На реакторе данной конструкции получают технический углерод марок N660, N650, N539, N550, П514.
Недостатками прототипа являются:
- камера горения работает в условиях предельно допустимой тепловой нагрузки на футеровку. Это приводит к уменьшению срока службы футеровки камеры горения и сокращению межремонтного пробега реактора;
- значительные габаритные размеры камер горения и реакции и соответственно большие капитальные затраты;
- данная конструкция не исключает условий гритообразования и ухудшения качества продукции.
Задачей изобретения в части устройства является увеличение срока службы реактора, увеличение межремонтного пробега, сохранение эффективности реактора при уменьшении габаритных размеров и повышение качества получаемого полуактивного технического углерода.
Поставленная задача решается за счет того, что в реактор для получения полуактивного технического углерода, содержащий камеру горения с горелками для подачи топливно-воздушной смеси, в которой горелки симметрично расположены по образующей окружности на передней торцовой крышке камеры горения, зону смешения с радиальными форсунками для подачи сырья, камеру реакции и зону охлаждения, введены отличительные признаки:
- камера горения по диаметру равна камере реакции, а длина камеры горения составляет 1,8-2 ее диаметра;
- горелки размещены таким образом, что их выходы расположены по периферии внутренней поверхности камеры горения так, что наружный диаметр образующей окружности каждой горелки касается изнутри описанной окружности диаметра, равного диаметру камеры горения;
- между камерой реакции и камерой горения выполнено сужение в виде сопла с конфузором и диффузором;
- для радиальной подачи сырья используют пневмомеханические форсунки;
- количество форсунок для введения радиальных потоков углеводородного сырья в аксиальные потоки дымовых газов соответствует количеству горелок, при этом они расположены так, что ось симметрии каждой форсунки пересекается с осью симметрии соответствующей горелки.
Сущность изобретения поясняется чертежом - общий вид реактора для получения полуактивного технического углерода.
Наилучший вариант осуществления изобретения по устройству
На чертеже представлена конструкция реактора для получения полуактивных марок технического углерода. Реактор представляет собой горизонтально расположенный аппарат, цилиндрический корпус которого футерован огнеупорным материалом. В соответствии со стадиями протекания технологического процесса реактор условно делится на камеру горения 1, зону смешения 2, камеру реакции 3 и зону охлаждения 4. В предлагаемом реакторе камера горения 1 и камера реакции 3 имеют одинаковый диаметр. На передней торцовой крышке 5 камеры горения 1 установлены горелки 6 в количестве не менее 6 штук, обеспечивающие подготовку топливно-воздушной смеси и ее ввод в камеру горения. Оси симметрии горелок 6 параллельны центральной оси корпуса реактора. Конструкция горелок, обеспечивающая высокую степень смешивания газа и воздуха, а также предварительный подогрев воздуха в рекуперативных воздухоподогревателях до температуры 650-700°С, обеспечивают полноту горения топлива в камере горения 1. Горелки 6 размещены на торцовой крышке 5 равномерно по окружности так, что их выходы расположены по периферии внутренней поверхности камеры горения, а наружный диаметр образующей окружности каждой горелки касается изнутри описанной окружности диаметра, равного диаметру камеры горения 1. Такая установка горелок обеспечивает организацию горения топливно-воздушной смеси в пристенной зоне камеры горения. Между камерами горения и реакции расположена зона смешения 2, выполненная в виде смесительного сопла 7 с цилиндрическим горлом и коническими конфузором и диффузором. Диаметр горла (калибр критического сечения) составляет 645 мм, длина смесительного сопла около 1000 мм, что создает минимальное гидравлическое сопротивление, обеспечивающее местное увеличение скорости потока продуктов горения примерно в 2 раза по сравнению со скоростью в камере горения. Смесительное сопло 7 выполнено из фасонного огнеупора, обеспечивающего сохранение геометрической формы при высоких температурах. Для подачи в зону смешения 2 углеводородного сырья в плоскости, пересекающей горло смесительного сопла перпендикулярно его оси, установлены радиальные пневмомеханические сырьевые форсунки 8. Количество форсунок 8 и их расположение соответствуют количеству и расположению горелок 6, то есть ось симметрии каждой форсунки пересекается с осью симметрии соответствующей горелки. Такое взаимное расположение горелок 6 и форсунок 8 приводит к тому, что радиальные потоки сырья, впрыскиваемого пневмомеханическими форсунками, пронизывают аксиальные потоки дымовых газов, движущихся в критическом сечении со скоростью до 150 м/с, что способствует интенсивному испарению сырья и исключает процесс гритообразования. На конечном участке камеры реакции 3 установлены радиальные водяные форсунки 9 для ввода в поток продуктов реакции (углеродогазовой смеси) воды, которая испаряется в зоне охлаждения 4, прекращая реакцию и охлаждая поток до заданной температуры.
Реактор работает следующим образом.
Топливо (газ под давлением 1,5-2,0 кгс/см2) и воздух среднего давления, предварительно подогретый в рекуперативных воздухоподогревателях до температуры 700°С, вводят в камеру горения 1 горелками 6, установленными на передней торцовой крышке 5. Газовоздушная смесь из горелок 6, выходы которых расположены по периферии внутренней поверхности камеры горения 1, распространяется по ее поверхности, обеспечивая организацию горения смеси в пристенной зоне в форме цилиндрических потоков пламени, направленных по образующим поверхности стенок. Далее аксиальные потоки продуктов горения (дымовых газов) настильно двигаются со скоростью до 70 м/с по внутренней поверхности камеры горения 1, не смешиваясь друг с другом, и достигают зоны смешения 2, выполненной в виде смесительного сопла 7 с коническими конфузором и диффузором. Благодаря наличию конического конфузора происходит плавное сужение потока и увеличение скорости аксиальных потоков продуктов горения в горле сопла (критическом сечении) примерно до 150 м/с с сохранением формы потока. В горле сопла 7 аксиальные потоки продуктов горения пронизываются радиальными потоками углеводородного сырья, впрыскиваемого пневмомеханическими сырьевыми форсунками 8. Высокая скорость движения потока в горле сопла способствует возникновению значительных усилий сдвига, способствующих интенсивному дроблению капель сырья, его эффективному испарению и смешиванию с продуктами горения (дымовыми газами), одновременно препятствуя попаданию капель неиспарившегося сырья на поверхность камеры. Это существенно снижает вероятность гритообразования. Далее смесь паров сырья с продуктами горения через конический диффузор поступает в камеру реакции 3, где происходит процесс термоокислительного разложения смеси с образованием технического углерода. Конический диффузор обеспечивает снижение скорости потока и исключает возможность образования завихрений и застойных зон при выходе смеси из зоны смешения 2. Время пребывания углеводородов в камере реакции 3 для завершения процесса образования технического углерода определяет длину камеры реакции 3, на конечном участке которой в углеродогазовый поток радиальными форсунками 8 вводится охлаждающая вода.
Достигаемый технический результат:
- сохранение эффективности реактора при уменьшении габаритных размеров и повышение качества получаемого полуактивного технического углерода;
- увеличение срока службы реактора и межремонтного пробега (не менее 3-х лет между капитальными ремонтами) при эффективной работе реактора с производительностью по углеводородному сырью до 5000 кг/час и выше и стабильном качестве получаемой продукции;
- снижение материалоемкости и минимизация капитальных вложений за счет уменьшения габаритных размеров;
- возможность при модернизации производства вписать данную конструкцию в существующее производство без увеличения площадей реакторного отделения.
1. Способ получения полуактивного технического углерода из жидкого углеводородного сырья путем его термоокислительного разложения в реакторе, включающий предварительный нагрев жидкого углеводородного сырья до температуры 150-200°С, технологического воздуха за счет рекуперативного теплообмена с аэрозолем технического углерода - до температуры 650-700°С, смешивание топлива с нагретым технологическим воздухом с коэффициентом избытка воздуха 1,2-1,3, организацию полного горения топливной смеси в камере горения при температуре не выше 1750°С для получения дымового газа с остаточным активным кислородом, из расчета полного горения топлива по количеству остаточного воздуха 0,7-1,0 нм3 на 1 кг углеводородного сырья, смешивание углеводородного сырья в потоке дымового газа, испарение углеводородного сырья, его термоокислительное разложение с образованием аэрозоля технического углерода, его предварительное охлаждение путем впрыска химически очищенной воды и его последующее охлаждение, отличающийся тем, что горение топливной смеси организуют на внутренней поверхности камеры горения, длина которой составляет 1,8-2 диаметра камеры горения, несколькими отдельными аксиальными струями, распространяющимися со скоростью, в 1,5-2 раза превышающей скорость распространения пламени, с образованием потоков дымовых газов, движущихся со скоростью 60-70 м/с, и поступающих в зону смешения с увеличением скорости до 130-150 м/с, достигаемым за счет уменьшения сечения в зоне смешения, куда радиальными струями, пронизывающими каждый аксиальный поток дымовых газов, подают углеводородное сырье, распыляемое воздухом высокого давления с температурой 60-80°С, при условии соотношения скоростей сырья и дымовых газов 1:(3-5), далее образовавшийся поток углеводородогазовой смеси с уменьшением скорости за счет расширения поступает в камеру реакции, объем которой определяют из условий соотношения диаметров камеры горения и камеры реакции 1:1, рабочей температуры в зоне испарения 1450-1550°С, в зоне пиролиза - 1320-1380°С и времени пребывания в камере реакции 0,5-0,8 с.
2. Реактор для получения полуактивного технического углерода, содержащий камеру горения с горелками для подачи топливно-воздушной смеси, в которой горелки симметрично расположены по образующей окружности на передней торцовой крышке камеры горения, зону смешения с радиальными форсунками для подачи сырья, камеру реакции и зону охлаждения, отличающийся тем, что камера горения по диаметру равна камере реакции, длина камеры горения составляет 1,8-2 ее диаметра, горелки размещены таким образом, что их выходы расположены по периферии внутренней поверхности камеры горения, так, что наружный диаметр образующей окружности каждой горелки касается изнутри описанной окружности диаметра, равного диаметру камеры горения, между камерой реакции и камерой горения выполнено сужение в виде сопла с конфузором и диффузором, для радиальной подачи сырья используют пневмомеханические форсунки, количество которых соответствует количеству горелок, при этом они расположены так, что ось симметрии каждой форсунки пересекается с осью симметрии соответствующей горелки.
