агрегат тепловой обработки волокнистого материала

Формула изобретения

АГРЕГАТ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащий корпус с зонными нагревателями, внутри которого установлена графитовая щелевидная рабочая камера, имеющий на входе и выходе затворы и патрубки для отсоса отработанных газообразных продуктов и подачи инертного газа, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство предварительной обработки, выполненное в виде щелевидного короба с расположенными по центру по всей длине зонными нагревателями и имеющее на входе и в средней части устройства патрубки для выбросов продуктов, а от входа корпуса рабочей камеры на расстоянии, равном 60 - 75% всей ее длины, установлено устройство для сжигания газообразных продуктов пиролиза, представляющее собой соединение обогреваемых вертикальной и наклонной труб, при этом графитовая щелевидная рабочая камера выполнена из графитовых плит, уложенных в поперечном направлении с зазором между каждой плитой, составляющим 0,2 - 0,3 толщины плиты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аппаратурному оформлению производства химических волокон, а именно к устройству для тепловой обработки гидратцеллюлозых волокнистых материалов при получении углеродного волокна.

Известно устройство, предназначенное для карбонизации и парогазовой активации волокнистых материалов в виде тканей. Аппарат состоит из горизонтальной электрической печи, в которой установлена щелевидная рабочая камера прямоугольного поперечного сечения с нижним и верхним газораспределительными устройствами, соединенными со змеевиками для подачи и отвода газоообразных продуктов пиролиза. На выходе из аппарата предусмотрено устройство для протягивания через рабочее пространство обрабатываемого материала. Однако, данный аппарат имеет следующие недостатки:

- на входе и выходе из рабочего пространства отсутствуют герметизирующие устройства, что не может обеспечить получение качественного материала,

- отвод газообразных продуктов пиролиза из рабочего корпуса посредством змеевика не может обеспечить нормальную работу аппарата, т. к. газообразные продукты пиролиза выделяющиеся при карбонизации, содержат смолообразные продукты, конденсирующиеся при высокой температуре и превращающиеся в высоковязкую массу, удаление которой из змеевиков представляет большую трудность.

Известно устройство для тепловой обработки лентообразных волокнистых материалов, содержащее герметичный цилиндрический корпус, верхнюю и нижнюю крышки, теплоизоляцию, коаксиальный нагреватель и плоскую графитовую щелевидную рабочую камеру. На входе и выходе рабочей камеры установлены герметизирующие затворы с патрубками для отсоса отработанного агента. Каждый затвор содержит уплотнительные валики и установленные в корпусе затвора две уплотнительные эластичные шторки и щелевые сопла для подачи инертного газа на материал.

Конструкция рабочей камеры, выполненной из сплошного графита, практически исключает возможность создания внутри камеры разнотемпературных зон, т. е. поддержания в рядом расположенных зонах разности температур в 60^оС и более при минимальной длине зоны, а именно при соотношении длины зоны к ее ширине, равном 1,5: 1. Отсутствие разнотемпературных зон не позволяет вести процесс карбонизации гидратцеллюлозных волокнистых материалов согласно заданной технологии.

Цель изобретения - повышение качества производимого волокнистого материала за счет усовершенствования конструкции аппарата карбонизации.

Поставленная цель достигается за счет того, что в агрегате тепловой обработки волокнистых материалов, содержащем корпус с зонными нагревателями, внутри которого установлена графитовая щелевидная pабочая камера, имеющем на входе и выходе затворы и патрубки для отсоса отработанных газообразных продуктов и подачи инертного газа, согласно изобретению дополнительно содержится устройство предварительной обработки, выполненное в виде щелевидного короба с расположенными по центру по всей длине зонными нагревателями и имеющего на входе и в средней части камеры патрубки для выбросов газообразных продуктов, а от входа корпуса рабочей камеры на расстоянии, равном 60-75% всей ее длины, установлено устройство для сжигания газообразных продуктов пиролиза, представляющее собой соединение обогреваемых вертикальной и наклонной труб, при этом графитовая щелевидная рабочая камера выполнена из графитовых плит, уложенных в поперечном направлении с зазором между каждой плитой, составляющим 0,2-0,3 толщины плиты.

Выполнение графитовой рабочей камеры в виде металлического короба футерованного поперечно-уложенными графитовыми плитами, между которыми обязателен зазор, равный 0,2-0,3 толщины плиты, обеспечивает:

во-первых, достижение в аппарате карбонизации разнотемпературных зон, во-вторых, выравнивание перепадов температур по ширине рабочей камеры. Это объясняется тем, что такое расположение плит, состоящих из графита, имеющего высокую теплопроводность, способствует перераспределению (выравниванию) тепла по ширине более интенсивно, чем по длине короба, за счет наличия зазоров между плитами. Следует отметить, что металл рабочего короба имеет более низкую теплопроводность, чем графит и на перераспределение тепла влияет в меньшей степени, чем графит.

Размеры зазора обусловлены следующими факторами: при меньшем зазоре или соприкосновении графитовых, рядом расположенных плит, тепло за счет большей теплопроводности графита будет распространяться вдоль рабочей камеры, что приведет к уменьшению разности температур между зонами и, следовательно, к нарушению теплового режима устройства.

При зазоре, большем 0,3 толщины плиты, наблюдается увеличение рабочего пространства камеры, что вызывает уменьшение скорости газового потока отработанных продуктов пиролиза и, тем самым, ухудшение качества получаемого материала.

Ограничение попадания низкотемпературных газообразных продуктов в высокотемпературные зоны также находится в значительной зависимости от равномерности температуры обрабатываемого материала по ширине аппарата, т. к. снижается возможность выделения тепла низкотемпературных газообразных фракций из обрабатываемого материала в более высокотемпературных зонах.

Высота щели рабочей камеры между графитовыми плитами находится в пределах 15 толщин исходного материала, что обеспечивает максимальные скорости движения газовых потоков в рабочем пространстве, которые необходимы для лучшего удаления газообразных продуктов пиролиза с поверхности обрабатываемого материала, для уменьшения экзотермического эффекта и устранение конденсации высококипящих продуктов пиролиза на обрабатываемом материале и стенках устройства.

Например, скорость газового потока без графитовой футеровки примерно в 20 раз больше скорости движения обрабатываемого материала, между тем, как с графитовой футеровкой она больше в 100 раз.

Такие большие соотношения скоростей газов и материала необходимы, т. к. абсолютные скорости газовых потоков в рабочем пространстве очень низки и соответственно, равны: 1,5 м/мин (без футеровки) и 7,5 м/мин (с футеровкой).

Наличие в аппарате карбонизации устройства для сжигания газообразных продуктов пиролиза предотвращает их конденсацию в отводящих патрубках, забивание патрубков, нарушение газоотвода, и, как следствие, ухудшение качества производимого материала.

Устройство для сжигания газообразных продуктов пиролиза установлено на рабочем коробе после зон, имеющих температуру 350^оС, обеспечивающую прохождение процесса термодеструкции, сопровождающегося потерей до 70% массы обрабатываемого материала в газообразной форме, т. е. обильным выделением газообразных продуктов пиролиза, попадание которых в зоны высокотемпературной обработки недопустимо.

Наличие обогрева вертикальной и наклонной труб предотвращает конденсацию газообразных продуктов, а стадия сжигания в наклонной трубе исключает попадание твердых продуктов сгорания внутрь рабочей камеры.

Наличие устройства предварительной обработки позволяет удалить из обрабатываемого материала перед карбонизацией авиважные и замасливающие препараты, соли, оставшиеся в волокне после формования, а также влагу, которые отрицательно влияют на качество получаемого углеродного волокнистого материала.

На чертеже представлен агрегат тепловой обработки волокнистого материала, общий вид. Агрегат состоит из следующих основных узлов: рабочей камеры, выполненной из металлического короба 1 с графитовой футеровкой, теплоизоляции 2, станины 3, капсюляции 4 и устройства для сжигания продуктов пиролиза 5. На верхней и нижней наружной поверхности рабочего короба установлены нагреватели 6, которые разбиты на температурные автоматические регулируемые зоны. Внутренняя часть рабочего короба футеруется поперечно расположенными графитовыми плитами - нижними 7, уложенными непосредственно на дно металлического короба, и верхними 8, которые укладываются на полосы, прикрепленные к боковым стенкам короба. Между плитами предусмотрен зазор 9, равны 0,2-0,3 толщины плиты. Ширина графитовых плит составляет 0,1-0,15 длины плиты. Расстояние между плитами по вертикали, т. е. высота щели рабочей камеры соответствует 15 толщинам исходного материала. На входе и выходе из рабочей камеры находятся патрубки 10 для подачи инертного газа, а также устанавливаются герметизирующие затворы 11. Рабочий короб устанавливается на станине, теплоизолируется и закрывается металлическим кожухом 12.

Устройство для сжигания устанавливается на рабочем коробе после зон, имеющих температуры 350^оС, и представляет собой соединение вертикальной 13 и наклонной труб 14, сваренных из жаропрочного материала. Наружная поверхность труб имеет электрический обогрев с автоматическим регулированием температуры. В верхнем торце наклонной трубы имеется патрубок 15 для подачи сжатого воздуха. На другом конце наклонной трубы помещается поддон 16.

Агрегат тепловой обработки волокнистого материала 17 содержит устройство предварительной обработки 18, представляющее собой щелевидный рабочий короб 20 с расположенными по центру на всей длине нагреватели 21, разбитыми на несколько температурных зон. На входе и в средней части камеры имеются патрубки удаления продуктов распада 19. Также агрегат имеет транспортирующие органы 22, питающие и приемные устройства (не показаны).

В процессе работы исходный материал подается транспортирующими органами в камеру предварительной обработки, где он проходит в прямом направлении (под нагревателями) и в обратном направлении (над нагревателями) через ряд температурных зон. Низкотемпературные фракции пропитывающего состава и вода удаляются через патрубки отсоса. Затем материал 17 подается в рабочую камеру агрегата через входной затвор, и двигаясь, постепенно нагревается в соответствии с температурами в зонах. Инертный газ, подаваемый через патрубки на входе аппарата прямотоком с материалом и выделяющимися продуктами пиролиза, перемещается до устройства сжигания, где смесь газов выходит, смешивается со сжатым воздухом, который способствует сгоранию горючих компонентов газов в наклонной части устройства.

Твердые остатки продуктов сгорания высыпаются в установленный поддон. Инертный газ, подаваемый на выходе аппарата, движется противотоком к материалу, предотвращая попадание низкотемпературных продуктов пиролиза в высокотемпературные зоны, находящиеся за устройством сжигания, и также отводится вместе с отработанными газообразными продуктами пиролиза в устройство сжигания.

Расположение устройства для сжигания после рабочей зоны с температурой 350^оС предотвращает попадание газообразных продуктов пиролиза, выделяющихся в начальной стадии процесса, в высокотемпературную зону, способствует повышению качества получаемого материала.

Выполнение труб устройства обогреваемыми способствует устранению конденсации газообразных продуктов пиролиза внутри труб, ведущий к забиванию труб, а тем самым, и к нарушению газоотвода из рабочего пространства аппарата, приводящему к получению бракованной продукции.

Наклонное положение трубы сжигания способствует полному удалению твердых остатков продуктов сгорания, исключены попадания их внутрь рабочей камеры, а сам процесс сжигания горючих компонентов газообразных продуктов пиролиза гарантирует стабильный отвод газов из рабочей камеры.

Выполнение графитовой щелевидной камеры с использованием поперечно уложенных с зазором графитовых плит способствует уменьшению перепада температур по ширине камеры, получению локализованных температурных зон по длине камеры, а также уменьшению поперечного сечения камеры путем уменьшения высоты до минимально необходимой величины, соответствующей 15 толщинам исходного материала.

Уменьшение поперечного сечения приводит к повышению скоростей отводимых с поверхности материала газовых потоков, что существенно улучшает качество материала.

Устранение температурного перепада по ширине рабочей камеры исключает попадание выделяющихся низкотемпературных газообразных продуктов на материал, подвергаемый обработке более высокой температурой в пределах одной температурной зоны (что наблюдается в металлической рабочей камере без графитовой футеровки). Это также положительно влияет на качество получаемого материала. (56) Авторское свидетельство СССР N 290975, кл. D 06 C 7/00, 1971.

Авторское свидетельство СССР N 777112, кл. D 06 C 7/00, 1980.