устройство для получения монооксида углерода из углеродных материалов

Формула изобретения

1. Устройство для получения монооксида углерода из углеродных материалов, содержащее проточный вертикальный реактор с распределительной решеткой, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено циркуляционным насосом, вакуум-насосом, газгольдером, адсорбером, узлом сбора монооксида углерода и системой трубопроводов с контрольно-измерительными приборами и арматурой, кроме того, реактор дополнительно снабжен нагревательным устройством, бункером, а также нагревателем для входящего газового потока и холодильником для выходящего газового потока, при этом система трубопроводов выполнена так, что выход холодильника соединен со входом газгольдера, а выход газгольдера присоединен ко входу циркуляционного насоса, кроме того, выход циркуляционного насоса соединен с нагревателем входящего в реактор газового потока, вход вакуум-насоса присоединен к узлу сбора монооксида углерода и выходу газгольдера, при этом вход адсорбера соединен с выходом газгольдера, а выход адсорбера соединен с узлом сбора монооксида углерода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве узла сбора газа оно содержит компрессор, выход которого соединен трубопроводом с баллоном для монооксида углерода.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что узел сбора газа дополнительно содержит емкость высокого давления, соединенную системой трубопроводов с адсорбером, вакуум-насосом и баллоном для монооксида углерода.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что емкость высокого давления помещена в сосуд с хладагентом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неорганической химии, в частности к устройствам для получения монооксида углерода СО, который может быть использован как сырье для промышленного производства продуктов органического синтеза.

Известно устройство (S.Yoshida, J.Matsumami, Y.Hosokawa, O.Yokota, Y.Tamaura. Energy & Fuels, v.13, p.p.961-964 (1999)), предназначенное для лабораторного получения монооксида углерода взаимодействием угля с двуокисью углерода в расплаве солей металлов, включающее реактор барботажного типа, помещенный в электронагреватель. Известное устройство позволяет реализовать способ, в котором порцию угля вносят в нагретый расплав и по барботеру подают СО₂. Получаемый СО выходит по трубопроводу из газовой фазы над расплавом.

Недостатком известного устройства является трудность его эксплуатации, обусловленная возможностью закупоривания барботера затвердевшим расплавом, что препятствует подаче СО₂ в реактор. К сожалению, необходимость использования расплавов солей как дополнительного вида сырья для целей укрупненного производства СО характеризуется трудностью выгрузки затвердевших расплавов из реактора, необходимостью его дополнительной очистки от остатков расплава и золы.

В работе Т.Ido, М.Mori, G.Jin and S.Goto. Kagaku Kagaku Ronbunshu, v.27, No.1, pp.121-126 (2001) раскрыто устройство для получения монооксида углерода газификацией угля диоксидом углерода в обогреваемом реакторе с мешалкой. При использовании известного устройства диоксид углерода СО₂ вводят под слой гранулированного угля, механически перемешиваемого при повышенных температурах, а получаемый СО отводят из верхней части реактора.

Недостатком известного устройства является использование в реакторе движущихся частей мешалки, а также трудность контроля процесса в результате неконтролируемого измельчения частиц угля при перемешивании, которое сопровождается неконтролируемым изменением скорости реакции.

Известно устройство для получения монооксида углерода взаимодействием угля и СО ₂, представляющее собой вертикальный трубчатый проточный реактор с пористой перегородкой в нижней части, на которую загружают слой угольного порошка (Т.Kodama, A.Funatoh, K.Shimizu and Y.Kitayama. Energy & Fuels, v.15, p.p.1200-1206 (2001)). Реактор помещен в электронагреватель. Подачу СО₂ осуществляют под перегородку, при этом порошок угля переходит в псевдоожиженное состояние, а полученный СО отбирают из верхней части реактора.

К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность обеспечения высокой степени превращения угля (не более 60%) и, следовательно, низкий выход СО.

Описанные выше известные устройства для получения монооксида углерода являются, по существу, лабораторными установками, предназначенными для узких специальных целей.

В статье В.Tibor, R.Dezso, Т.Istvan. Energiagázdálkodás, v.40, No.3, p.p.6-8 (1999) раскрыто устройство для опытно-промышленного получения монооксида углерода, содержащее реактор диаметром 250 мм и высотой 1350 мм, на дне которого расположена решетка. К нижней части реактора присоединен металлический ящик для сбора золы (так называемый зольник). Подвод кислорода и/или воздуха, необходимых для сгорания углеродного материала, осуществляется через рубашку зольника под решеткой. Верхняя часть реактора закрывается затворным элементом водяного охлаждения. Образовавшийся СО покидает реактор через трубопровод на боковой стороне затворного элемента.

Сущность работы известного устройства состоит в том, что на решетку загружают слой керамического боя высотой 50 мм, а затем слой кокса крупностью не более 40 мм. Загруженный кокс зажигается горелкой, работающей на природном газе и размещенной на 100 мм выше решетки; в то же время обеспечивается поток воздуха через слой кокса снизу вверх.

Процесс кислородной газификации кокса, реализуемый с помощью известного устройства, представляет собой сжигание кокса до СО₂; образовавшийся диоксид углерода проходит через слой раскаленного кокса, который восстанавливает диоксид углерода до монооксида углерода:

.

Конструкция известного устройства позволяет работать только в однопроходном проточном режиме, а процесс получения монооксида углерода является периодическим. Содержание СО в выходящем газе при оптимальном распределении температуры достигает 80%.

Известное устройство не позволяет получать в промышленных масштабах монооксид углерода высокой чистоты (содержание СО не более 80%), который можно было бы использовать при производстве органических и металлоорганических соединений. Недостатком также являются высокая температура процесса 1200-1400°С в реакторе за счет теплоты сгорания кокса и трудность ее контроля. Высокая температура процесса также вызывает спекание кокса, что приводит к росту гидравлического сопротивления слоя с 20 до 1500 Па за 3-4 часа. Другим недостатком является использование пожароопасных природного газа и кислорода. Проточный характер реактора не позволяет существенно увеличить расход воздуха или кислорода (при расходе кислорода 1,5-3,0 м³/ч выход СО составляет 55-80%), а значит, не позволяет увеличить производительность устройства.

В рамках данной заявки решается задача разработки такой конструкции устройства получения монооксида углерода, которая позволила бы реализовать промышленный, технологически простой и экономичный способ получения монооксида углерода за счет увеличения выхода СО, а также увеличения производительности реактора (съем продукта с единицы объема реактора) не менее 160 м ³/(ч·м³). Имеется потребность в получении монооксида углерода чистотой не менее 99% с одновременным снижением доли остаточного диоксида углерода до 1% (не более). Имеется также необходимость в снижении температуры процесса до 1100-1150°С путем использования в качестве сырья диоксида углерода и углеродного материала.

Поставленная задача решается тем, что устройство для получения монооксида углерода из углеродных материалов, содержащее проточный вертикальный реактор с распределительной решеткой, дополнительно снабжено циркуляционным насосом, вакуум-насосом, газгольдером, адсорбером, узлом сбора монооксида углерода и системой трубопроводов с контрольно-измерительными приборами и арматурой, кроме того, реактор дополнительно снабжен нагревательным устройством, бункером, а также нагревателем для входящего газового потока и холодильником для выходящего, при этом система трубопроводов выполнена так, что выход холодильника соединен со входом газгольдера, а выход газгольдера присоединен ко входу циркуляционного насоса, при этом выход циркуляционного насоса соединен с нагревателем входящего газового потока, вход вакуум-насоса присоединен к узлу сбора монооксида углерода и выходу газгольдера, кроме того, вход адсорбера соединен с выходом газгольдера, а выход адсорбера соединен с узлом сбора монооксида углерода.

Предпочтительным является то, что в качестве узла сбора газа устройство содержит компрессор, выход которого соединен трубопроводом с баллоном для монооксида углерода.

Целесообразно для целей получения монооксида углерода в сжатом состоянии, чтобы узел сбора газа дополнительно содержал емкость высокого давления, соединенную системой трубопроводов с адсорбером, вакуум-насосом и баллоном для монооксида углерода. Кроме того, с целью получения сжатого монооксида углерода емкость высокого давления помещена в сосуд с хладагентом.

Адсорбер заполнен адсорбентом для доочистки монооксида углерода от остатков диоксида углерода.

На чертеже представлена принципиальная схема установки для получения монооксида углерода. На схеме введены следующие обозначения: 1 - реактор с нагревательным устройством и распределительной решеткой (на чертеже не показаны), 2 - бункер, 3 - нагреватель входящего газового потока, 4 - холодильник выходящего газового потока, 5 - газгольдер, 6 - адсорбер, 7 - компрессор, 8 - циркуляционный насос, 9 - вакуумный насос, 10 - баллон с СО₂, 11 - баллон для СО, 12 - емкость высокого давления, 13-21 - вентили.

Сущность данного устройства для получения монооксида углерода состоит в том, что оно содержит проточный реактор с бункером, нагреватель входящего газового потока СО₂ и холодильник для выходящего газового потока СО, газгольдер, а также циркуляционный насос, вакуум-насос и узел сбора целевого продукта, соединенные системой трубопроводов так, что устройство позволяет реализовать промышленный экономичный одностадийный способ получения монооксида углерода из углеродного материала, в частности угля, при одновременном уменьшении содержания остатков газа СО₂ в целевом продукте и при одновременном снижении температуры процесса.

Установка для получения монооксида углерода работает следующим образом.

В бункер 2 реактора 1 загружают необходимое количество активированного угля. Затем реактор 1 с бункером 2 продувают небольшим количеством диоксида углерода из баллона 10, при этом вентили 14 и 17 закрыты, а вентиль 13 открыт. После продувки реактора 1 включают нагревательное устройство реактора 1, например электропечь, и нагреватель 3 входящего потока СО ₂. После достижения содержания СО в газе, выходящем из реактора, не менее 95% вентиль 13 закрывают, а вентиль 14 открывают и собирают полученный СО, пропуская его через холодильник 4 выходящего газового потока в предварительно отвакуумированный с помощью вакуумного насоса 9 газгольдер 5, при этом вентили 15 и 16 закрыты. После заполнения газгольдера 5 монооксидом углерода закрывают подачу СО₂ из баллона 10, а вентили 16 и 17 открывают, после чего включают циркуляционный насос 8 и с помощью циркуляции газовой смеси через замкнутый контур, включающий реактор 1 с нагревателем 4 для входящего газового потока СО ₂ и холодильником 3 выходящего газового потока СО, газгольдер 5 и циркуляционный насос 8, соединенные трубопроводами, доводят содержание СО в выходящем газовом потоке до 98 %. Затем выключают нагрев реактора 1 и циркуляционный насос 8, закрывают вентиль 16, открывают вентиль 15 и через адсорбер 6 закачивают целевой продукт, содержащий не менее 99% СО, из газгольдера 5 в баллон 11 для СО либо компрессором 7 при закрытом вентиле 18 и открытом вентиле 19, либо путем промежуточной конденсации СО в емкости высокого давления 12, охлаждаемой хладагентом, например жидким азотом, при открытом вентиле 18 и закрытом вентиле 19. Перед заполнением емкость высокого давления 12 вакуумируют с помощью вакуум-насоса 9, а после конденсации СО емкость высокого давления 12 нагревают до температуры окружающей среды, переводя сжиженный монооксид углерода в газообразное состояние и затем напускают газ в баллон 11 для хранения СО.

Данное устройство позволяет реализовать в промышленном масштабе экономичный одностадийный процесс получения монооксида из углеродного материала, например угля, который может быть представлен следующим уравнением:

Изобретение может быть использовано для реализации промышленного способа получения монооксида углерода чистотой не менее 99% с одновременным снижением доли остаточного диоксида углерода не более чем до 1%, пригодного как сырье для промышленного производства продуктов органического синтеза, либо для лабораторных целей. Изобретение позволяет повысить выход монооксида углерода, уменьшить температуру проведения процесса, увеличить единичную мощность установки.

Устройство характеризуется оптимальным конструктивным исполнением, позволяющим реализовать простой, технологичный способ получения монооксида углерода из углеродного материала при температуре не выше 1150°С, что приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая возможность получать и хранить монооксид углерода как при атмосферном, так и при повышенном (150 атм и более) давлении в количествах, необходимых для промышленного производства химической продукции. Устройство может быть легко освоено любым профильным (специализированным) предприятием, а его конструкция позволяет создавать установки различной единичной мощности - от небольших мобильных генераторов до крупных промышленных модулей.