Колпаковая установка высокотемпературной термохимической активации углей Российский патент 2017 года по МПК C01B31/10 F27B11/00 F27D7/04 F27D13/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области машиностроения, нефте-, газо-, углехимии, металлургии и ряду других отраслей промышленности, в частности к печам (реакторам) для термохимической обработки дисперсных материалов, в том числе для переработки углей и получения углеродных сорбентов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известно устройство активации углеродного материала, раскрытое в KR 101554102 В1, опубл. 01.10.2015, и в монографии Кельцев Н.В., «Основы адсорбционной техники». - М., Химия, 1984. с. 223, рис. 10.6., в котором внутренний корпус выполнен с перфорацией (дно или стенки). Устройство состоит из корпуса, внутри которого расположен перфорированный картридж для размещения в нем углеродного материала. В верхней части корпуса предусмотрено не менее одного загрузочного отверстия, в которое вставляется вышеуказанный картридж, а также устройство для подачи реагента. При этом реагент подается сверху, внутри картриджа имеется перфорированный канал, по которому реагент распределяется в материале внутри картриджа.

Недостатками рассматриваемого устройства являются однонаправленность потока газовых реагентов в обрабатываемом материале и обусловленная этим разница в концентрации, температуре реагентов и, следовательно, свойствах образующегося материала, контактирующего с ними у входа реагентов в слой материала, и на выходе из него, и определяющаяся этим неоднородность температуры и степени превращения углеродного материала (активации) по ходу реагента. Кроме этого, вторым недостатком настоящего устройства является значительный градиент температуры в материале от стенок вглубь слоя, обусловленный эндотермичностью реакции взаимодействия реагента при активации материала, или при регенерации адсорбентов, и вызванное этим понижение температуры реагента по мере прохода его сквозь слой.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения устройство активации углеродного материала, раскрытое в SU 1560473 А1, опубл. 30.04.1990. Известное устройство содержит корпус, внутри которого расположен циркуляционный вентилятор, узел для размещения активируемого материала и нагреватели, расположенные между корпусом и узлом для размещения активируемого волокнистого материала.

Недостатками раскрытого в аналоге заявляемого устройства является однонаправленность потока газовых реагентов в обрабатываемом материале и обусловленная этим разница в концентрации, температуре реагентов и, следовательно, свойствах материала, контактирующего с ними у входа реагентов в слой материала, и на выходе из него, и определяющаяся этим неоднородность активации материала по ходу реагента. Кроме этого, вторым недостатком настоящего устройства является невозможность обработки в нем сыпучих дисперсных материалов.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка установки, обеспечивающей равномерность термохимических превращений при высокотемпературной термохимической обработке дисперсных материалов, в том числе активации углеродных материалов в загрузке.

Техническим результатом изобретения является обеспечение изокинетичности превращений углеродного материала при активации и повышение однородности активации по высоте печи и толщине слоя активируемого материала.

Указанный технический результат достигается за счет того, что колпаковая установка высокотемпературной термохимической активации углей обеспечивается циркуляционным вентилятором, вибропобудителем пульсаций потока газа и содержит герметичный корпус, образованный наружным теплоизолирующим и внутренним защитным колпаками, причем нижняя кромка обечайки защитного колпака погружена в песочный затвор. Внутри защитного колпака установлена емкость для размещения активируемого материала. Емкость установлена с зазором от стенок защитного колпака. В зазоре расположены нагреватели. Под днищем емкости помещен циркуляционный вентилятор. Внутри цилиндрической емкости для размещения активируемого материала расположены коаксиально две перфорированные цилиндрические обечайки. При этом обечайка меньшего диаметра расположена у центра емкости. Объем между цилиндрическими перфорированными обечайками используется для размещения активируемого материала.

Для нагрева применены электрические нагреватели и/или газовые горелки.

Циркуляционный вентилятор выполнен с возможностью реверса направления и изменения скорости газового потока. Лопасти вентилятора расположены под углом 45° к плоскости колеса.

К крышке защитного колпака прикреплен вибропобудитель, обеспечивающий модуляцию реверсивного потока газа.

У нагревателей в верхней, нижней и центральной частях емкости для активируемого материала в зонах входа и выхода потока газового реагента и посередине между ними размещают термопары.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На прилагаемом чертеже (Фиг. 1) представлена схематично разработанная конструкция печи: 1 - колпак защитный, 2 - емкость с активируемым материалом; 3 - циркуляционный вентилятор; 4 - нагреватель; 5 - патрубок подачи газообразного реагента, 6 - карманы управляющей и контролирующих термопар; 7 - внешняя и 8 - внутренняя перфорированная обечайки, 9 - теплоизолирующий колпак

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Колпаковая установка высокотемпературной термохимической активации углей (фиг. 1) с вибромодулятором потока газа содержит герметичный корпус, образованный наружным теплоизолирующим (9) и внутренним защитным (1) колпаками, причем нижняя кромка обечайки защитного колпака (1) погружена в песочный затвор. Над защитным колпаком (1) располагается теплоизолирующий колпак (9). Внутри защитного колпака (1) находится цилиндрическая емкость (2) для активируемого материала, установленная с зазором от стенок корпуса, и нагреватели (4) в зазоре, а также циркуляционный вентилятор (3) под емкостью. При этом внутри емкости (1) для активируемого материала расположенные коаксиально две перфорированные обечайки (7 и 8), пространство между которыми заполнено активируемым материалом.

Нагреватели (4) расположены в зазоре между обечайкой герметичного защитного колпака (1) и емкостью (2) с активируемым материалом. В этот же зазор введены патрубки для подачи газообразного реагента активации (5), карманы управляющей нагревом и контролирующих температуру материала термопар (6). В качестве реагентов для активации применяют воздух, пары воды, углекислый газ.

Для нагрева печи и материала (3) применены электрические и/или газовые нагреватели.

Циркуляционный вентилятор (3) расположен под дном емкости (1) с активируемым материалом и выполнен с возможностью реверса направления и изменения скорости потока газового реагента.

У нагревателей в верхней, нижней и центральной частях емкости (1) для размещения активируемого материала расположены термопары, регистрирующие его температуру при активации.

Колпаковая установка работает следующим образом. Углеродный материал для активации загружают в пространство между коаксиально расположенными перфорированными цилиндрическими обечайками (7, 8). Включают вентилятор, затем нагреватель (4). После достижения в материале заданной температуры, включают вибропобудитель и подают газовый реагент (воздух, пары воды и др). Реагент через центральную перфорированную обечайку (7) подается в углеродный материал или отсасывается из него. Вибропобудитель обеспечивает турбулизацию газового реагента в слое материала, ускорение массо- и теплообмена вокруг частиц и в них. Реверсивный вентилятор (3) циркулирует газовый реагент у нагревателей, в объеме материала, между его частицами, выравнивает температуру и концентрацию реагентов в противоположно расположенных слоях материала путем периодического реверса направления циркулирующего парогазового потока. Размещение термопар у нагревателей, в верхней, нижней и центральной частях загрузки материала позволяет контролировать изменение распределения температуры в углеродном материале в процессе термохимических реакций, отслеживать и управлять степенью его превращения в целевой продукт.

Модуляция потока газового реагента через колебания крышки герметичного защитного колпака (1) от вибропобудителя турбулизирует поток реагента в слое частиц обрабатываемого материала, выравнивает концентрационное и температурное поля регента по объему реактора, в приповерхностном слое каждой частицы. В сочетании с реверсом направления потока реагента модуляция его импульсными колебаниями обеспечивает приближение к изотермическому режиму термохимические превращения обрабатываемого материала, выравнивание его свойств по объему загрузки. Этот комплекс воздействий позволяет в целом интенсифицировать химические гетерофазные процессы, диффузионный перенос, тепломассообмен в частицах при превращении материала, эффективно снижать энергозатраты на реализацию названных процессов.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить повышение однородности активации по высоте и толщине слоя активируемого материала, воспроизводимости его свойств, а также изокинетичность его гетерофазных термохимических превращений.

Изобретение относится к реакторам для термохимической обработки углей и получения углеродных сорбентов и может быть использовано в области машиностроения, нефте-, газо-, углехимии, металлургии. Колпаковая установка с вибромодулятором потока газа содержит герметичный корпус, цилиндрическую емкость (2) для размещения активируемого материала, нагреватели (4), циркуляционный вентилятор (3), расположенный под емкостью с материалом, две коаксиальные перфорированные цилиндрические вставки (7 и 8) для загрузки активируемого материала между ними, расположенные внутри емкости для материала. Корпус образован наружным теплоизолирующим и внутренним защитным колпаками (9 и 1). Нижняя кромка обечайки защитного колпака (1) погружена в песочный затвор. Цилиндрическая емкость (2) установлена внутри защитного колпака (1) с зазором от стенки корпуса. Нагреватели (4) расположены в зазоре. Обеспечивается повышение однородности активации по высоте и толщине слоя активируемого материала за счет интенсификации химических гетерофазных процессов, диффузионного переноса, тепломассообмена в частицах при превращении материала. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Колпаковая установка высокотемпературной термохимической активации углеродных материалов с вибромодулятором потока газа, содержащая:

- герметичный корпус, образованный наружным теплоизолирующим и внутренним защитным колпаками, причем нижняя кромка обечайки защитного колпака погружена в песочный затвор;

- цилиндрическую емкость для размещения активируемого материала, установленную внутри защитного колпака с зазором от стенки корпуса защитного колпака;

- нагреватели, расположенные в зазоре;

- циркуляционный вентилятор, расположенный под емкостью с материалом;

- две коаксиальные перфорированные цилиндрические вставки для загрузки активируемого материала между ними, расположенные внутри емкости для материала.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что циркуляционный вентилятор выполнен с возможностью реверса газового потока, с лопастями, расположенными под углом 45° к плоскости колеса.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что к крышке защитного колпака прикреплен вибропобудитель, обеспечивающий модуляцию реверсивного газового потока.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что у нагревателей в верхней, нижней и центральной частях емкости с активируемым материалом в зонах входа и выхода газообразного реагента и по центру между ними расположены термопары.