реактор для получения углеродного материала каталитическим пиролизом углеводородсодержащих газов

Формула изобретения

Реактор для получения углеродного материала каталитическим пиролизом углеводородсодержащих газов, содержащий корпус, нагреватель, выполненный в виде камеры пульсирующего горения с резонансной трубой, размещенной в центральной части корпуса, узел подачи исходного реагента, штуцер загрузки катализатора, штуцер выгрузки готового продукта, линию отвода газообразных продуктов пиролиза, соединенную с камерой пульсирующего горения, отличающийся тем, что камера пульсирующего горения жестко соединена с корпусом и установлена на упругих опорах для обеспечения вибрационного перемещения, а линия подачи исходного реагента содержит рубашку, установленную на камере пульсирующего горения, и соединена коллектором с патрубками подачи реагентного газа, расположенными вокруг резонансной трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам по переработке и обезвреживанию углеводородсодержащих газов и может быть применено в технике получения углеродных материалов методом каталитического пиролиза.

Известен реактор для получения углеродного материала, состоящий из корпуса, в котором помещен слой катализатора, газораспределительной решетки, отводящего патрубка и нагревателя (Патент РФ №2108287). Слой катализатора в реакторе виброожижается с помощью вибратора, подключенного к корпусу. В качестве нагревателя используется электронагреватель, а газораспределительная решетка выполнена из пористой меди.

Существенными недостатками данной конструкции являются большое гидравлическое сопротивление решетки, возможность забивания пор газораспределительной решетки мелкодисперсным катализатором и неравномерная подача реагента. Это не позволяет получить углеродный материал с одинаковыми свойствами и однородной структурой.

Кроме этого, известно устройство, описанное в патенте РФ №2064889. Реактор состоит из корпуса, в котором содержится слой катализатора, узла подачи реагента в виде трубки, расположенной вертикально, один конец которой погружен в слой катализатора, отводящего патрубка и нагревателя. Слой катализатора в реакторе виброожижается с помощью вибратора, подключенного к корпусу реактора.

Недостатками данной конструкции являются дополнительные затраты механической энергии на ожижение слоя катализатора посредством вибратора, отсутствие предварительного нагрева реагентного газа, неравномерная подача газа в слой катализатора, большие затраты энергии на обогрев зоны реакции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является устройство, описанное в патенте РФ №2073064, МПК С10J 3/56, опубл. 02.10.1997 «Способ проведения эндотермических реакций и устройство для его осуществления». Устройство содержит корпус реактора, нагреватель, выполненный в виде камеры пульсирующего горения (КПГ), узел ввода топлива в камеру пульсирующего горения, штуцеры загрузки катализатора и выгрузки готового продукта и патрубок для введения псевдоожижающей среды в слой катализатора через газораспределительную решетку или сопла.

Недостатками данной конструкции являются возможность забивания отверстий газораспределительной решетки мелкодисперсным катализатором, унос мелких фракций катализатора, необходимость установки дополнительных дутьевых устройств подачи ожижающего агента для перевода катализатора в псевдоожиженное состояние и дополнительных нагревателей реагентного газа.

По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство, описанное в патенте РФ №2073064.

Технический результат заключается в повышении эффективности реактора для получения углеродного материала путем улучшения качества получаемого продукта и повышения производительности, а также в упрощении конструкции.

Указанный результат достигается тем, что в реакторе, состоящем из корпуса, нагревателя, выполненного в виде камеры пульсирующего горения с резонансной трубой, размещенной в центральной части корпуса, узла подачи исходного реагента, штуцера загрузки катализатора, штуцера выгрузки готового продукта, линии отвода газообразных продуктов пиролиза, соединенной с камерой пульсирующего горения, камера пульсирующего горения жестко соединена с корпусом и установлена на упругих опорах для обеспечения вибрационного перемещения, а линия подачи исходного реагента содержит рубашку, установленную на камере пульсирующего горения, и соединена коллектором с патрубками подачи реагентного газа, расположенными вокруг резонансной трубы.

Выполнение камеры пульсирующего горения жестко скрепленной с корпусом и установленной на упругих опорах обеспечивает вибрационное перемещение камеры пульсирующего горения с корпусом за счет импульсного выхлопа продуктов сгорания из резонансной трубы.

Вибрационное перемещение узлов реактора обеспечивает достижение виброожижения слоя катализатора, находящегося в корпусе реактора. Это позволяет упростить конструкцию за счет исключения агрегатов и элементов, обеспечивающих ожижение слоя катализатора. Регулировка амплитуды вибрации может осуществляться изменением жесткости упругих опор. Кроме этого, обеспечивается повышение производительности за счет отсутствия уноса каталитических частиц ожижающим агентом.

Выполнение линии подачи исходного реагента с рубашкой, установленной на камере пульсирующего горения и соединенной коллектором с патрубками подачи газа, расположенными вокруг резонансной трубы, обеспечивает предварительный подогрев исходного реагента за счет теплопередачи от продуктов сгорания через стенку камеры пульсирующего горения. Это позволяет повысить качество продукта. Подогретый газ из коллектора равномерно поступает в нижнюю часть реактора в слой катализатора, находящийся в виброожиженом состоянии. Это обеспечивает равномерный межфазовый контакт.

На чертеже показана конструкция предлагаемого устройства.

Реактор содержит корпус 1, установленный на камере сгорания 2 камеры пульсирующего горения, резонансная труба 3 которой проходит через центральную часть корпуса 1. Нижний конец резонансной трубы 3 соединен с камерой сгорания 2, а верхний соединен с атмосферой. На внешней части камеры сгорания 2 установлена рубашка 4. Рубашка 4 снабжена штуцером подвода реагентного газа 5, который расположен в нижней ее части. Верхняя часть рубашки соединена трубопроводом 6 с коллектором 7, коаксиально расположенным вокруг резонансной трубы 3. Коллектор 7 снабжен патрубками 8, нижняя часть которых погружена в слой катализатора 9. Корпус 1 снабжен загрузочным штуцером 10 для загрузки катализатора и штуцером 11 для выгрузки готового продукта. Верхняя часть корпуса 1 соединена трубопроводом 12 с камерой сгорания 2, внутри которой установлен запальник 13 и воздушный клапан 14. Камера пульсирующего горения жестко соединена с корпусом 1 и установлена на упругих опорах 15.

Совокупность перечисленных элементов образует реактор для получения углеродного материала каталитическим пиролизом углеводородсодержащих газов.

Реактор работает следующим образом. В корпус 1 засыпается слой катализатора через загрузочный штуцер 10, штуцер закрывается и через штуцер 5 подается реагентный газ. Газ, проходя через теплообменную рубашку 4, трубопровод 6 и коллектор 7, попадает через патрубки 8 в корпус реактора. Фильтруясь через слой катализатора 9, реагентный газ по трубопроводу 12 поступает в камеру сгорания по оси воздушного клапана 14 и воспламеняется запальником 13. После короткого промежутка времени камера пульсирующего горения, образованная камерой сгорания 2, резонансной трубой 3 и воздушным клапаном 14, выходит на устойчивый режим пульсирующего сжигания реагентного газа. Тепло, выделяющееся при горении, обеспечивает предварительный прогрев углеводородсодержащего газа в рубашке 4 и нагрев катализатора 9 в корпусе реактора 1. Прогретый в рубашке 4 реагентный газ по трубопроводу 6, коллектору 7 и патрубкам 8 направляется на пиролиз в слой катализатора 9. Расположение патрубков 8 соосно резонансной трубе 3 обеспечивает равномерное распределение газа в слое. В результате процесса пиролиза в корпусе 1 на катализаторе синтезируется углеродный материал и образуются газообразные горючие продукты, которые через трубопровод 12 вновь поступают в камеру сгорания 2, где утилизируются сжиганием, тем самым обеспечивая подвод тепла на предварительный прогрев исходного реагента и поддержание необходимой температуры в корпусе реактора 1.

В процессе работы реактора из резонансной трубы 3 происходит пульсирующий выхлоп продуктов сгорания с частотой 30-200 Гц, что обеспечивает вибрационное перемещение КПГ, установленной на упругих опорах 15, и жестко с ней скрепленного корпуса 1. Это приводит к виброожижению слоя катализатора 9 и обеспечивает равномерный контакт твердой и газообразной фазы в корпусе 1.

Пульсирующий режим сжигания в КПГ характеризуется большими градиентами давления и скорости в потоке продуктов сгорания, высоким уровнем генерируемого звука, что существенно сказывается на интенсивности теплоотдачи от продуктов сгорания к стенкам реактора 1 и теплообменной рубашке 4. Кроме этого, пульсирующее горение характеризуется малой эмиссией продуктов неполного горения и выбросами окислов азота.

По достижении заданного времени пиролиза прекращается подача реагентного газа через штуцер 5 и горение в КПГ прекращается. Выгрузку готового углеродного материала производят через штуцер 11.

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение эффективности реактора за счет улучшения качества получаемого продукта, повышения производительности, упрощения конструкции, утилизации газообразных продуктов пиролиза. При этом достаточно чистые продукты сгорания на выходе из реактора могут быть использованы в смежных технологических целях.