СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ТЕХУГЛЕРОДА Российский патент 2001 года по МПК C09C1/48 

Изобретение относится к технологии получения технического углерода путем термического разложения углеводородного (УВ) газового сырья и может быть использовано для получения различных марок термического техуглерода (П900 - П600), применяемого в различных резино-технических изделиях.

Известны способы получения технического углерода, при реализации которых используется частичная рециркуляция продуктов реакции (1. Патент ФРГ N 1130.100, кл. 22f, 14. 2. Патент США N 2673402, кл. 23-209, 4).

Известные способы получения технического углерода не могут быть использованы для осуществления непрерывного процесса термического разложения природного и попутного газов, поскольку не позволяют реализовать условия, необходимые для осуществления достаточно полного термического разложения газового УВ сырья. Существующие технологии получения технического углерода не позволяют обеспечить требуемые для полного термического разложения природного газа энергетические параметры при непрерывном процессе получения техуглерода. Отсюда принципиальное различие в технологических схемах осуществления термического разложения жидкого и газообразного УВ сырья. Существует достаточно много схем и технологий непрерывных процессов получения различных марок техуглерода из жидкого сырья в то время, как термическое разложение природного газа осуществляется в периодически действующих газонагревателях регенеративного типа.

Регенеративные нагреватели газа работают следующим образом. Насадка регенеративного нагревателя разогревается продуктами сгорания. При достижении требуемого температурного распределения по насадке газонагревателя камера сгорания, используемая при разогреве, отключается и в насадку подается углеводородное сырье, которое разлагается на водород и технический углерод за счет тепла, аккумулированного в насадке в период разогрева (3. Патент США N 3645685, кл. C 09 C 1/50). Газонагреватели регенеративного типа, используемые для этих целей, позволяют осуществить процесс разложения природного газа в достаточно полной степени. Выход техуглерода в регенеративных нагревателях различной конструкции и при использовании различного УВ газового сырья находится в пределах 35-50%. Процесс осуществляется циклически. В режиме разогрева происходит разогрев насадки газонагревателя, в рабочем режиме пиролиз. Большие времена пребывания реагентов в реакционном пространстве позволяют осуществить передачу реагирующему газу требуемого количества тепла, необходимого для прохождения реакции. Осуществить термическое разложение природного газа другими методами, в том числе непрерывного действия, не представляется возможным, поскольку известные технологии непрерывного действия не обеспечивают требуемые для полного термического разложения природного газа энергетические параметры процесса.

Основным недостатком данного способа является периодичность работы газонагревателей регенеративного типа. Переходные процессы, связанные с переключением регенеративных нагревателей газа с нагрева насадки на пиролиз, оказывают отрицательное влияние на качественные показатели получаемой продукции. Аппараты данной конструкции инерционны и материалоемки. Процесс термического разложения метана в газонагревателях регенеративного типа сопровождается значительными выбросами продуктов реакции в окружающую среду. Выход техуглерода при реализации известных способов термического разложения природного газа в газонагревателях регенеративного типа, как правило, значительно меньше, чем в существующих схемах переработки жидкого УВ сырья.

Наиболее близким по достигаемому техническому результату является способ получения технического углерода, включающий сжигание топлива с воздухом, подачу УВ сырья в продукты горения топлива, разложение сырья с образованием газоуглеродных продуктов, часть которых рециркулируют в зону горения, а другую направляют на получение техуглерода (4. Авт. свидетельство СССР N 850642, опубл. 30.07.81. кл. C 09 C 1/50). Известные способы получения технического углерода с использованием частичной рециркуляции продуктов реакции характеризуются следующей последовательностью операций. Сначала осуществляется сжигание топлива, затем в высокотемпературный поток продуктов сгорания впрыскиваются УВ сырье и продукты рециркуляции. УВ сырье разлагается за счет тепла продуктов сгорания с образованием сажистого углерода. Подача совместно с УВ сырьем в поток продуктов сгорания рециркулируемых продуктов способствует более полному прохождению реакции. В этом случае частицы сажи, попадаемые в поток продуктов сгорания, служат добавочными центрами конденсации и способствуют более полному прохождению реакции термического разложения УВ сырья в потоке продуктов сгорания.

Недостатком данного способа является недостаточно высокий выход технического техуглерода (порядка 58%). Это связано с тем, что сжигание топлива осуществляется с большими коэффициентами избытка воздуха. При этом часть сырья, подаваемого для получения технического углерода, при взаимодействии с кислородом, содержащимся в продуктах горения топлива, сгорает, что приводит к уменьшению выхода конечного продукта. Схема осуществления процесса - подача в поток продуктов сгорания смеси сырья и рециркулируемых продуктов не позволяет осуществить сжигание топлива в условиях близких к стехиометрическим. Данный способ не позволяет осуществить термическое разложение природного газа, поскольку его энергетические параметры недостаточны для переработки на технический углерод газообразного УВ сырья.

Устранение указанных выше недостатков является задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение. Реализация заявляемого технического решения позволит получить технический результат, заключающийся в осуществлении непрерывного процесса получения термического технического углерода, сокращении энергозатрат на производство технического углерода и повышение его выхода.

В заявляемом способе получения термического техуглерода, включающем горение топлива с воздухом, смешение продуктов сгорания, перерабатываемого сырья и рециркулируемой части газоуглеродной смеси, с последующим охлаждением f продуктов реакции и выделением углерода, горение топлива осуществляют с коэффициентом избытка воздуха α = 0,9-1,1, предварительно осуществляют смешение рециркулируемой части газоуглеродной смеси с перерабатываемым сырьем в соотношении 1:1,5-2,5, после чего в полученную смесь вводят продукты сгорания, при этом соотношение объемов продуктов сгорания и смеси равно 0,3-0,5: 1.

Для достижения технического результата необходим также предварительный подогрев сырья и топлива до 300-400^oC, а воздуха на горение до 550-600^oC. Поскольку температура рециркулируемых продуктов реакции 1250-1300^oC, то для их рециркуляции невозможно использование стандартных нагнетателей. Для частичного возврата продуктов реакции используется эжектирование рециркулируемых продуктов за счет располагаемого давления УВ сырья.

Данный способ получения технического углерода из газообразного УВ сырья основывается на новых результатах изучения механизма термического разложения природного газа, полученных авторами в последние годы. Образование технического углерода является многостадийным процессом. На первой стадии происходит образование полиароматических молекул, являющихся зародышами будущих сажевых частиц. Если этот процесс ничем не тормозится, т.е. подвод энергии извне соответствует необходимым величинам, то при определенной концентрации активных зародышей процесс сажеобразования происходит лавинообразно. Первая стадия заявляемого способа, заключающаяся в смешении рециркулируемых продуктов реакции с исходным сырьем, является инициирующей стадией образования сажевых частиц. Таким образом осуществляется предварительная подготовка подаваемого на термическое разложение сырья, которая приводит к появлению в потоке зародышевых центров конденсированной фазы. Часть углеводородного сырья при этом остается неразложившейся. Таким образом, после первой стадии процесса за счет тепловой и химической энергии рециркулируемых продуктов происходит инициация потока с частичным образованием активных полиароматических молекул. На второй стадии, при подаче в получаемую смесь высокотемпературных продуктов сгорания происходит "доработка" образовавшейся на первой стадии полиароматики до сажевых частиц и термическое разложение непрореагировавшей части природного газа до сажи. Полнота прохождения реакции определяется наличием в потоке большого числа активных центров, образующихся при смешении исходного газа с продуктами рециркуляции. Необходимым условием осуществления процесса является предварительный подогрев всех компонентов, подаваемых на реакцию. Течение газа в реакторе осуществляется в турбулентном режиме с активным перемешиванием всех участвующих в реакции компонентов. Подача в реакционный объем компонентов с низкой температурой приводит к закаливанию образующихся полиароматических структур и к резкому уменьшению их энергетической активности. При этом возрастает энергия активации образования сажи и наступает общее торможение процесса.

Заявляемые интервалы значения коэффициента избытка воздуха α = 0,9-1,1 являются необходимым условием повышения выхода углерода, так как соответствуют максимальной энтальпии продуктов сгорания. При α меньше 0,9 сгорает не все топливо, что приводит к снижению степени разложения сырья. При α, большем, чем 1,1, энтальпия продуктов сгорания также снижается, так как избыточный воздух не участвует в процессе горения, а является разбавителем продуктов сгорания.

Оптимальное соотношение объемов продуктов сгорания при α = 0,9-1,1 и объемов смеси сырья и продуктов рециркуляции реакции термического разложения определено из экспериментального изучения данного процесса получения технического углерода. Соотношение объемов 0,3-0,5:1 позволяет обеспечить максимальный в процентном отношении выход технического углерода. При данном соотношении выход техуглерода по отношению к вводимому в процесс углероду с УВ газообразным сырьем равнялся 66-69%. При соотношении 0,22-0,25 выход техуглерода был 55-57%. При соотношении 0,55-0,60 выход был равен 53-48%.

Увеличение выхода техуглерода и регулирование его дисперсности достигается также за счет изменения соотношения объемов рециркулируемых продуктов реакции и сырья (газа). С целью обеспечения оптимального выхода технического углерода это соотношение должно находится в интервале 1,5-2,5:1. При этом выход технического углерода равен 66-68%. При соотношениях 1: 1 или 3:1 обеспечивается выход техуглерода на уровне 42-50%.

При соблюдении указанного выше соотношения 1,5-2,5 достигается решение поставленной задачи - осуществление непрерывного процесса термического разложения в широком пределе изменения состава тяжелых углеводородов C_nH_n газообразного сырья, подвергаемого переработке.

На чертеже представлена схема для реализации непрерывного способа получения термического техуглерода.

На чертеже показаны реактор 1 с инжектором 2, подогреватель воздуха 3, подогреватель газа 4, трубопровод подачи газоуглеродной смеси в инжектор 5, трубопровод подачи газоуглеродной смеси из реактора в подогреватель воздуха 6, трубопровод для подачи смеси в подогреватель газа 7, трубопровод для подачи продуктов реакции в системы улавливания 8, трубопроводы подачи газа 9 и 10, трубопровод подачи воздуха на горение 11.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

В реактор 1 через инжектор 2 подается предварительно нагретый газ. Инжектор служит для подачи рециркулируемых продуктов в реактор. Подача рециркулируемых продуктов осуществляется по трубопроводу 5. Подогрев воздуха и газа, используемого на горение, а также газа, используемого для получения технического углерода (сырья), осуществляется в подогревателях 3 и 4, откуда по трубопроводам 9,10 и 11 газ на горение, сырье и воздух подается в реактор. Подача горячих продуктов реакции в подогреватель воздуха и газа осуществляется по трубопроводам 6 и 7. После прохождения подогревателей газосажевая смесь направляется в систему очистки сажи по трубопроводу 8.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:
- процесс получения технического углерода из газа осуществляется непрерывно;
- увеличение выхода технического углерода из газа по сравнению с известными способами в 1,5 раза;
- сокращается расход энергоресурсов на получение техуглерода на 60-70%;
- реализация данного способа может быть осуществлена без нарушения экологии.

Изобретение относится к технологии получения технического углерода методом термического разложения природного газа и может быть использовано для получения различных марок термического углерода из газообразных углеводородов, в том числе из природного газа. Сущность изобретения: способ получения термического техуглерода включает горение топлива с воздухом при коэффициенте избытка воздуха α = 0,9 - 1,1, смешение продуктов сгорания, перерабатываемого сырья и рециркулируемой части газоуглеродной смеси с последующим охлаждением продуктов реакции и выделением углерода, причем предварительно осуществляют смешение рециркулируемой части газоуглеродной смеси с перерабатываемым сырьем в соотношении 1:1,5 - 2,5, после чего в полученную смесь вводят продукты сгорания при соотношении объемов продуктов сгорания и смеси 0,3 - 0,5:1. Сырье и топливо предварительно подогревают до 300 - 400^oC. Воздух также подогревают до 550 - 600^oC. Применение данного способа позволит расширить номенклатуру производимого технического углерода из природного газа при значительном снижении энергозатрат и полной экологической безопасности производства. Выход продукта составляет 62 - 70%. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения термического техуглерода, включающий горение топлива с воздухом, смешение продуктов сгорания, перерабатываемого сырья и рециркулируемой части газоуглеродной смеси с последующим охлаждением продуктов реакции и выделением углерода, отличающийся тем, что горение топлива осуществляют с коэффициентом избытка воздуха α = 0,9-1,1, предварительно осуществляют смешение рециркулируемой части газоуглеродной смеси с перерабатываемым сырьем в соотношении 1:1,5-2,5, после чего в полученную смесь вводят продукты сгорания, при этом соотношение объемов продуктов сгорания и смеси равно 0,3-0,5:1. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сырье и топливо, подаваемое на горение, предварительно подогревают до 300-400^oC. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух на горение предварительно подогревают до 550-600^oC.