СПОСОБ ХИМИЧЕСКОЙ ИНФИЛЬТРАЦИИ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОРИСТЫХ СУБСТРАТОВ ПИРОЛИТИЧЕСКИМ УГЛЕРОДОМ Российский патент 2010 года по МПК C23C16/26 C23C16/52 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к уплотнению пористых субстратов пиролитическим углеродом (пироуглеродом) способом химической инфильтрации в газовой фазе (также называемым способом химической инфильтрации паров, CVI от английского термина Chemical Vapor Infiltration).

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Уплотнение пористых субстратов пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации паров хорошо известно. В способе, используемом в настоящее время, уплотняемые пористые субстраты помещают в печь и на вход печи подают реакционную газовую фазу, содержащую, по меньшей мере, вступающий в реакцию газ-предшественник (газ-прекурсор) пиролитического углерода и газ-носитель. Отходящий газ, содержащий остаточные составляющие реакционной газовой фазы и побочные продукты реакции, отводится на выходе из печи. Рабочие условия, в частности, температура и давление в печи, содержание в газовой фазе вступающего в реакцию (т.е. реакционного) газа-предшественника, время пребывания газовой фазы в печи выбираются таким образом, чтобы получить желаемый слой пиролитического углерода в порах субстрата.

Реакционный газ-предшественник содержит, по меньшей мере, один углеводород типа C_xH_y, где х и y - натуральные целые числа и х≥2, например пропан С₃Н₈ или бутан С₄Н₁₀, или пропилен С₃Н₆. Его функция состоит во внесении основного вклада в реакцию отложения пиролитического углерода, и его иногда называют стимулирующим газом.

Функцией газа-носителя является разбавление реакционной газовой фазы, способствующее ее проникновению в глубину пор субстрата. Он может состоять из инертного газа, такого как азот N₂, гелий Не, аргон Ar, или из метана СН₄. Метан имеет слабую активность и является в большей степени газом-носителем, чем газ-предшественник пиролитического углерода.

Кроме того, из патента US 5789026 известно о добавлении в реакционную газовую фазу водорода Н₂ для изменения кинетики отложения, причем Н₂ в определенном температурном диапазоне носит функцию замедлителя.

Эта функция H₂ в процессе уплотнения пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации паров описана также в патенте US 6197374, в котором предлагается использование газовой фазы, состоящей из метана СН₄ и H₂, применение относительно высоких давлений по сравнению с применяемыми обычно и отсутствие газа-носителя, или газа-разбавителя. Рециркуляция газового потока, извлеченного из отведенного газа, предусматривается, но углеродные смеси, более тяжелые, чем метан, удаляются. Описанный способ кажется в большей степени экспериментальным, чем промышленным.

Возможность повторного использования составляющих отведенного газа в процессе уплотнения пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации паров для рециркуляции или производства энергии упомянута в патенте US 5348774, но без каких-либо подробностей, касающихся осуществления возможной рециркуляции.

Известные и применяемые способы уплотнения пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации в газовой фазе являются дорогостоящими в отношении потребления газовых составляющих реакционной газовой фазы и энергии.

Следовательно, желательно предложить способ химической инфильтрации в газовой фазе, позволяющий значительно снизить стоимость уплотнения пористых субстратов пиролитическим углеродом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Решение этой задачи достигается в способе химической инфильтрации в газовой фазе для уплотнения пористых материалов, включающем в себя следующие этапы:

- загрузка в печь одного или более уплотняемых пористых субстратов;

- подача на вход печи реакционной газовой фазы, содержащей реакционный газ-предшественник пиролитического углерода, включающий в себя, по меньшей мере, один газообразный углеводород C_xH_y, где х и y - целые натуральные числа, и 1<х<6, и газ-носитель, содержащий, по меньшей мере, один газ, выбранный из метана и инертных газов;

- забор на выходе из печи отходящего газа, содержащего остаточные компоненты введенной газовой фазы и продукты реакции, включающие водород;

- рециркуляция в реакционную газовую фазу, подаваемую в печь, по меньшей мере, части потока газа, извлеченного из отходящего газа и содержащего реакционный газ-предшественник пиролитического углерода, таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть реакционного газа-предшественника пиролитического углерода, содержащегося в реакционной газовой фазе, поступала из рециркулирующего потока газа.

Способ согласно изобретению может включать в себя следующие этапы:

- измерение, по меньше мере, количеств газа-предшественника пиролитического углерода и газа-носителя, содержащихся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа;

- в зависимости от измеренных количеств, регулирование, по меньшей мере, поступления потока газа, рециркулирующего в реакционную газовую фазу и содержащего реакционный газ-предшественник пиролитического углерода и газ-носитель, поступления из внешнего источника газа-предшественника пиролитического углерода, инжектируемого в реакционную газовую фазу, и поступления из внешнего источника газа-носителя, инжектируемого в реакционную газовую фазу;

- таким образом, получение желаемой доли газа-предшественника пиролитического углерода в реакционной газовой фазе, поступающей на вход печи.

Способ в соответствии с изобретением также отличается тем, что, по меньшей мере, часть газа-предшественника пиролитического углерода, содержащегося в реакционной газовой фазе, поступает из рециркулирующего потока газа.

Газ-предшественник, извлеченный из отходящего газа, может представлять собой остаток такого газа, содержащегося в реакционной газовой фазе, подаваемой в печь. Он может также содержать продукты реакции, образованные в печи.

Кроме того, предпочтительно производить измерения относительных количеств нескольких газообразных углеводородов, содержащихся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа, и определять их эквивалентное содержание газа-предшественника пиролитического углерода посредством уравновешивания измеренных количеств в зависимости от числа х атомов углерода в указанных углеродных газах, причем 1<х<6.

Кроме того, особенно предпочтительно, чтобы газ-носитель, содержащийся в реакционной газовой фазе, подаваемой в печь, поступал частично из рециркулирующего потока газа. Обычно газ-носитель является в объемном отношении основной и часто преимущественной составляющей реакционной газовой фазы, и содержится в значительном количестве в отходящем газе. Существенная часть газа-носителя в реакционной газовой фазе может, таким образом, поступать от рециркуляции, и может быть получена значительная экономия в потреблении газа-носителя, поступающего из внешнего источника.

Газ-носитель может состоять, по меньшей мере, частично, из метана. Газ-носитель может также состоять, по меньшей мере, частично, из инертного газа, например, выбранного из азота, аргона, гелия или смеси двух или более таких газов.

Кроме того, можно отделить водород, содержащийся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа, и регулировать поступление водорода, отделенного таким образом, который рециркулирует в реакционную газовую фазу, так, чтобы получить желаемый уровень содержания водорода в реакционной газовой фазе, подаваемой на вход печи.

В качестве альтернативы способ может включать в себя следующие этапы:

- измерение количеств реакционного газа-предшественника пиролитического углерода, газа-носителя и водорода, содержащихся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа; и

- в зависимости от измеренных количеств, регулирование поступления указанного потока газа, рециркулирующего в реакционную газовую фазу, поступления реакционного газа, инжектируемого в реакционную газовую фазу из внешнего источника реакционного газа-предшественника пиролитического углерода, и поступления газа-носителя, инжектируемого в реакционную газовую фазу из внешнего источника газа-носителя;

- и, таким образом, получение желаемых долей газа-предшественника пиролитического углерода, газа-носителя и водорода в реакционной газовой фазе, подаваемой на вход печи.

По меньшей мере, на начальном этапе способа можно, таким образом, регулировать также подачу водорода, поступающего в реакционную газовую смесь из внешнего источника водорода.

Известно, что кинетику отложения пиролитического углерода можно регулировать, по меньшей мере, частично, добавлением в реакционную газовую фазу водорода. Добавление водорода в реакционную газовую фазу замедляет кинетику отложения пиролитического углерода. Это может быть использовано для снижения градиента уплотнения субстратов, в особенности субстратов, имеющих большую толщину. В действительности замедление кинетики отложения увеличивает вероятность проникновения газовой фазы, еще богатой предшественником пиролитического углерода, в глубину субстратов.

Водород образуется в печи при разложении газа-предшественника пиролитического углерода.

Желаемый эффект присутствия водорода в реакционной газовой фазе может предпочтительно достигаться за счет рециркуляции водорода, содержащегося в отходящем газе. Следовательно, внешний источник водорода не является необходимым или может требоваться только на начальном этапе способа.

Отходящий газ, забранный из печи, предпочтительно обрабатывают перед извлечением потока газа для рециркуляции, чтобы удалить тяжелые углеводороды, содержащие, в особенности, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Обработка может осуществляться, по меньшей мере, частично, при помощи промывания методом инжекции ароматического масла в поток отходящего газа, как описано в заявке на патент US 2003/0101869.

Удаление тяжелых углеводородов, в особенности смол, может также осуществляться, по меньшей мере, частично, при помощи конденсации.

Обработка отходящего газа может, кроме того, включать удаление бензольных углеводородов, что также может осуществляться при помощи конденсации, например, как описано в заявке на патент US 2003/0101869.

Также предметом изобретения является установка для уплотнения пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации в газовой фазе, позволяющая осуществить способ согласно изобретению.

Эта задача решается путем создания установки для химической инфильтрации в газовой фазе для уплотнения пористых субстратов пиролитическим углеродом, содержащей печь, питающий трубопровод для подачи в печь реакционной газовой фазы, соединенный со входом печи, выпуск для отвода отходящего газа из печи, трубопровод для обработки и забора отходящего газа, содержащий устройство для удаления тяжелых углеводородов, содержащихся в отходящем газе, и трубопровод рециркуляции, соединенный с одной стороны с трубопроводом для обработки и удаления отходящего газа за устройством для удаления тяжелых углеводородов, и с другой стороны с питающим трубопроводом для подачи в печь реакционной газовой фазы для рециркуляции в нее, по меньшей мере, части отходящего газа.

Предпочтительно установка содержит средства анализа содержания составляющих, пригодных для рециркуляции, в отходящем газе. Установка может также содержать блок управления, соединенный со средствами анализа и несколькими клапанами трубопроводов питания, забора и рециркуляции, для регулирования рециркулирующей части или частей отходящего газа, в зависимости от информации, полученной от средств анализа, и от желаемого состава реакционной газовой фазы, подаваемой в печь.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Сущность изобретения станет понятнее из дальнейшего поясняющего, но не ограничивающего описания, сделанного со ссылками на прилагаемые чертежи.

На Фиг.1 и 2 очень схематично представлены виды, соответственно полный и частичный, установки, позволяющей осуществить способ согласно изобретению.

На Фиг.3 и 4 представлены в увеличенном масштабе детали сепаратора по Фиг.2, причем на Фиг.3 представлен частичный вид в разрезе в плоскости III-III по Фиг.2.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Установка по Фиг.1 содержит печь 12, в которой осуществляется процесс уплотнения пористых субстратов пироуглеродной матрицей способом химической инфильтрации в газовой фазе. Печь 12 содержит держатель 14 из графита, имеющий в основном форму вертикального цилиндра с боковой стенкой 14а, дном 14b и крышкой 14с. Уплотняемые субстраты 10 помещаются в камере 16, определяемой держателем 14. Субстраты 10 состоят, например, из волокнистых заготовок, имеющих форму, близкую к форме изготавливаемой детали из композитного материала с пироуглеродной матрицей. Субстраты находятся, например, на загрузочных поддонах 18 в камере 16.

Нагрев печи производится, например, при помощи индуктивной связи между индуктором 20 и боковой стенкой 14а держателя. Индуктор (обмотка) 20 окружает стенку 14а и отделен от нее изолятором (не показан). Узел, образованный держателем 14 и индуктором 20, помещен в металлический корпус 22.

Реакционная газовая фаза подается в печь по питающему трубопроводу 24 и поступает в камеру 16 через дно. Газ может предварительно нагреваться сразу после поступления в камеру 16, проходя через зону предварительного нагрева, образованную, например, наложенными друг на друга перфорированными дисками, расположенными над дном 14b. Газовая фаза может также переноситься при температуре, очень близкой к температуре осуществления процесса получения пиролитического углерода способом химической инфильтрации в газовой фазе, которая обычно составляет приблизительно 1000°С.

Отходящий газ выходит через крышку 14с и удаляется через отводящий трубопровод 26, соединенный с источником вакуума, состоящим из откачивающего устройства 60, позволяющего поддерживать в камере 16 необходимое пониженное давление.

Газовая фаза, подаваемая в печь, содержит, в частности, газ-предшественник углерода и газ-носитель, поступающие из внешних источников 30, 32. Реакционный газ-предшественник углерода содержит один или более газообразных углеводородов C_xH_y, где х и y - целые натуральные числа и 1<х<6. Например, используют источник 30 пропана С₃Н₈. Газ-носитель предпочтительно выбирается из азота, аргона, гелия и метана. Источник 32 является, например, источником азота N₂.

Источники 30 и 32 соединены с питающим трубопроводом 24 соответствующими трубопроводами, на которых установлены клапаны 30а, 32а, позволяющие регулировать подачу газа-предшественника и газа-носителя из источников 30 и 32. Дополнительный клапан может быть установлен на трубопроводе 24 непосредственно перед входом в печь 12.

Указанная установка для осуществления процесса уплотнения пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации в газовой фазе хорошо известна специалистам.

Отходящий газ содержит продукты реакции в виде более или менее тяжелых углеводородов, остатки газа-предшественника пиролитического углерода, газа-носителя и водорода H₂, образующегося при разложении газа-предшественника.

После удаления из печи отходящий газ обрабатывают, чтобы отделить, по меньшей мере, наибольшую часть содержащихся в нем углеводородов. Такие процессы, как промывание маслом или конденсация, позволяют удалить такие тяжелые углеводороды, как смолы, ПАУ и бензольные углеводороды.

Для удаления ПАУ предпочтительно использовать обрабатывающее устройство 40, идентичное описанному в публикации FR 2832936.

Отходящий газ, выходящий из печи при еще высокой температуре, поступает в верхнюю часть трубы Вентури 42. Масло инжектируется в эту верхнюю часть трубы 42 через один или более инжекторов 44. Используют масло, способное растворять ПАУ, в особенности минеральное масло ароматического типа, имеющее предпочтительно низкое давление пара, ниже 100 Па при 0°С, не позволяющее ему испаряться при пониженном давлении отходящего газа, такое как масло на основе ксилола.

Масло выкачивается из резервуара 46 при помощи насоса 48 и охлаждается при проходе через теплообменник 50 перед поступлением в инжекторы 44. Труба 42 открывается нижней частью в резервуар 46 так, что масло, содержащее растворенные ПАУ, собирается в резервуар и непрерывно циркулирует.

Отходящий газ проходит через резервуар 46 в его верхней части. Дополнительные инжекторы 52 масла могут быть предусмотрены в резервуаре 46 на траектории прохождения газа, как и конденсатор 54. Через теплообменник 50 и конденсатор 54 проходит трубопровод охлаждающей воды. Клапаны 48а, 48b за насосом 48 позволяют направлять масло избирательно в инжекторы 44, 52 или в спускную трубу.

Каплеотделитель 56, например, перегородочного типа, предназначен для «разбивания» тумана на выходе из резервуара 46 для отделения капель и способствования их сращиванию, чтобы собрать их в масляной ванне 47, занимающей нижнюю часть резервуара 46.

Устройство промывания 40 маслом позволяет удалить максимальное количество таких смол, как ПАУ. Только более легкие ароматические углеводороды (бензолы, моноциклические углеводороды) могут продолжать существовать в промытом отходящем газе, но они не представляют опасности загрязнения труб по причине более высокого давления их пара.

Откачивающее устройство 60, связанное с выходом каплеуловителя 56 трубопроводом 58, содержит эжектор-конденсатор 62 или множество подобных эжекторов-конденсаторов, расположенных последовательно (один показан на чертеже).

Эжектор-конденсатор 62 содержит эжектор 62а, куда подается водяной пар из парового котла 64, и конденсатор (холодильник) 62b, расположенный за эжектором. В качестве примера, конденсатор 62b является холодильником с наружным охлаждением, и газ, вышедший из эжектора, подается в трубопровод, проходящий через охлаждающую жидкость, например, холодную воду.

После прохождения через конденсатор 62b вода подается в градирню 66, откуда она может собираться в бак 68, в который может добавляться дополнительная вода для осуществления непрерывной циркуляции насосом, установленным в трубопроводе, связывающем бак 68 с конденсатором 62b.

Конденсат, попадающий в трубопровод 70 на выходе из конденсатора, содержит бензольные углеводороды, такие как бензол, толуол, ксилол и, возможно, остаток ПАУ, растворенные в воде, образованной от конденсации пара в эжекторе 62а. Конденсат обрабатывается адсорбцией неподвижным слоем 72а активированного угля, находящимся в адсорбционной колонке 72. Трубопровод 70 соединяется с верхней частью колонки 72, и очищенная вода, собранная внизу колонки, может направляться к баку 68.

На выходе из конденсатора 62b отходящий газ попадает в насос 74. Можно использовать кольцевой насос воды, охлажденной в теплообменнике, так чтобы газ, удаленный из устройства для обработки, имел практически температуру окружающей среды.

Аналитическое устройство 78 присоединено параллельно трубопроводу 76, выходящему из насоса 74, для анализа состава газа, удаленного насосом 74, в особенности относительных количеств газа-предшественника пиролитического углерода, газа-носителя и водорода Н₂. Газ-предшественник, содержащийся в отходящем газе, содержит остаток реакционного газа-предшественника, подаваемого на вход печи 12, и продукты реакции в форме C_xH_y, где х и y - целые натуральные числа. Аналитическое устройство 78 является, например, масс-спектрометром или газовым хроматографом, или обоими, или любым другим известным средством анализа.

Трубопровод 80 рециркуляции позволяет вернуть в реакционную газовую фазу, поступающую в печь, часть отходящего газа, очищенного от тяжелых углеводородов. Для этого трубопровод 82 рециркуляции присоединен параллельно трубопроводу 76 за аналитическим устройством 78. Клапаны 82а, 76а позволяют управлять подачей рециркулирующего газа, поступившего в трубопровод 82 и подачей газа, удаленного через трубопровод 76, к газовому факелу и (или) устройству питания газовым топливом парового котла 64.

Часть отходящего газа, удаленного через трубопровод 82, подается в трубопровод 24 для подачи в печь газовой фазы.

Газовая фаза содержит в таком случае реакционный газ-предшественник пиролитического углерода, газ-носитель и водород Н₂.

Как отмечено выше, присутствие Н₂ замедляет кинетику отложения пиролитического углерода и способствует уменьшению градиента уплотнения пористых субстратов между их сердцевиной и наружными частями. После начальной стадии уплотнения с замедленной кинетикой отложения эта кинетика может быть ускорена повышением температуры и/или давления в печи и/или концентрации стимулятора (пропорция газа-предшественника). Степень уплотнения, практически равная степени уплотнения, получаемой без добавления Н₂, может достигаться при той же и даже меньшей длительности уплотнения, но с меньшим градиентом уплотнения. Можно также регулировать поступление Н₂ в ходе процесса химической инфильтрации в газовой фазе.

Желаемое количество водорода в реакционной газовой фазе здесь достигается рециркуляцией части отходящего газа. Однако хотя бы в начале процесса химической инфильтрации в газовой фазе может быть необходима подача Н₂ из внешнего источника. Таким образом, предусмотрен внешний источник 34 Н₂, соединенный с питающим трубопроводом 24, на котором установлен клапан 34а.

Для оценки количества газа-предшественника углерода, содержащегося в части отходящего газа, отведенной по трубопроводу 82 рециркуляции, учитывают количества присутствующих углеводородов C_xH_y, измеренные аналитическим устройством 78, где 1<х<6. Количества, измеренные для каждого углеводорода C_xH_y, уравновешивают умножающим коэффициентом х. Можно также определить количество газа-предшественника, «эквивалентное» количеству газа-предшественника, поступившего из внешнего источника, здесь С₃Н₈. Данные, поступающие от аналитического устройства 78, передаются на автомат или блок управления 84, который, в частности, оценивает количество содержащегося в отходящем газе реакционного газа-предшественника, эквивалентного С₃Н₈.

Для желаемых состава и количества реакционной газовой фазы, подаваемой в печь, позволяющих, в частности, получить пиролитический углерод с особой микроструктурой, устройство управления 84 управляет клапанами 30а, 32а, 34а, 76а и 82а, чтобы получить этот желаемый состав и это количество, в зависимости от данных, представленных аналитическим устройством 78. Очевидно, что состав и количество подаваемой реакционной газовой фазы могут изменяться в ходе процесса химической инфильтрации в газовой фазе.

Можно, например, сначала отрегулировать клапаны 76а, 82а и 34а, чтобы получить желаемое количество Н₂, учитывая, что предпочтительно использование для этой цели рециркуляции, а источник 34 используется только в том случае, если количество Н₂ в отходящем газе недостаточно, в особенности в начале процесса. Когда клапан 82а отрегулирован, становятся известны количества реакционного газа-предшественника и газа-носителя в рециркулирующем газе. Очевидно, что эти количества меньше представленных на входе в печь, поскольку имеют место потребление газа-предшественника и неизбежные потери газа-носителя, следовательно, клапаны 30а и 32а регулируются для подачи необходимых дополнительных количеств.

На Фиг.2 представлен вариант реализации, согласно которому осуществляется обработка отходящего газа для отделения от него Н₂. Общие элементы в вариантах реализации по Фиг.1 и 2 имеют одинаковые номера позиций. Промывающее 40 и откачивающее 60 устройства установки по Фиг.2 идентичны тем же устройствам по Фиг.1 и не описываются подробно.

Сепаратор 90 установлен на трубопроводе 76 на выходе насоса 74. Сепаратор 90 известного типа с вращающимся барабаном позволяет осуществить сепарацию газообразных веществ с различной молекулярной массой при помощи центробежной силы. Сепаратор 90 имеет обычно форму трубы Вентури с цилиндрической верхней частью 90а, имеющей по существу круглое сечение, соединенной воротником меньшего сечения с нижней частью 90b, имеющей форму усеченного конуса, расширяющегося книзу. Рециркулирующая часть поступает через трубу 76 в верхнюю часть сепаратора, в которой расположен вращающийся барабан 92, приводимый во вращение вокруг вертикальной оси сепаратора двигателем 92а.

Газ, поступающий в сепаратор, также приводится во вращение. Более тяжелые газообразные составляющие собираются вблизи внутренней стенки 90с сепаратора, тогда как более легкие остаются в центральной части. Неподвижная перегородка 94 в форме усеченного конуса может быть расположена в нижней части сепаратора во избежание смешивания составляющих, разделенных центробежной силой.

Стенка сепаратора охлаждается циркуляцией охлаждающей воды в спиральном трубопроводе 96, соприкасающемся с наружной стороной этой стенки. Более тяжелые вещества, входящие в контакт со стенкой сепаратора, могут также конденсироваться. С внутренней стороны стенка сепаратора может иметь канавки 90а, возможно спиральные, проходящие сверху вниз, и каплеулавливающую решетку 90е, как показано на Фиг.3. Кроме того, конденсированные вещества, захваченные решеткой 90е, могут стекать по канавкам 90d вниз сепаратора, где они могут собираться в кольцеобразный лоток 98 (Фиг.4) и откуда могут удаляться по спускному трубопроводу 98а, собираясь в бак 99.

Легкие углеводороды, содержащие реакционные газы-предшественники пиролитического углерода, собираются в основании сепаратора 90, с наружной стороны перегородки 94, и попадают в трубопровод 82'. Отводящий трубопровод 83' присоединен к трубопроводу 82' для отвода нерециркулирующей части потока, собранного трубопроводом 82', к газовому факелу и/или устройству для питания газовым топливом котла, производящего пар для эжектора-конденсатора откачивающего устройства 60.

Газовая фаза, содержащая по существу газообразный водород Н₂, собирается в основании сепаратора 90, в его центральной части, с внутренней стороны перегородки 94 и попадает в трубопровод 82''. Отводящий трубопровод 83'' присоединен к трубопроводу 82'' для отвода нерециркулирующей части потока, собранной трубопроводом 82'', например, к газовому факелу.

Газ-носитель может присутствовать в трубопроводе 82' и (или) в трубопроводе 82''.

Клапаны 82'а, 82''а, 83'а, 83''а установлены на трубах 82', 82'', 83', 83'' и управляются блоком управления 84.

Аналитические устройства 78', 78'' параллельно соединены с трубами 82', 82'' на выходе сепаратора 90 для измерения количеств реакционного газа-предшественника пиролитического углерода и газа-носителя, циркулирующих в трубе 82' и водородного газа Н₂ и, возможно, газа-носителя, циркулирующих в трубе 82''. Аналитические устройства 78' и 78'' установлены перед клапанами 82'а и 82''а. Данные, собранные аналитическими устройствами 78' и 78'', передаются на блок управления 84. Присоединение аналитического устройства параллельно трубе 76 не требуется.

Установка, изображенная на Фиг.2, позволяет осуществить процесс уплотнения пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации в газовой фазе без необходимости введения газа Н₂ в реакционную газовую фазу. Для этого достаточно не использовать внешний источник Н₂ и управлять клапанами 82''а и 83''а для отвода всего газа, собранного в центральной осевой части сепаратора 90. В этом случае блок управления 84 программируется для питания печи 10 газовой фазой, имеющей желаемый уровень содержания реакционного газа-предшественника относительно газа-носителя и желаемый общий расход, и соответствующего управления клапанами 30а, 32а, 82а, 82'а и 83'а. Таким образом, можно получить рециркуляцию наибольшего возможного количества газа-предшественника и газа-носителя.

Очевидно, что установка, изображенная на Фиг.2, позволяет также осуществлять процесс уплотнения пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации паров с реакционной газовой фазой, содержащей Н₂. Желаемые соотношения реакционного газа-предшественника пиролитического углерода, газа-носителя и Н₂ достигаются, как и общее количество газовой фазы, управлением различными клапанами внешних трубопроводов питания и рециркуляции.

Рециркуляция части отходящего газа предпочтительно осуществляется после удаления тяжелых углеводородов, таких как ПАУ, и, также предпочтительно, бензольных углеводородов. Удаление может осуществлять средствами, отличающимися от описанных выше, например, с использованием одного или более последовательных конденсаторов с прогрессивным охлаждением отходящего газа.

Изобретение относится к уплотнению пористых субстратов пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации с использованием установки для осуществления этого способа. Осуществляют загрузку в печь одного или более уплотняемых пористых субстратов, подают на вход печи реакционную газовую фазу, содержащую реакционный газ-предшественник пиролитического углерода, включающий в себя, по меньшей мере, один газообразный углеводород C_xH_y, где х и y - целые натуральные числа и 1<х<6 и газ-носитель, содержащий, по меньшей мере, один газ, выбранный из метана и инертных газов. Проводят забор на выходе из печи отходящего газа и рециркуляцию в реакционную газовую фазу, подаваемую в печь, по меньшей мере, части потока газа, извлеченного из отходящего газа и содержащего реакционный газ-предшественник пиролитического углерода. Измеряют, по меньше мере, количества газа-предшественника пиролитического углерода и газа-носителя, содержащиеся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа. В зависимости от измеренных количеств, регулируют, по меньшей мере, поступление указанного потока газа, рециркулирующего в реакционную газовую фазу, поступление из внешнего источника газа-предшественника пиролитического углерода и газа-носителя, инжектируемых в реакционную газовую фазу, и получение требуемого уровня содержания газа-предшественника пиролитического углерода в реакционной газовой фазе, поступающей на вход печи. Снижается стоимость уплотнения пористых субстатов пиролитическим углеродом. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ химической инфильтрации в газовой фазе для уплотнения пористых субстратов пиролитическим углеродом, включающий в себя следующие этапы: загрузка в печь одного или более уплотняемых пористых субстратов, подача на вход печи реакционной газовой фазы, содержащей реакционный газ-предшественник пиролитического углерода, включающий в себя, по меньшей мере, один газообразный углеводород, забор на выходе из печи отходящего газа, содержащего остаточные компоненты введенной газовой фазы и продукты реакции, включающие водород, и рециркуляция в реакционную газовую фазу, подаваемую в печь, по меньшей мере, части потока газа, извлеченного из отходящего газа и содержащего реакционный газ-предшественник пиролитического углерода, отличающийся тем, что используют реакционную газовую фазу, содержащую реакционный газ-предшественник пиролитического углерода, включающий в себя, по меньшей мере, один газообразный углеводород C_xH_y, где х и y - целые натуральные числа, и 1<х<6, и газ-носитель, содержащий, по меньшей мере, один газ, выбранный из метана и инертных газов, измеряют, по меньше мере, количества газа-предшественника пиролитического углерода и газа-носителя, содержащиеся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа, в зависимости от измеренных количеств, регулируют, по меньшей мере, поступление указанного потока газа, рециркулирующего в реакционную газовую фазу и содержащего реакционный газ-предшественник пиролитического углерода и газ-носитель, поступление из внешнего источника газа-предшественника пиролитического углерода, инжектируемого в реакционную газовую фазу, и поступление из внешнего источника газа-носителя, инжектируемого в реакционную газовую фазу, и, таким образом, получают желаемый уровень содержания газа-предшественника пиролитического углерода в реакционной газовой фазе, поступающей на вход печи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделяют водород, содержащийся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа, и регулируют поступление отделенного, таким образом, водорода, который рециркулирует в реакционную газовую фазу, чтобы получить желаемый уровень содержания водорода в реакционной газовой фазе, поступающей на вход печи.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют количества газа-предшественника пиролитического углерода, газа-носителя и водорода, содержащихся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа, в зависимости от измеренных количеств, регулируют поступление указанного потока газа, который рециркулирует в реакционную газовую фазу, поступление из внешнего источника газа-предшественника пиролитического углерода, инжектируемого в реакционную газовую фазу, и поступление из внешнего источника газа-носителя, инжектируемого в реакционную газовую фазу, и, таким образом, получают желаемые уровни содержания реакционного газа-предшественника пиролитического углерода, газа-носителя и водорода в реакционной газовой фазе, поступающей на вход печи.

4. Способ п.2 или 3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на начальной стадии способа регулируют также поступление из внешнего источника водорода, инжектируемого в реакционную газовую фазу.

5. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что измеряют относительные количества множества газообразных углеводородов, содержащихся в потоке газа, извлеченном из отходящего газа, и определяют эквивалентный уровень содержания газа-предшественника пиролитического углерода посредством уравновешивания измеренных количеств, в зависимости от числа х атомов углерода в указанных газообразных углеводородах.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что учитывают газообразные углеводороды C_xH_y, в которых 1<х<6.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ-носитель состоит, по меньшей мере, частично из метана.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ-носитель состоит, по меньшей мере, частично из инертного газа, выбранного из азота, аргона, гелия, или смеси из двух или более из них.

9. Способ п.1, отличающийся тем, что отходящий газ, забранный из печи, обрабатывают перед извлечением потока газа для рециркуляции, удаляя из него тяжелые углеводороды, содержащие, в частности, полициклические ароматические углеводороды.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что удаление полициклических ароматических углеводородов осуществляют методом промывания инжекцией ароматического масла в поток отходящего газа.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что удаление тяжелых углеводородов осуществляют, по меньшей мере, частично путем конденсации.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что обработка отходящего газа включает в себя удаление бензольных углеводородов.

13. Установка химической инфильтрации в газовой фазе для уплотнения пористых субстратов пиролитическим углеродом, содержащая печь (12), питающий трубопровод для подачи в печь реакционной газовой фазы, соединенный со входом печи, выпуск для отвода отходящего газа из печи, систему (40, 60) обработки и забора отходящего газа и трубопровод (80) рециркуляции, соединенный с одной стороны с трубопроводом обработки и забора отходящего газа и с другой стороны с питающим трубопроводом для подачи в печь реакционной газовой фазы для рециркуляции в нее, по меньшей мере, части отходящего газа, отличающаяся тем, что система (40, 60) обработки и забора отходящего газа содержит устройство (40) для удаления тяжелых углеводородов, содержащихся в отходящем газе, и соединена с трубопроводом (80) рециркуляции после устройства (40) удаления тяжелых углеводородов, установка содержит средства анализа (78, 78', 78") для анализа содержания составляющих, пригодных для рециркуляции в отходящем газе, и блок управления (84), соединенный со средствами анализа (78, 78', 78") и с несколькими клапанами (30а, 32а, 34а, 82а, 76а, 82'а, 82"а, 83'а, 83"а) трубопроводов питания, забора и рециркуляции для регулирования рециркулирующей части или частей отходящего газа, в зависимости от информации, полученной средствами анализа, и желаемого состава реакционной газовой фазы, подаваемой в печь.