СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОГРАФИТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК C01B31/04 

Область техники.

Группа изобретений относится к получению углеграфитовых материалов, в частности к технологии и устройствам для получения пенографита (в т.ч. в составе линии по производству графитовой фольги) и может быть использована при изготовлении пенографита с развитой поверхностью, применяющегося в производстве гибкой фольги, в качестве сорбентов для очистки воды, сбора нефтепродуктов и т.п.

Предшествующий уровень техники.

Известен способ получения пенографита из окисленного графита в устройствах с газовыми горелками, в соответствии с которым топливный газ сжигается в газовой горелке, смешивается с воздухом, затем нагретый газ через слой теплоносителя поступает в камеру, где смешивается с окисленным графитом. Графит расширяется, подхватывается газовоздушным потоком и выносится в высокотемпературную зону, где дополнительно прокаливается для уменьшения степени загрязненности графита серой.

Устройство для осуществления данного способа состоит из вертикальной камеры вспенивания шахтного типа, расположенной в ее нижней части газовой горелки и последовательно соединенной с ней камеры прокаливания с расположенными в ее нижней части горелками (см. SU 1664743).

Известен также способ получения пенографита из окисленного графита в устройствах с газовыми горелками, в соответствии с которым топливный газ смешивают с воздухом, вдувают через горелки и поджигают в соплах последних. Окисленный графит с помощью сжатого воздуха подают в зону слияния двух факелов, температура которой 1000°С и выше. Распыленный в потоке воздуха графит здесь нагревается и вспенивается. Затем полученный пенографит подвергается прокаливанию и последующему отделению от газов.

Устройство для осуществления данного способа содержит вертикальную цилиндрическую камеру вспенивания, оснащенную двумя газовыми горелками, установленными под углом от 15 до 100 градусов друг к другу, и патрубком, размещенным в створе горелок и последовательно расположенную за камерой вспенивания камеру прокаливания (см. RU 2118290).

Анализ данных запатентованных технических решений показывает, что с точки зрения газодинамики и теплопередачи они не оптимизированы. Известно, что для получения качественного пенографита необходимо проводить нагрев окисленного графита с максимально высокой скоростью. Как правило, окисленный графит в зону проведения реакции вспенивания доставляется струей сжатого воздуха, что снижает температуру в этой зоне, вследствие чего ухудшается качество получаемого пенографита и снижается экономичность процесса. Кроме того, теплопередача от топочных газов к окисленному графиту в приведенных способах получения пенографита низка, что приводит к тому, что устройства для его получения габаритны и требуют больших энергетических затрат на прогрев установок перед работой и компенсацию тепловых потерь через теплоизоляцию установок во время работы.

Раскрытие изобретения.

Задачей изобретения является повышение качества пенографита и увеличение экономичности процесса его получения.

Поставленная задача решается способом получения пенографита в устройстве инжекторного типа, в соответствии с которым осуществляют следующие стадии:

а) смешивание топлива с воздухом с образованием топливовоздушной смеси;

б) зажигание полученной топливовоздушной смеси в выполненном в виде сопла горелочном насадке и формирование активного потока топочных газов в виде газопламенной струи;

в) инжектирование за счет скорости газопламенной струи пассивного потока атмосферного воздуха, добавление в пассивный поток окисленного графита и их совместную подачу в приемную камеру в область за срезом сопла;

г) смешение активного и пассивного потоков в камере смешения, быстрый нагрев окисленного графита с получением пенографита и последующее перемещение газов и пенографита через диффузор и далее по трубопроводу в устройство для их разделения;

д) отделение пенографита от газов.

В частных воплощениях изобретения, поставленная задача решается тем, что:

формируют активный поток со скоростью газопламенной струи от 35 до 200 м/с;

подачу графита осуществляют с расходом до 2 кг на 1 кг топочных газов;

смешивание топлива с воздухом осуществляют с коэффициентом избытка воздуха, составляющим 0,8-1,5;

получение пенографита осуществляют при условиях, обеспечивающих коэффициент инжекции по газу 0,05-0,5.

Поставленная задача решается также устройством инжекторного типа для получения пенографита, характеризующимся тем, что оно содержит цилиндрическую приемную камеру, состыкованную с насадком горелки в виде сопла и связанную с камерой смешения окисленного графита и продуктов сгорания топливовоздушной смеси, последовательно расположенные за камерой смешения диффузор и узел разделения пенографита и газа и расположенный над приемной камерой патрубок для подачи окисленного графита.

В частных воплощениях изобретения, поставленная задача решается тем, что:

дополнительно содержит конфузор, через который приемная камера связана с камерой смешения;

сопло, камеры, конфузор и диффузор расположены соосно в горизонтальной плоскости;

диаметр камеры смешения составляет 1,05-2 диаметра сопла, диаметр приемной камеры 1-2 диаметра камеры смешения, длина цилиндрической камеры смешения составляет 6-10 диаметров камеры смешения, угол раствора диффузора 8-10°;

устройство содержит высокоскоростную горелку.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Использование энергии сгорания топлива для вспенивания окисленного графита применяется уже на протяжении ряда лет, однако, как отмечалось, теплообмен окисленного графита и топочных газов затруднен, кроме того, струя сжатого воздуха, используемого для доставки окисленного графита к месту вспенивания, охлаждает продукты сгорания топлива, чем снижает температуру термообработки и качество пенографита. Присущие описанным техническим решениям недостатки могут быть устранены путем изменения схемы подачи окисленного графита к месту вспенивания и интенсификацией теплообмена при нагреве окисленного графита за счет использования высокоскоростных горелочных устройств.

Предложенное техническое решение основано на принципах работы инжекционных струйных устройств, в которых за счет кинетической энергии активного потока происходит инжектирование (подсос) пассивного потока.

Под активным потоком в данном случае понимается скоростная струя пламени, истекающая из сопла горелочного насадка высокоскоростной горелки, а под пассивным - поток атмосферного воздуха с добавленным в него окисленным графитом, инжектируемый струей пламени в полость состыкованной с горелочным насадком приемной камеры. Следует отметить, что при подаче в инжектируемый поток воздуха окисленного графита, общее количество инжектируемого воздуха снижается, причем, чем больше подается окисленного графита, тем меньше инжектируется воздуха.

В такой постановке проблема интенсификации процесса вспенивания может быть решена использованием устройства для получения пенографита, который должен быть выполнен в виде камеры смешения с диффузором и иными элементами конструкции типичного инжекторного устройства, с учетом особенностей его применения для вспенивания окисленного графита.

На фиг.1 представлен схематический разрез устройства инжекторного типа для вспенивания графита, и приняты следующие обозначения:

G_pc - массовый расход рабочей среды, G_иc - массовый расход инжектируемой среды, равный сумме массовых расходов инжектируемого воздуха и подаваемого окисленного графита.

Устройство состоит из горелки (не показана) с горелочным насадком 1 в виде сопла, имеющим выходной диаметр d₁. Сопло состыковано с приемной камерой 2. За срезом сопла 1 радиально установлен вертикальный патрубок 3, использующийся для подачи окисленного графита в среде инжектируемого воздуха. Приемная камера 2 через конфузор 4 связана с цилиндрической камерой смешения 5, имеющей диаметр d₂. Камера смешения 5 переходит в диффузор 6, имеющий форму усеченного конуса с диаметром на выходе d_d.

Важными характеристиками данного устройства являются диаметр выходного сечения (среза) сопла d₁, диаметр камеры смешения d₂, расстояние между срезом сопла и входом в камеру смешения L, длина камеры смешения и диффузора.

При расчете устройства задаются величиной коэффициента инжекции и по газу, определяемого как отношение массового расхода инжектируемого воздуха к таковому рабочей (топочных газов, истекающих из сопла устройства), и для заданного и определяют длину свободной струи l_с и ее диаметр d₄, по приближенным формулам:

где χ - опытная константа.

Формулы 1 и 2 используются в случае u≤0,5, при других значениях и применяются формулы 3 и 4.

Кроме того, учитывая существенное различие в температурах активного и пассивного потоков, необходимо учитывать изменение коэффициента инжекции по газу в зависимости от температуры:

где Т_п - температура пассивного потока, К;

Т_а - температура активного потока, К.

Оценка параметров l_с и d₄ для заданного u позволяет определиться с геометрией устройства, позволяющей провести процесс получения пенографита с наибольшей эффективностью.

Опытным путем установлено, что для этого коэффициент инжекции по газу должен составлять от 0,05 до 0,5.

В этом случае расстояние L принимается близким к l_с, а диаметр d₂ - не менее d₄. Рекомендуемая длина цилиндра камеры смешения L_см составляет от 6 до 10 d₂. Оптимальный угол конуса диффузора - α=8-10°.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Пример 1.

Вспенивание графита осуществлялось в устройстве со следующими параметрами

Диаметр сопла (горелочного насадка) d₁=28 мм.

Диаметр камеры смешения d₂=34 мм.

Длина цилиндра камеры смешения L_см=200 мм.

Угол раскрытия конуса диффузора α=8°.

Диаметр приемной камеры d₂=34 мм.

Диаметр трубопровода d_d=68 мм.

Коэффициентом избытка воздуха 1,05.

Тепловая мощность горелочного устройства составляла 25 кВт, при этом расход топочных газов активного потока с расчетной температурой 1500°С составлял около 9,5 г/с.

При добавлении в пассивный поток окисленного графита с расходом 6,6 г/с в камере смешения был получен пенографит с насыпной плотностью 2,6 г/литр, с рН=7. Температура на выходе диффузора установки составила 1015°С.

Далее пенографит и газы перемещались через диффузор в устройство для их разделения.

Пример 2.

При использовании устройства с теми же геометрическими параметрами, но тепловой мощностью 12,5 кВт, был получен пенографит с насыпной плотностью 3,7 г/литр, с рН=6. При этом расход топочных газов активного потока с расчетной температурой 1500°С составлял около 4,75 г/с.

Для сравнения осуществлялось вспенивание исходного окисленного графита в муфельной печи при температуре 1000°С.

Насыпная плотность пенографита составила 3,2 г/литр.

Из представленных примеров очевидны следующие преимущества изобретения.

1. Способ согласно изобретению более экономичен, поскольку при подаче окисленного графита в устройство для его расширения не используется сжатый воздух, сильно охлаждающий температуру в приемной камере. Время, необходимое для вспенивания, сокращается в несколько раз.

2. Полученный пенографит обладает улучшенным качеством - снижается насыпная плотность пенографита.

3. Уменьшаются габариты устройства, что позволяет использовать его на сравнительно небольших площадях.

Изобретение может быть использовано при изготовлении гибкой фольги, сорбентов, конструкционных материалов. Смешивают топливо и воздух. Коэффициент избытка воздуха 0,8-1,5. Полученную топливовоздушную смесь подают в сопло 1 диаметром d₁, зажигают с получением активного потока топочных газов и подают со скоростью 35-200 м/с в приемную камеру 2. Туда же через вертикальный патрубок 3 подают пассивный поток - окисленный графит в среде инжектируемого воздуха. Расход графита - 2 кг на 1 кг топочных газов, коэффицинет инжекции по газу - 0,05-0,5. Активный и пассивный потоки смешивают в цилиндрической камере смешения 5, связанной с приемной камерой 2 через конфузор 4. Диаметр камеры смешения 5-d₂=1,05-2,00 d₁, а ее длина 6,00-10,00 d₂. Диаметр приемной камеры 2 составляет 1,00-2,00 d₂. Полученную смесь пенографита и газов подают в диффузор 6, имеющий угол раствора 8-10°, затем пенографит отделяют. Изобретение позволяет сократить время вспенивания, уменьшить насыпную плотность пенографита и габариты установки, повысить экономичность процесса, 1 ил.

1. Способ получения пенографита в устройстве инжекторного типа, в соответствии с которым осуществляют следующие стадии: а) смешивание топлива с воздухом с образованием топливовоздушной смеси; б) зажигание полученной топливовоздушной смеси в выполненном в виде сопла горелочном насадке и формирование активного потока топочных газов в виде газопламенной струи; в) инжектирование за счет скорости газопламенной струи пассивного потока атмосферного воздуха, добавление в пассивный поток окисленного графита и их совместную подачу в приемную камеру в область за срезом сопла; г) смешение активного и пассивного потоков в камере смешения, быстрый нагрев окисленного графита с получением пенографита и последующее перемещение газов и пенографита через диффузор в устройство для их разделения; д) отделение пенографита от газов.2. Способ по п.1, в соответствии с которым формируют активный поток со скоростью газопламенной струи от 35 до 200 м/с.3. Способ по п.1 или 2, в соответствии с которым подачу графита осуществляют с расходом до 2 кг на 1 кг топочных газов.4. Способ по любому из пп.1-3, в соответствии с которым смешивание с воздухом осуществляют с коэффициентом избытка воздуха, составляющим 0,8-1,5.5. Способ по любому из предшествующих пунктов формулы, в соответствии с которым получение пенографита осуществляют при условиях, обеспечивающих коэффициент инжекции по газу 0,05-0,5.6. Устройство инжекторного типа для получения пенографита, характеризующееся тем, что содержит цилиндрическую приемную камеру, состыкованную с насадком горелки в виде сопла и связанную с камерой смешения окисленного графита и продуктов сгорания топливовоздушной смеси, последовательно расположенные за камерой смешения диффузор и узел разделения пенографита и газа и расположенный над приемной камерой патрубок для подачи окисленного графита.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит конфузор, через который приемная камера связана с камерой смешения.8. Устройство по п.6 или 7, в соответствии с которым сопло, камеры, конфузор и диффузор расположены соосно в горизонтальной плоскости.9. Устройство по любому из пп.6-8, в соответствии с которым диаметр камеры смешения составляет 1,05-2 диаметра сопла, диаметр приемной камеры - 1-2 диаметра камеры смешения, длина цилиндрической камеры смешения составляет 6-10 диаметров камеры смешения, угол раствора диффузора - 8-10°.10. Устройство по любому из предшествующих пунктов формулы, в соответствии с которым оно содержит высокоскоростную горелку.