ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГЛАМЕНТА ПЕРЕРАБОТКИ ОТРАБОТАННЫХ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ Российский патент 2021 года по МПК B01D3/42 C22B23/02 C01G53/02 F27D11/00 F27D19/00 

Изобретение относится к установкам для получения карбонильного никеля из никельсодержащих продуктов и может применяться в качестве лабораторной опытно-промышленной установки для отработки технологических процессов получения никеля из никельсодержащих отходов, в том числе отработанных никельсодержащих катализаторов нефтехимической промышленности.

Из уровня техники известен вращающийся наклонный реактор для получения карбонила никеля (RU 2423320 C1, МПК C01G 53/02, F27B 7/00, опубл. 10.07.2011). Реактор включает в себя корпус, реакционную камеру, снабженную узлами загрузки и выгрузки сыпучего материала и окна во внутренней обечайке барабана, выполненный с возможностью загрузки в него полидисперсного никельсодержащего сырья. Объем загрузки может составлять до 30% от объема реакционной камеры. После загрузки сырья предусмотрена герметизация реакционной камеры, ее поворот и установку с заданным наклоном. При этом синтез карбонила никеля проводят при давлении оксида углерода в реакционной камере 50-70 атм и механическом перемешивании сыпучего материала в присутствии оксида углерода.

Недостатком известного технического решения является необходимость поддержания высокого давления в реакторе для синтеза карбонила никеля, что ограничивает возможности использования установки для использования ее в лабораторных условиях.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признана система для автоматического управления колонной для ректификации карбонила никеля (SU 196345 A1, МПК B01D 3/42, С22В 23/02, F27D 21/00, опубл. 16.05.1967). Система включает в себя модель колонны, в которую поступают входные параметры и информация от датчиков, при этом по выходу модели судят о составе получаемого продукта. В системе автоматического управления выходной сигнал сравнивается с задающим сигналом, что позволяет реализовать линию отрицательной обратной связи.

Недостатком системы автоматического регулирования колонной является большая длительность анализа образцов готового продукта, которая составляет от 5 до 7 часов, что снижает качество делает невозможным оперативное технологического процесса.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка лабораторной опытно-промышленной установки с обеспечением возможности контроля и управления технологическими операциями процесса переработки отработанных никельсодержащих продуктов.

Указанная задача решена тем, что лабораторная установка представляет собой термоизолированный реактор, снабженный системой нагрева и водяного охлаждения корпуса, к которому подключен подогреваемый ТЭНом газовый коллектор с подключенными к нему, посредством гибких шлангов с электромеханическими клапанами, емкостями с кислородом, азотом, водородом, монооксидом углерода, природным газом и воздухом. Реактор снабжен крышкой, в которой установлен тройник, при этом первый выход тройника через патрубок, снабженный электромеханическим клапаном сообщается с атмосферой, а второй выход тройника посредством патрубка, снабженного электромеханическим клапаном и ТЭНом для нагрева карбонила никеля, подсоединен к камере разложения карбонила никеля, с постоянными магнитами, закрепленными на ее наружной поверхности. Выходной патрубок камеры разложения через фильтр последовательно соединен с системой воздушного и водяного охлаждения монооксида углерода и подключен перистальтическому насосу, выходной патрубок которого введен в реактор.

Дополнительно в реакторе установлен резистивный датчик температуры, датчик давления и датчик содержания монооксида углерода, подключенные к измерительным входам блока управления лабораторной установкой, а ее силовые выходы подключены, соответственно, к системе нагрева корпуса, насосу системы водяного охлаждения корпуса, ТЭНу газового коллектора, ТЭНу для нагрева карбонила никеля, перистальтическому насосу и электромеханическим клапанам патрубков и емкостей с газами.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков лабораторной установки, является возможность проведения с ее помощью управляемых экспериментов по отработке технологического регламента переработки отработанных катализаторов нефтехимической промышленности. Упомянутая возможность достигается за счет применения в конструкции установки датчиков температуры, датчика давления и датчика содержания монооксида углерода, позволяющих контролировать параметры протекания реакции синтеза карбонила никеля, а также блока управления, выполненного с возможностью регистрации параметров и регулирования процесса протекания переработки за счет возможности контроля протекания реакции путем регулирования температуры и скорости циркуляции монооксида углерода в системе.

Конструкция лабораторной установки поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана ее структурная схема, а на фиг. 2 - упрощенная структурная схема блока управления установкой.

Основой лабораторной установки является термоизолированный реактор 1, снабженный системой нагрева корпуса 2 и системой водяного охлаждения 3, к которому подключен подогреваемый ТЭНом 4 газовый коллектор 5 с подключенными к нему посредством гибких шлангов с электромеханическими клапанами емкостей с кислородом 6, азотом 7, водородом 8, монооксидом углерода 9 природного газа 10 и воздуха 11.

Реактор снабжен крышкой 12, в которой установлен тройник, при этом первый выход тройника 13, через патрубок снабженный электромеханическим клапаном 14 сообщается с атмосферой, а второй выход тройника 15 посредством патрубка 16, снабженного электромеханическим клапаном 17 и ТЭНом 18 для нагрева карбонила никеля подсоединен к камере разложения 19 карбонила никеля, с постоянными магнитами 20, закрепленными на ее наружной стороне. Выходной патрубок 21 камеры разложения через фильтр 22 последовательно соединен с системой воздушного 23 и водяного охлаждения 24 монооксида углерода и подключен перистальтическому насосу 25, выходной патрубок 26 которого введен в реактор 1.

Дополнительно в реакторе установлен резистивный датчик температуры 27, датчик давления 28 и датчик монооксида углерода 29, подключенные к измерительным входам 30, 31, 32 блока управления 33 лабораторной установкой, выполненные на основе операционных усилителей, а ее силовые выходы 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 и 46 подключены, соответственно, к системе нагрева 2 корпуса, насосу системы водяного охлаждения 3, ТЭНу 4 газового коллектора 5, ТЭНу 18 для нагрева карбонила никеля, перистальтическому насосу 25, электромеханическим клапанам 14 и 17 патрубков и емкостей с газами 6, 7, 8, 9, 10, 11.

Система нагрева 2 корпуса может быть выполнена с применением ТЭНа. В качестве резистивного датчика температуры может использоваться датчик модели WZP-187, работающий в широком диапазоне температур от -200°С до +400°С¹ (¹ WZP-187 // CNXSOFT - Новости android-приставок и встраиваемых систем. URL: https://cnx-software.ru/2019/09/03/pt100/резистивный-датчик-температуры-rtd-поддерживает-диапазон-экстремальных-температур/ (дата обращения: 24.05.2020).). В качестве датчика давления может быть применен модуль ВМР280² (² Датчики давления Arduino bmp280, bmp180, bme280 // ARDUINO Мастер. URL: https://shinetech.ru/product/mq-9/ (дата обращения: 24.05.2020).). В качестве датчика монооксида углерода может быть применен датчик угарного газа модели MQ-9³ (³ Модуль датчика угарного газа MQ-9 // ShineTech.ru. URL: https://shinetech.ru/product/mq-9/ (дата обращения: 24.05.2020).). Блок управления целесообразно реализовать на основе микроконтроллера, а его силовые выходы могут быть выполнены, например, на основе транзисторных или тиристорных ключей.

Микроконтроллер блока управления 33 содержит микропроцессорное ядро 47, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 48, SRAM-памятью данных 49, многоканальным аналого-цифровым преобразователем 50, Ethernet-контроллером 51, модулем LCD-интерфейса 52, интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в четыре восьмиразрядных GPI/O-порта ввода-вывода 53, 54, 55, 56, и модулем подключения SD-карты 57. При этом к линиям аналого-цифрового преобразователя 50 подключены измерительные входы 30, 31, 32 блока управления 33, Ethernet-контроллер 51 подключен к Wi-Fi-модулю 58, к модулю LCD-интерфейса 52 электрически подключен модуль индикации 59, выполненный на основе TFT-дисплея, линии первого и второго восьмиразрядных GPI/O-портов ввода-вывода 53 и 54 подключены к силовым выходам 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 и 46 к третьему восьмиразрядному GPI/O-порта ввода-вывода 55 подключен блок ввода данных 60, выполненный в виде кнопочной клавиатуры, четвертый порт восьмиразрядный GPI/O-порт ввода-вывода 56 оставлен в качестве резерва для подключения дополнительного оборудования, а в слот модуля подключения SD-карты 57 вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта 61.

В качестве микроконтроллера может быть использована любая известная микросхема на микропроцессорном ядре Cortex-M4F/R, ориентированном на создание высокопроизводительных систем реального времени для ответственных применений. В качестве такой микросхемы может быть использован отечественный микроконтроллер K1921BK01T⁴ (⁴ Практический курс микропроцессорной техники на базе процессорных ядер ARM-Cortex-M3/M4/M4F [электронный ресурс]: учебное пособие - электрон. текстовые дан. (12 Мб) / В.Ф. Козаченко, А.С. Анучин, Д.И. Алямкин и др.; под общ. ред. В.Ф. Козаченко. - М.: Издательство МЭИ, 2019. - 543 с. Режим доступа: http://motorcontrol.ru/wp-content/uploads/2019/04/Практический курс микропроцессор.pdf.); в качестве Wi-Fi-модуля может быть использована сборка ESP8266-01⁵ (⁵ Модуль ESP8266-01 WiFi // MCU Store. URL: https://mcustore.ru/store/moduli-svyazi/modul-wifi-esp8266/?gclid=CjwKCAiA58fvBRAzEiwAQW-hzezFoQo60DEhZStdn7fMT-5DeNRZ2oJB f8dkNm5re0i2KGbfe3YFBoCu08QAvD BwE.), а в качестве TFT-дисплея - модель RPI LCD⁶ (⁶ 3.2 inch RPi LCD // ChipDip.ru URL: https://www.chipdip.ru/product/3.2inch-rpi-lcd-b (дата обращения: 12.12.2019).) с резистивным сенсорным экраном и диагональю 8,1 см.

Лабораторную установку применяют следующим образом.

Первоначально установку готовят к работе, подключая датчик температуры 27, датчик давления 28 и датчик содержания монооксида углерода 29 к измерительным входам 30, 31, 32 блока управления 33, а силовые выходы 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 и 46, соответственно, к узлу нагрева 2 корпуса, насосу системы водяного охлаждения 3, ТЭНу 4 газового коллектора 5, ТЭНу 18 для нагрева карбонила никеля, перистальтическому насосу 25 и электромеханическим клапанам 14 и 17 патрубков и емкостей с газами 6, 7, 8, 9, 10, 11. Далее осуществляют загрузку 3,5 кг катализатора ГИАП-8, в реактор 1 и герметизируют его крышкой 12. После чего установка готова к работе. Во все время работы управление установкой осуществляют с помощью блока ввода данных 60, контролируя параметры протекания процесса с помощью модуля индикации 59.

Первоначально с помощью блока управления 33 включают ТЭН 4 газового коллектора 5, настраивая его на нужную температуру, далее блок управления начинает реализацию замкнутого программного цикла управления агрегатами лабораторной установки. Управляющая программа хранится во FLASH-памяти 48 программ микроконтроллера, использует для своей работы SRAM-память данных 49, а также параметры технологического процесса синтеза карбонила никеля и уставки функционирования узлов установки, хранящиеся на SD-карте 61.

В соответствии с управляющей программой блок управления включает узел нагрева 2 корпуса реактора 1. Далее с помощью третьей линии второго порта ввода-вывода 54 (линии портов ввода-вывода микропроцессоров и микроконтроллеров принято считать с нуля) через силовой выход 45 блок управления открывает электромеханические клапаны емкостей с природным газом и воздухом 10 и 11, а с помощью пятой линии первого порта ввода-вывода 53 открывает электромеханический клапан 14, обеспечивая продувку упомянутой смесью реактора 1 для нагрева катализатора со сбросом продуктов сгорания в атмосферу.

Далее блок управления закрывает электромеханические клапаны емкостей с природным газом и воздухом 10, 11 и с помощью седьмой линии первого порта ввода-вывода 53 через силовой выход 41 открывает электромеханический клапан емкости с кислородом 6, обеспечивая продувку реактора 1 горячим кислородом, для окисления никеля, со сбросом возгонов в атмосферу. Затем блок управления с помощью первой линии второго порта ввода-вывода 54 открывает клапан емкости с водородом 8, обеспечивая ввод в реактор небольшое количество водорода сгорающего в кислороде при температуре 550°С с образованием воды.

После выполнения продувки реактора блок управления 33 выполняет отключение электромеханических клапанов емкостей с кислородом 6 и водородом 8 и узла нагрева 2 реактора 1. Затем блок управления с помощью нулевой линии второго порта ввода-вывода 54 через силовой выход 42 открывает электромеханический клапан емкости с азотом 7, обеспечивая продувку реактора 1, для вытеснения воздуха из него и его охлаждения, со сбросом газов в атмосферу.

Затем с помощью первой линии первого порта ввода-вывода блок управления через силовой выход 35 активирует насос системы охлаждения 3 реактора 1, после чего закрывает электромеханический клапан емкости с азотом 7, закрывает электромеханический клапан 14 и с помощью второй линии второго порта ввода-вывода 54 открывает электромеханический клапан емкости с монооксидом углерода 9, обеспечивая его закачку в реактор 1, при максимальном давлении в 3 атм, при температуре от 50 до 60°С. После выполнения указанных операций осуществляется выдержка реактора в течение 30 мин.

После выдержки блок управления с помощью шестой линии первого порта ввода-вывода 53 через силовой выход 40 открывает электро-механический клапан 17, обеспечивая сброс газов из реактора 1 в камеру разложения 19, предварительно активировав ТЭН 18 для нагрева карбонила никеля до 225°С с помощью третьей линии первого порта ввода-вывода 53 через силовой выход 37. Восстановленный никель при этом осаждается на дне камеры разложения 19.

На последнем этапе технологического процесса посредством четвертой линии первого порта ввода-вывода 53 через силовой выход 38 блоком управления 33 активируется перистальтический насос 25, который обеспечивает вытеснение газов из камеры разложения 19, через фильтр 22, систему воздушного 23, водяного охлаждения 24 и выходной патрубок 26 в реактор 1.

Во все время осуществления технологического процесса блок управления осуществляет постоянный опрос датчика температуры 27, датчика давления 28 и датчика монооксида углерода 29, автоматически регулируя параметры работы узлов установки и технологического процесса восстановления никеля. Все данные, измеренные датчиками, могут быть переданы на персональный компьютер с помощью Ethernet-контроллера 51 и подключенного к нему Wi-Fi-модуля 58 для их дальнейшей статистической обработки и оптимизации технологического процесса переработки отработанных никельсодержащих катализаторов.

Таким образом, рассмотренная в настоящей заявке лабораторная установка, является важной частью высокотехнологичного комплекса по переработке отработанных катализаторов нефтехимической промышленности. Применение инновационного подхода к регулированию процесса восстановления никеля позволит получить готовый продукт карбонильный никель, который может использоваться для получения специальных сплавов или в качестве прекурсора для получения металлоорганических комплексов. Полученный с помощью установки карбонильный никель в порошкообразном виде может использоваться для производства специальных сплавов, применяемых в атомной и ракетной технике, для изготовления различных изделий, пористых фильтров, прессованных и спеченных электродов для щелочных аккумуляторов. Также карбонильный никель применим в качестве катализатора, дешевого заменителя платины и палладия в реакциях гидрогенизации непредельных углеводородов, циклических альдегидов, спиртов и ароматических углеводородов.

Изобретение относится к лабораторной установке для отработки технологического регламента переработки отработанных никельсодержащих катализаторов, содержащей термоизолированный реактор, снабженный системами нагрева и водяного охлаждения корпуса, причем к термоизолированному реактору подключен подогреваемый ТЭНом газовый коллектор с подключенными к нему, посредством гибких шлангов с электромеханическими клапанами, емкостями с кислородом, азотом, водородом, монооксидом углерода, природным газом и воздухом; реактор снабжен крышкой, в которой установлен тройник, при этом первый выход тройника через патрубок, снабженный электромеханическим клапаном, сообщается с атмосферой, а второй выход тройника посредством патрубка, снабженного электромеханическим клапаном и ТЭНом для нагрева карбонила никеля, подсоединен к камере разложения карбонила никеля с постоянными магнитами, закрепленными на ее наружной поверхности; выходной патрубок камеры разложения через фильтр последовательно соединен с системой воздушного и водяного охлаждения монооксида углерода и подключен к перистальтическому насосу, выходной патрубок которого введен в реактор; дополнительно в реакторе установлен резистивный датчик температуры, датчик давления и датчик содержания монооксида углерода, подключенные к измерительным входам блока управления лабораторной установкой, а ее силовые выходы подключены соответственно к системе нагрева корпуса, насосу системы водяного охлаждения корпуса, ТЭНу газового коллектора, ТЭНу для нагрева карбонила никеля, перистальтическому насосу и электромеханическим клапанам патрубков и емкостей с газами. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лабораторная установка для отработки технологического регламента переработки отработанных никельсодержащих катализаторов, содержащая термоизолированный реактор, снабженный системами нагрева и водяного охлаждения корпуса, отличающаяся тем, что к термоизолированному реактору подключен подогреваемый ТЭНом газовый коллектор с подключенными к нему, посредством гибких шлангов с электромеханическими клапанами, емкостями с кислородом, азотом, водородом, монооксидом углерода, природным газом и воздухом; реактор снабжен крышкой, в которой установлен тройник, при этом первый выход тройника через патрубок, снабженный электромеханическим клапаном, сообщается с атмосферой, а второй выход тройника посредством патрубка, снабженного электромеханическим клапаном и ТЭНом для нагрева карбонила никеля, подсоединен к камере разложения карбонила никеля с постоянными магнитами, закрепленными на ее наружной поверхности; выходной патрубок камеры разложения через фильтр последовательно соединен с системой воздушного и водяного охлаждения монооксида углерода и подключен к перистальтическому насосу, выходной патрубок которого введен в реактор; дополнительно в реакторе установлен резистивный датчик температуры, датчик давления и датчик содержания монооксида углерода, подключенные к измерительным входам блока управления лабораторной установкой, а ее силовые выходы подключены соответственно к системе нагрева корпуса, насосу системы водяного охлаждения корпуса, ТЭНу газового коллектора, ТЭНу для нагрева карбонила никеля, перистальтическому насосу и электромеханическим клапанам патрубков и емкостей с газами.

2. Лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что система нагрева корпуса выполнена в виде ТЭНа.

3. Лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве резистивного датчика температуры может использоваться датчик модели WZP-187.

4. Лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве датчика давления применен модуль ВМР280.

5. Лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве датчика монооксида углерода применен датчик угарного газа модели MQ-9.

6. Лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления целесообразно реализовать на основе микроконтроллера.

7. Лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что, силовые выходы выполнены на основе транзисторных ключей.

8. Лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что, силовые выходы выполнены на основе тиристорных ключей.