способ получения низкодисперсного технического углерода и реактор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения низкодисперсного (малоактивного и полуактивного) технического углерода из жидкого углеводородного сырья путем его термоокислительного разложения в реакторе вертикального типа, включающий предварительный нагрев жидкого углеводородного сырья до температуры 150-200°С, технологического воздуха за счет рекуперативного теплообмена с аэрозолем технического углерода до температуры 450-650°С, смешивание топлива с нагретым технологическим воздухом с коэффициентом избытка воздуха 1,2-1,3, организацию полного горения топливной смеси в зоне горения при температуре 1540-1700°С для получения дымового газа с остаточным активным кислородом из расчета полного горения топлива по количеству остаточного воздуха 0,4-1,0 нм³ на 1 кг углеводородного сырья, смешивание углеводородного сырья в потоке дымового газа в зоне смешения, испарение углеводородного сырья, его термоокислительное разложение (пиролиз) с образованием аэрозоля технического углерода, предварительное охлаждение путем впрыска химически очищенной воды и его последующее охлаждение, отличающийся тем, что способ осуществляют в реакторе, заявленном по п.4, в котором камера горения, зона смешения и камера испарения находятся в вертикальной части реактора, а зона пиролиза и зона предварительного охлаждения - в его горизонтальной части (камере реакции), при этом горение топливной смеси организуют в камере горения циклонного типа с образованием потока дымовых газов, вращающегося с тангенциальной скоростью у стенки 20-50 м/с, движущегося аксиально вниз со скоростью 0,6-1,0 м/с и поступающего в зону смешения с увеличением скорости до 1,1-1,5 м/с, достигаемым за счет уменьшения сечения в зоне смешения, куда несколькими струями во вращающийся поток дымовых газов подают углеводородное сырье при условии соотношения скорости сырья и тангенциальной скорости дымовых газов в зоне впрыска 1:(2÷4), далее образовавшийся поток углеводородогазовой смеси через диффузор поступает в камеру испарения, в которую тангенциально подают предварительно подогретый до температуры 450-650°С технологический воздух, закручиваемый в направлении, противоположном направлению вращения потока дымовых газов, с обеспечением рабочей температуры в камере испарения 1400-1650°С, затем поток образовавшегося углеводородного пара с увеличением скорости до 9-14 м/с за счет увеличения объема и сужения камеры испарения, переходящей в вертикальный канал, проходит до горизонтальной камеры реакции, куда поступает с уменьшением скорости до 8,5-13 м/с за счет увеличения диаметра в 1,1 раза, и где в зоне пиролиза устанавливают температуру 1240-1360°С и обеспечивают его время пребывания 0,8-4 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения полуактивного технического углерода углеводородное сырье вводят радиально.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения малоактивного технического углерода углеводородное сырье вводят под углом 90 170° относительно вектора тангенциальной скорости вращающегося потока дымовых газов.

4. Реактор для получения низкодисперсного технического углерода, включающий вертикальный цилиндрический корпус, внутренняя полость которого футерована огнеупором, оборудованный крышкой, тангенциальными газовыми горелками, формирующими вращающийся поток дымовых газов, сырьевыми форсунками для подачи углеводородного сырья и каналами ввода в корпус технологического воздуха, и горизонтальный боров, футерованный изнутри огнеупором и снабженный форсунками для впрыскивания охлаждающей воды, отличающийся тем, что во внутренней полости цилиндрического корпуса выполнено местное сужение в виде сопла с конфузором и диффузором, диаметр которого составляет 0,75-0,8 внутреннего диаметра корпуса, формирующее в верхней части полости камеру горения, а в нижней - камеру испарения, которая плавно переходит в вертикальный цилиндрический канал при соотношении диаметров 1:(0,45÷0,5), сообщающийся с камерой реакции при соотношении диаметров 1:1,1, крышка вертикального корпуса, футерованная изнутри огнеупором, образующая купольный свод, выполнена с вертикальным корпусом зацело и снабжена аксиальным патрубком для осмотра внутренней полости корпуса, в горловине сопла равномерно по окружности установлены радиальные пневмомеханические или механические сырьевые форсунки, причем сопловые наконечники механических форсунок развернуты в горизонтальной плоскости на угол 90 170° относительно вектора тангенциальной скорости вращающегося потока дымовых газов, а в стенке камеры испарения выполнены тангенциальные каналы для ввода технологического воздуха и закручивания его в направлении, противоположном направлению вращения потока дымовых газов.

5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что пневмомеханические форсунки используют для получения полуактивного технического углерода, а механические форсунки используют для получения малоактивного технического углерода.

6. Реактор по п.4, отличающийся тем, что количество сырьевых форсунок должно быть не менее 6.

7. Реактор по п.4, отличающийся тем, что тангенциальные газовые горелки, количество которых определяется производительностью реактора, но не менее четырех, размещены по окружности камеры горения равномерно.

Описание изобретения к патенту

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 низкодисперсного (малоактивного и полуактивного) технического углерода.

Предшествующий уровень техники

Известен способ получения низкодисперсного (малоактивного) технического углерода, включающий образование топливной смеси за счет сжигания части жидкого углеводородного сырья, подаваемого в реактор, или топки многотопочной печи механическими форсунками. При этом другая часть распыленного углеводородного сырья испаряется и при условии недостатка кислорода термически разлагается с образованием твердых частиц низкодисперсного технического углерода. Для обеспечения горения углеводородов воздух подают в реактор или топку через специальные щелевые отверстия, обеспечивающие перемешивание с горящими каплями углеводородного сырья. Кроме того, в футеровке реактора (многотопочной печи) предусматривают организацию подачи дополнительного воздуха в зону реакции для регулирования физико-химических свойств получаемого технического углерода. При этом количество поступающего в реактор воздуха обеспечивают за счет регулирования уровня разрежения в реакторе (печи), обеспечиваемого дымососом, установленным после реактора (печи) перед подачей аэрозоля технического углерода в электрофильтр для улавливания получаемого технического углерода [Зуев В.П., Михайлов В.В. «Производство сажи», Москва, 1970 г., стр.152-155). В описанном способе отсутствуют необходимые технологические приемы по поддержанию стабильного режима (температуры в зоне реакции, расхода воздуха на горение жидкого сырья и условий сажеобразования), атмосферный воздух используют без его предварительного нагрева. Недостатком способа является его низкая эффективность из-за сгорания части сырья и его неполного разложения. Кроме того, часть углеводородного сырья остается на поверхности получаемого технического углерода, что приводит к ухудшению качества продукта и нарушению экологии.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения низкодисперсного [малоактивного и полуактивного) технического углерода из жидкого углеводородного сырья путем его термоокислительного разложения в вертикальном реакторе, включающий предварительный нагрев жидкого углеводородного сырья до температуры 150-200°С, технологического воздуха за счет рекуперативного теплообмена с аэрозолем технического углерода до температуры 450-650°С, смешивание топлива с нагретым технологическим воздухом с коэффициентом избытка воздуха 1,2-1,3, организацию полного горения топливной смеси в зоне горения при температуре 1540-1700°С для получения дымового газа с остаточным активным кислородом, из расчета полного горения топлива по количеству остаточного воздуха 0,4-1,0 нм ³/кг углеводородного сырья, смешивание углеводородного сырья в потоке дымового газа, испарение углеводородного сырья, его термоокислительное разложение с образованием аэрозоля технического углерода в зоне реакции в течение времени, составляющего 2-3 с при температуре 1260-1330°С, его предварительное охлаждение путем впрыска химически очищенной воды и его последующее охлаждение (RU 2317308 C1, опубликован 20.02.2008 г.).

Одним из серьезных недостатков указанного по прототипу способа получения низкодисперсного [малоактивного и полуактивного] технического углерода является возможность получения технического углерода с параметрами, отличными от требований спецификации, и прежде всего - по показателю дисперсности. Другим недостатком является возможность гритообразования. Кроме того, часть углеводородного сырья остается на поверхности получаемого технического углерода, что приводит к ухудшению качества продукта.

Задачей настоящего изобретения является интенсификация процесса получения низкодисперсного [малоактивного и полуактивного] технического углерода, снижение возможности гритообразования, повышение выхода технического углерода по показателям, соответствующим требованиям международной спецификации ASTM D1765 и ГОСТ 7885-86.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решается за счет того, что в способ получения низкодисперсного (малоактивного и полуактивного) технического углерода из жидкого углеводородного сырья путем его термоокислительного разложения в реакторе вертикального типа, включающий предварительный нагрев жидкого углеводородного сырья до температуры 150-200°С, нагрев технологического воздуха за счет рекуперативного теплообмена с аэрозолем технического углерода до температуры 450-650°С, смешивание топлива с нагретым технологическим воздухом с коэффициентом избытка воздуха 1,2-1,3, организацию полного горения топливной смеси в зоне горения при температуре 1540-1700°С для получения дымового газа с остаточным активным кислородом, из расчета полного горения топлива по количеству остаточного воздуха 0,4-1,0 нм³ на 1 кг углеводородного сырья, смешивание углеводородного сырья в потоке дымового газа в зоне смешения, испарение углеводородного сырья, его термоокислительное разложение (пиролиз) с образованием аэрозоля технического углерода, предварительное охлаждение путем впрыска химически очищенной воды и его последующее охлаждение введены отличительные признаки, заключающиеся в следующем.

Способ осуществляют в реакторе, заявленном по п.4 формулы изобретения, в котором камера горения, зона смешения и камера испарения находятся в вертикальной части реактора, а зона пиролиза и зона предварительного охлаждения - в горизонтальной части реактора (камере реакции), при этом горение топливной смеси организуют в камере горения циклонного типа с образованием потока дымовых газов, вращающегося с тангенциальной скоростью у стенки 20-50 м/с, движущегося аксиально вниз со скоростью 0,6-1,0 м/с и поступающего в зону смешения с увеличением скорости до 1,1-1,5 м/с, достигаемым за счет уменьшения сечения в зоне смешения, куда несколькими струями во вращающийся поток дымовых газов подают углеводородное сырье, при условии соотношения скорости сырья и тангенциальной скорости дымовых газов в зоне впрыска 1(2÷4), далее образовавшийся поток углеводородогазовой смеси через диффузор поступает в камеру испарения, в которую тангенциально подают предварительно подогретый до температуры 450-650°С воздух низкого давления, закручиваемый в направлении, противоположном направлению вращения потока дымовых газов, с обеспечением рабочей температуры в камере испарения 1400-1650°С, затем поток образовавшегося углеводородного пара с увеличением аксиальной скорости до 9-14 м/с за счет возрастания его объема и сужения камеры испарения, переходящей в вертикальный канал, проходит до камеры реакции, куда поступает с уменьшением скорости до 8,5-13 м/с за счет увеличения диаметра в 1,1 раза, и где в зоне пиролиза устанавливают температуру 1240-1360°С и обеспечивают его время пребывания 0,8-4 с.

Для получения полуактивного технического углерода углеводородное сырье вводят радиально с использованием пневмомеханических форсунок.

Для получения малоактивного технического углерода углеводородное сырье вводят под углом 90 170° относительно вектора тангенциальной скорости вращающегося потока дымовых газов с использованием механических форсунок.

Реализация способа по предлагаемому изобретению.

На фиг.1 показан способ получения низкодисперсного технического углерода, который осуществлен на реакторе, включающем в себя:

- вертикальную часть (корпус) 1 в составе: камеры горения 2, зоны смешения 3, камеры испарения 4, вертикального канала 5;

- горизонтальную часть (камеру реакции) 6 в составе: зоны пиролиза 7 и зоны охлаждения (закалки) аэрозоля технического углерода 8.

Технологический процесс в реакторе начинается с зоны горения, где в ограниченных объемах камеры горения 2 осуществляют полное сжигание топлива в присутствии предварительно нагретого до температуры 450-650°С технологического воздуха с помощью 4-х диффузионных тангенциальных горелок, обеспечивающих интенсивное вращение продуктов горения природного газа с тангенциальной скоростью у стенки камеры горения в пределах 20-50 м/с в зависимости от количества топлива, углеводородного сырья и марки получаемого технического углерода. Коэффициент избытка воздуха в камере горения устанавливают в пределах 1,2-1,3 с целью исключения возможности повышения рабочей температуры в камере горения выше 1700°С, обеспечивающей надежную и длительную работу купольного свода крышки реактора. Диаметр камеры горения составляет 2940 мм. Образовавшийся в результате горения вращающийся поток дымовых газов движется вниз с аксиальной скоростью 0,6-1,0 м/с и достигает зоны смешения 3, выполненной в виде смесительного сопла с коническими конфузором и диффузором. В критическом сечении (горловине) сопла установлены радиальные пневмомеханические форсунки, обеспечивающие тонкий распыл для подачи углеводородного сырья при получении полуактивного технического углерода марки N550, N650, N660, или механические форсунки для подачи углеводородного сырья при получении малоактивного технического углерода марки П803, П701. При этом сопловой наконечник механической форсунки устанавливают под углом 90-170° относительно вектора тангенциальной скорости вращающегося потока дымовых газов. Диаметр горловины сопла составляет 2400 мм, что обеспечивает увеличение аксиальной скорости дымовых газов и введенного в поток углеводородного сырья до 1,1-1,5 м/с при незначительном гидравлическом сопротивлении в пределах 1,0-1,5 кПа. Высокая результирующая (тангенциальная и аксиальная) скорость исключает возможность проскока капель углеводородного сырья на внутреннюю поверхность сопла и исключает вероятность образования грита в зоне ввода в реактор углеводородного сырья. Далее образовавшийся поток углеводородогазовой смеси через диффузор поступает в камеру испарения 4, диаметр которой равен диаметру камеры горения. Для обеспечения полноты испарения в нижнюю часть камеры испарения тангенциально вводят предварительно нагретый до температуры 450-650°С технологический воздух, количество которого соответствует установленной на реактор производительности по углеводородному сырью и марке получаемого технического углерода. При этом направление вращения технологического воздуха, вводимого в камеру испарения, противоположно направлению вращения потока дымовых газов, образовавшихся в камере горения. Это турбулизирует движение потоков газов, что приводит к интенсификации процессов тепломассообмена и снижению остатка неразложившегося сырья на поверхности появляющихся зародышей углеродных частиц. Далее углеводородный пар совместно с зародышами углеродных частиц через вертикальный канал 5 поступает в горизонтальную камеру реакции 6, в которой в зоне пиролиза 7 создают требуемые условия [рабочая температура, время пребывания], соответствующие параметрам получаемой марки технического углерода. Из зоны пиролиза аэрозоль технического углерода поступает в зону охлаждения [закалки], где заканчиваются реакции сажеобразования посредством резкого охлаждения технического углерода для достижения требуемых параметров соответствующим нормативным показателям по международной спецификации ASTM D1765 или ГОСТ 7885-86. Для достижения требуемой универсальности конструкции по дисперсности получаемого технического углерода в зоне охлаждения 8 предусматривается наличие предварительной закалки, позволяющее уменьшить время пребывания углеводородов в зоне пиролиза.

Примеры реализации указанного способа получения технического углерода приведены ниже в таблице.

Таблица
№ п/п	Наименование параметра	Ед. изм.	Марка технического углерода
П803	N762	N650	N550
1	2	3	4	5	6	7
I	Режимные параметры
1.	Расход углеводородного сырья	кг/час	4500	4450	4200	4000
2.	Расход природного газа	нм3/час	380	410	440	500
3.	Расход технологического воздуха в камеру горения	нм3/час	4400	4800	5200	6000
4.	Расход воздуха высокого давления на распыл сырья	нм3/час	-	-	1100	1200
5.	Расход химочищенной воды на охлаждение аэрозоля техуглерода	кг/час	3800	4100	4400	4600
6.	Расход технологического воздуха в камеру испарения	нм3/час	1800	2100	2500	2900
II	Технологические параметры
1.	Температура в зоне горения	°С	1570	1620	1650	1680
2.	Температура в камере испарения	°С	1420	1570	1600	1640
3.	Температура в камере реакции	°С	1240	1280	1320	1360
4.	Температура аэрозоля техуглерода в зоне закалки	°С	750	750	800	800
5.	Температура предварительного нагрева технологического воздуха	°С	450	550	600	640
6.	Тангенциальная скорость вращения дымовых газов в камере горения	м/с	25	32	41	49
7.	Давление сырья перед механической форсункой	МПа	1,6	1,4	-	-
8.	Аксиальная скорость движения продуктов горения в зоне смешения	м/с	1,0	1,12	1,3	1,48
9.	Время нахождения паров углеводородов в зоне пиролиза	с	3,5	2,0	1,5	0,8
10.	Удельный расход остаточного воздуха на 1 кг углеводородного сырья	нм3/кг сырья	0,53	0,63	1,03	1,275
11.	Выход технического углерода	%	68	66	65	64

Продолжение таблицы
III	Физико-химические параметры техуглерода
1.	Йодная адсорбция	мг/г	-	27	36	42
2.	Внешняя удельная поверхность по адсорбции азота	м2/г	20	29	36	40
3.	Адсорбция дибутилфталата	см3/100 г	81	65	120	123
4.	Отсевы на сетке - 0,5 мм - 0,14 мм	% %	0,001 0,01	ОТС 0,005	ОТС 0,01	ОТС 0,01
5.	Светопропускание толуольного экстракта не менее	%	80	85	86	92

Достигаемый технический результат

Преимуществом предлагаемого способа является возможность получения низкодисперсного технического углерода различных марок как малоактивного, так и полуактивного при одновременном снижении энергоемкости. Предложенный по изобретению технологический процесс получения технического углерода позволяет оптимизировать технологические затраты в части энергоресурсов, обеспечивающих достаточность параметров технологического процесса при обеспечении требуемого качества технического углерода.

Описание уровня техники по устройству

В качестве прототипа выбран реактор для получения низкодисперсных марок технического углерода конструкции ОЗТУ (В.И.Ивановский. Технический углерод. Процессы и аппараты: Учебное пособие. - Омск: ОАО «Техуглерод», 2004, с.52-53). Реактор представляет собой аппарат, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с водоохлаждаемой крышкой и горизонтальный боров. Внутренняя полость корпуса и борова футерована огнеупорным материалом. На крышке смонтированы аксиальные сырьевые форсунки (5 шт) и трубопроводы подачи воздуха низкого давления (4 шт). В верхней части вертикального корпуса установлена тангенциальная газовая горелка с каналом для подачи предварительно подогретого воздуха низкого давления. Ниже горелки в стенке корпуса на трех уровнях выполнены радиальные каналы для подачи воздуха низкого давления в полость корпуса (1-й и 2-й пояса) и внутрь борова. Углеводородное сырье и основную часть воздуха низкого давления аксиально подают в полость корпуса через сырьевые форсунки и трубопроводы крышки соответственно. Количество используемых форсунок и расход сырья зависят от марки получаемого технического углерода. Сырье частично окисляется в потоке воздуха и смешивается с продуктами горения, образовавшимися при сжигании природного газа в потоке воздуха низкого давления в газовой горелке. При движении смеси вниз происходит ее испарение и термическое разложение с образованием технического углерода. Регулирование дисперсности и структурности технического углерода производят за счет изменения количества воздуха, подаваемого через крышку корпуса и боковые каналы 1-го и 2-го пояса. Увеличение расхода воздуха через крышку корпуса (по периферии сырьевого факела) способствует снижению уровня дисперсности и структурности. В этом случае увеличивается время протекания реакций процесса образования технического углерода за счет более медленного перемешивания сырья и воздуха. При увеличении количества воздуха, подаваемого в боковые каналы, процессы смешивания интенсифицируются, скорость реакции возрастает, что ведет к увеличению удельной поверхности и абсорбции дибутилфталата. Образовавшийся технический углерод поступает в горизонтальный боров, в который через канал в корпусе также подают воздух низкого давления. При этом повышается температура в борове, и с поверхности технического углерода удаляются не полностью разложившиеся углеводороды, что способствует достижению высокого показателя уровня светопропускания толуольного экстракта. На реакторе данной конструкции получают низкодисперсный технический углерод марок N660, N650, N539, N550, П514. Недостатками прототипа являются:

- низкая эффективность реактора, обусловленная тем, что часть углеводородного сырья сгорает при аксиальном вводе его в корпус вместе с потоком воздуха;

- сложность конструкции и недостаточная надежность реактора, связанные с использованием водоохлаждаемой крышки;

- все стадии технологического процесса (горение, смешивание сырья с продуктами горения, испарение смеси, пиролиз) происходят во всем объеме вертикального корпуса реактора. Вследствие этого технологический воздух низкого давления для управления процессом вводят в корпус распределенно по высоте. Это приводит к:

- снижению качества продукции вследствие высокой вероятности гритообразования;

- увеличению габаритных размеров реактора;

- усложнению конструкции реактора и его эксплуатации;

- использование борова только для удаления с поверхности технического углерода не полностью разложившихся углеводородов;

- образование кокса на участке перехода из вертикального корпуса в боров.

Задачей изобретения в части устройства является повышение эффективности реактора при одновременном сохранении качества получаемого низкодисперсного (малоактивного и полуактивного) технического углерода, повышение надежности реактора, упрощение конструкции и эксплуатации реактора, уменьшение его габаритных размеров.

Поставленная задача решается за счет того, что в реактор для получения низкодисперсного [малоактивного и полуактивного] технического углерода вертикального типа, включающий вертикальный цилиндрический корпус, внутренняя полость которого футерована огнеупором, оборудованный крышкой, тангенциальными газовыми горелками, формирующими вращающийся поток дымовых газов, сырьевыми форсунками для подачи углеводородного сырья и каналами ввода в корпус воздуха низкого давления для сжигания топлива и для ведения технологического процесса, и горизонтальный боров, футерованный изнутри огнеупором и снабженный форсунками для впрыскивания охлаждающей воды внутрь борова, введены отличительные признаки, заключающиеся в следующем.

Во внутренней полости вертикального цилиндрического корпуса выполнено местное сужение в виде сопла с конфузором и диффузором, диаметр критического сечения (горловины) которого составляет 0,75-0,8 от внутреннего диаметра корпуса, формирующее в ее верхней части камеру горения, а в нижней - камеру испарения. Камера испарения плавно переходит в вертикальный цилиндрический канал при соотношении диаметров 1:(0,45÷0,5), сообщающийся с горизонтальным боровом, являющимся камерой реакции, при соотношении их диаметров 1:1,1. Крышка вертикального корпуса, футерованная изнутри огнеупором, образующая купольный свод, выполнена с вертикальным корпусом зацело и снабжена аксиальным патрубком для осмотра внутренней полости корпуса. В горловине сопла равномерно по окружности установлены радиальные пневмомеханические или механические сырьевые форсунки, причем сопловые наконечники механических форсунок развернуты в горизонтальной плоскости на угол 90-170° относительно вектора тангенциальной скорости вращающегося потока дымовых газов. В стенке камеры испарения выполнены тангенциальные каналы, для ввода воздуха низкого давления и закручивания его в направлении, противоположном направлению вращения потока дымовых газов.

Для получения полуактивного технического углерода используют пневмомеханические сырьевые форсунки, а для получения малоактивного технического углерода используют механические сырьевые форсунки.

Количество сырьевых форсунок должно быть не менее 6.

Тангенциальные газовые горелки, количество которых определяется производительностью реактора, но не менее четырех размещают по окружности камеры горения равномерно.

Реализация изобретения по устройству

На фиг.1 представлена конструкция реактора для получения низкодисперсных марок технического углерода. Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, выполненный с верхней крышкой 9 зацело, и горизонтальный боров (камеру реакции) 6. Корпус 1 [включая крышку 9] и камера реакции 6 футерованы изнутри фасонным огнеупором.

Внутри вертикального корпуса 1 выполнено местное сужение в форме сопла 10 с конфузором и диффузором, которое делит полость корпуса 1 на камеры. Выше сужения 10 расположена камера горения 2, а ниже - камера испарения 4. Диаметры камер 2 и 4 одинаковы и составляют 2940 мм. Длина камеры горения определяется условиями полного горения топлива и допускаемой тепловой нагрузкой купольного свода крышки 9.

Камера горения 2 предназначена для сжигания топлива - природного газа в потоке воздуха низкого давления с целью создания необходимого запаса тепла для ведения процесса. Для этого по окружности корпуса в камере горения равномерно установлены тангенциальные диффузионные газовые горелки 11, сжигающие топливо и формирующие объем тепла в виде вращающегося потока дымовых газов, движущегося аксиально вниз внутри корпуса 1.

На участке местного сужения формируют зону смешения 3, предназначенную для интенсивного смешивания углеводородного сырья с вращающимся потоком дымовых газов. С этой целью в горловине (цилиндрической части) сопла 10, диаметр которого составляет 2400 мм, равномерно по окружности устанавливают радиальные пневмомеханические или механические сырьевые форсунки 12. Сопловые наконечники 13 (фиг.1 А-А) механических форсунок развернуты в горизонтальной плоскости на угол 90-170° относительно вектора тангенциальной скорости вращающегося потока дымовых газов.

Ниже местного сужения расположена камера испарения 4, предназначенная для испарения углеводородного сырья. В стенке корпуса 1 в нижней части камеры испарения 4 выполнены тангенциальные каналы 14 (фиг.1 Б-Б), вводящие в камеру испарения 4 воздух низкого давления и закручивающие его в направлении, противоположном направлению вращения потока дымовых газов. Камера испарения в нижней части плавно переходит в вертикальный цилиндрический канал 5, диаметр которого составляет 1400 мм, сообщающийся с камерой реакции 6. Канал 5 переходит в камеру реакции 6 с поворотом на 90° и расширением 1:1,1.

На начальном участке камеры реакции 6 расположена зона пиролиза 7. На конечном участке зоны пиролиза 7 расположена зона охлаждения 8, в которой установлены радиальные водяные форсунки 15 для ввода в поток продуктов реакции (углеродогазовой смеси) воды, которая испаряется в зоне охлаждения 8, прекращая реакцию и охлаждая поток до заданной температуры.

Реактор работает следующим образом.

Топливо [газ под давлением 1,5-2,0 кгс/см² ) и технологический воздух, предварительно подогретый в рекуперативных воздухоподогревателях до температуры 450-650°С, вводят в камеру горения 2 тангенциальными горелками 11. Газо-воздушная смесь из горелок 11, выходы которых расположены по окружности внутренней поверхности камеры горения 2, распространяется по ее поверхности тангенциально, обеспечивая организацию горения смеси в форме закрученного потока пламени. Образовавшийся в результате горения поток дымовых газов, вращающийся с тангенциальной скоростью 20-50 м/с, движется вниз с аксиальной скоростью 0,6-1,0 м/с и достигает зоны смешения 3, выполненной в виде смесительного сопла 10 с коническими конфузором и диффузором. Благодаря наличию конического конфузора происходит плавное сужение потока и увеличение аксиальной скорости дымовых газов в горловине сопла (критическом сечении) до 1,1-1,5 м/с с сохранением формы потока. Установленные в горловине сопла 10 радиальные пневмомеханические или механические сырьевые форсунки 12 впрыскивают во вращающийся поток дымовых газов углеводородное сырье, при условии соотношения скорости сырья и тангенциальной скорости дымовых газов в зоне впрыска 1:(2÷4). С целью интенсификации процесса дробления капель сырья и смешивания его с дымовыми газами, сопловые наконечники 13 механических форсунок 12 развернуты в горизонтальной плоскости под углом 90-170° относительно вектора тангенциальной скорости вращающегося потока дымовых газов. Высокая результирующая (аксиальная и тангенциальная) скорость движения потока в горловине сопла, а также ввод сырья под углом способствуют возникновению значительных усилий сдвига, способствующих интенсивному дроблению капель сырья, его эффективному испарению и смешиванию с дымовыми газами, одновременно препятствуя попаданию капель не испарившегося сырья на внутреннюю поверхность. Это существенно снижает вероятность гритообразования. Далее образовавшийся поток углеводородогазовой смеси через диффузор поступает в камеру испарения 4, в нижнюю часть которой через тангенциальные каналы 14 вводят предварительно подогретый до температуры 450-650°С технологический воздух. Каналы 14 выполнены таким образом, что воздух, вводимый тангенциально, закручивается в направлении, противоположном направлению вращения потока дымовых газов. Количество вводимого воздуха устанавливают на реактор соответственно производительности по углеводородному сырью и марке получаемого технического углерода. Далее поток образовавшегося углеводородного пара с увеличением скорости до 9-14 м/с через вертикальный канал 5 проходит до камеры реакции 6. При входе в зону пиролиза 7, расположенную в начальном участке камеры реакции 6, скорость потока уменьшают до 8,5÷13 м/с за счет увеличения диаметра в 1,1 раза. Протяженность зоны пиролиза 7 определяется временем пребывания в ней углеводородов для завершения процесса образования технического углерода. Для малоактивного технического углерода это время составляет 2-4 с, а для полуактивного 0,8-2 с. Далее углеродогазовая смесь поступает в зону охлаждения 8, где в нее радиальными форсунками 15 впрыскивают охлаждающую воду с целью прекращения реакций сажеобразования и снижения температуры до уровня, обеспечивающего ее безопасное использование в расположенных далее по ходу технологического процесса устройствах рекуперативного подогрева.

Достигаемый технический результат

Повышение эффективности реактора при уменьшении габаритных размеров и увеличении выхода низкодисперсного (малоактивного и полуактивного) технического углерода, соответствующего по своим параметрам требованиям международной спецификации ASTM D1765 и ГОСТ 7885-86.

Повышение надежности, 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 стабильном качестве получаемой продукции.