РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДА И ВОДОРОДНОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2023 года по МПК B01J8/00 B82B3/00 C01B3/00 C01B32/00 

Изобретение относится к области нефтехимической промышленности, водородной энергетики и служит для производства водородной газовой смеси и нановолокнистого углерода путем каталитического пиролиза углеводородов С1-С4 при рабочей температуре 50÷700°С.

Известно устройство для получения водорода и углеродного наноматериала, содержащее раму, на которой установлена электропечь, внутри которой горизонтально помещен реактор, и механизм, приводящий в движение реактор посредством передачи момента от электрического привода, закрепленного на раме. Упомянутый механизм, обеспечивающий реверсивное вращение реактора, содержит опорные подшипники, закрепленные на раме, снабжен шатуном, соединяющим большой шкив, расположенный на раме, с малым шкивом, закрепленным на электрическом приводе, который зафиксирован на раме, ремнем привода, связывающим большой шкив с патрубком входа. Кроме того, устройство снабжено гибкими шланг-рукавами входа и выхода, накрученными на патрубки входа и выхода, зафиксированными одним концом на реакторе, а другим на упомянутых опорных подшипниках (Патент РФ №157994 U1, дата приоритета 07.08.2015, дата публикации 20.12.2015, авторы: Шибаев А.А. и др., RU),

Одним из недостатков аналога являются высокие общие энергетические затраты получения водорода и углеродного наноматериала из-за электрического нагрева реактора посредством электропечи, а также из-за обеспечения реверсивного вращения реактора посредством упомянутого механизма.

Другим недостатком известного аналога является низкая эффективность реактора, обусловленная вероятностью спекания частиц нановолокнистого углеродного материала внутри реактора при его реверсивном вращении.

Известно устройство для получения водорода и углеродных наноматериалов, используемое при реализации известного способа получения нановолокнистого углеродного материала и водорода. Устройство содержит раму, на которой закреплен электронагреватель, внутри которого горизонтально помещен реактор непрерывного действия с виброожиженным слоем катализатора, и вибропривод для создания вибрации упомянутого реактора, посредством которой обеспечивают перемещение углеродного материала от места загрузки исходного катализатора к месту выгрузки готового продукта. Реактор включает в себя корпус в виде горизонтальной трубы, закрытой с двух сторон фланцами, горизонтальную трубу рециркуляции, размещенную внутри реакционного пространства реактора, патрубок ввода катализатора, патрубок подачи газа, патрубок выгрузки углеродного материала и патрубок отвода газообразных продуктов. Реакционное пространство реактора внутри его корпуса разделено на секции поперечными перегородками, расположенными в нижней части реактора равномерно по всей его длине (Патент РФ №2462293 С1, дата приоритета 12.01.2011, дата публикации 27.09.2012, авторы: Ананьев И.В. и др., RU).

Недостатками данного аналога являются: низкая производительность реактора и высокий уровень шума при его функционировании, обусловленные малоэффективным взаимодействием углеводородного газа с катализатором из-за слабого перемешивания и перемещением углеродного материала в реакционном пространстве от места загрузки исходного катализатора к месту выгрузки готового продукта посредством вибрации реактора, созданной виброприводом. Кроме того, недостатком также являются высокие энергетические затраты получения нановолокнистого углеродного материала и водорода из-за электрического нагрева реакционного пространства внутри реактора посредством электронагревателя.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является реактор для переработки углеводородов с получением водорода и нановолокнистого углерода, содержащий двухстенную горизонтальную цилиндрическую камеру каталитического пиролиза перерабатываемых углеводородов, выполненную с возможностью соединения с предназначенными для функционирования реактора устройствами, включающую внешний корпус с наружной теплоизоляцией, образующий с внутренним корпусом пространство для его обогрева тепловыми газами, перемешивающее устройство, расположенное внутри обогреваемой зоны реакции, образованной внутренним корпусом упомянутой камеры, при этом перемешивающее устройство выполнено в виде сборки перемешивающих элементов, в частности лопастей, закрепленных на полом валу, кинематически связанному с электродвигателем, внешний корпус упомянутой камеры снабжен средством для ввода тепловых газов, соединенным с теплогенератором, и патрубком для вывода тепловых газов, а внутренний корпус упомянутой камеры снабжен патрубком для ввода перерабатываемых углеводородов, соединенным с блоком их подачи, средством для ввода катализатора, патрубком для вывода полученной водородной газовой смеси и средством для вывода полученного нановолокнистого углерода (Патент РФ №185231 U1, дата приоритета 24.07.2018, дата публикации 27.11.2018, авторы: Корнеев А.Е. и др., RU, прототип).

Особенность функционирования прототипа заключается в том, что при повышении скорости вращения полого вала происходит разбрасывание перемешивающими элементами продуктов каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов внутри обогреваемой зоны реакции, образованной внутренним корпусом упомянутой камеры. При этом разбрасывание этих продуктов в обогреваемой зоне реакции приводит к неравномерности перемешивания катализатора с перерабатываемыми углеводородами и, как следствие, к снижению эффективности перемешивания продуктов каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов.

Таким образом, недостатком прототипа является низкая производительность реактора из-за снижения эффективности перемешивания продуктов каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов внутри обогреваемой зоны реакции, образованной внутренним корпусом камеры, что обусловлено указанными особенностями функционирования реактора.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание высокоэффективного и высокопроизводительного реактора для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси.

Технические результаты, обеспечиваемые при использовании заявленного изобретения, заключаются в повышении эффективности перемешивания продуктов каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов за счет обеспечения равномерности их перемешивания внутри обогреваемой зоны реакции; в снижении энергетических затрат процесса получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси, а также в обеспечении низкого уровня шума при функционировании заявленного реактора.

Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложен реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси, содержащий двухстенную горизонтальную цилиндрическую камеру каталитического пиролиза перерабатываемых углеводородов, выполненную с возможностью соединения с предназначенными для функционирования реактора устройствами, включающую внешний корпус 1, образующий с внутренним корпусом 2 пространство для его обогрева тепловыми газами, перемешивающее устройство, расположенное внутри обогреваемой зоны реакции, образованной внутренним корпусом 2 упомянутой камеры, причем, перемешивающее устройство выполнено в виде сборки перемешивающих элементов, установленных на полом валу 4, кинематически связанному с электродвигателем, внешний корпус 1 упомянутой камеры снабжен средством для ввода тепловых газов, соединяемым с теплогенератором, и патрубком 19 для вывода тепловых газов, а внутренней корпус 2 упомянутой камеры снабжен патрубком 14 для ввода перерабатываемых углеводородов, соединяемым с блоком их подачи, средством 16 для ввода катализатора, патрубком 15 для вывода полученной водородной газовой смеси и средством 17 для вывода полученного нановолокнистого углерода. Новым является то, что средство для ввода тепловых газов содержит, по крайней мере, три завихрителя газового потока 18, сборка перемешивающих элементов, каждый из которых выполнен в виде барабана 3 с ворсистой поверхностью, установлена на полом валу 4 с эксцентриситетом по отношению к оси реактора и с возможностью перемещения при вращении относительно оси реактора в поперечном и вертикальном направлениях по концентричной траектории, приближенной к стенке упомянутой камеры реактора, при этом полый вал перемешивающего устройства выполнен коленчатым, концы которого внутри снабжены соединенным с ним коленом 9 с осью вращения, совпадающей с осью упомянутой камеры реактора, для обеспечения концентричности движения полого вала 4 с барабанами относительно оси реактора, при этом коленчатый полый вал установлен на магнитных 10 и упорных 11 радиальных подшипниках в боковых крышках 12 на торцах упомянутой камеры и кинематически связан посредством магнитной муфты 13 с приводом электродвигателя, кроме того, внешняя поверхность внутреннего корпуса 2 упомянутой камеры, на которой смонтированы интенсификаторы теплообмена 20, соединена с внутренней поверхностью внешнего 1 корпуса упомянутой камеры посредством элементов креплений.

Согласно изобретению, в частном варианте его осуществления барабаны 3 с ворсистой поверхностью в сборке перемешивающих элементов соединены между собой посредством прижимных тарелок 7, а сборка зафиксирована на полом валу 4 с обеих сторон посредством фиксационных зажимов 8.

Согласно изобретению, в частном варианте его осуществления на поверхности каждого упомянутого барабана 3 выполнены пазы, в каждый из которых вставлен и закреплен посредством соответствующего штифта 6 соответствующий перемешивающий ворс 5, причем, в частном варианте заявленного изобретения перемешивающий ворс 5 изготовлен из отработанного стального троса.

Согласно изобретению, в частном варианте его осуществления в качестве магнитного подшипника 10 использован комбинированный магнитный подшипник-демпфер.

Согласно изобретению, в частном варианте его осуществления в кинематическую цепь, соединяющую посредством магнитной муфты 13 полый вал 4 с приводом электродвигателя, встроен планетарный вариатор.

За счет того, что полый вал установлен на магнитных 10 и упорных 11 радиальных подшипниках, расположенных в боковых крышках 12 камеры, и кинематически связан посредством магнитной муфты с приводом электродвигателя, обеспечивается низкий уровень шума при функционировании заявленного реактора.

За счет того, что сборка перемешивающих элементов, каждый из которых выполнен в виде барабана с ворсистой поверхностью, установлена на коленчатом полом валу 4 с эксцентриситетом по отношению к оси реактора, что позволяет барабанам 3 совершать вращательное движение совместно с полым валом 4 и относительно самих себя и обеспечивает возможность перемещения при вращении относительно оси реактора в поперечном и вертикальном направлениях по концентричной траектории, приближенной к стенке упомянутой камеры реактора, в результате чего обеспечивается равномерность перемешивания продуктов каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов внутри обогреваемой зоны реакции и, как следствие, повышение эффективности перемешивания этих продуктов. При этом повышение эффективности перемешивания продуктов каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов внутри обогреваемой зоны реакции, образованной внутренним корпусом камеры, приводит к повышению производительности заявленного реактора.

За счет того, что средство для ввода тепловых газов, соединяемое с теплогенератором, содержит, по крайней мере, три завихрителя газового потока 18, а внешняя поверхность внутреннего корпуса 2 упомянутой камеры, на которой смонтированы интенсификаторы 20 теплообмена, соединена с внутренней поверхностью внешнего корпуса 1 упомянутой камеры посредством элементов креплений, в частности лабиринтных креплений 21, обеспечивается снижение энергетических затрат получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси.

За счет использования планетарного вариатора, встроенного в кинематическую цепь, может быть повышена производительность реактора.

Сущность заявленного технического решения иллюстрируется следующими чертежами:

На фиг. 1 представлен общий вид заявленного реактора для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси, с частичным продольным разрезом; на фиг. 2 представлен поперечный разрез заявленного реактора; на фиг. 3 представлена часть сборки перемешивающих элементов и ее продольный разрез А-А.

На чертежах приведены следующие обозначения:

1 - внешний корпус двухстенной горизонтальной цилиндрической камеры каталитического пиролиза перерабатываемых углеводородов;

2 - внутренний корпус упомянутой камеры;

3 - барабаны сборки перемешивающих элементов;

4 - коленчатый полый вал перемешивающего устройства;

5 - перемешивающий ворс барабана;

6 - штифт для закрепления перемешивающего ворса;

7 - прижимная тарелка в сборке перемешивающих элементов;

8 - фиксационный зажим для фиксации сборки перемешивающих элементов;

9 - колено, соединенное с полым валом внутри;

10 - магнитный подшипник;

11 - упорный радиальный подшипник;

12 - боковая крышка упомянутой камеры реактора;

13 - магнитная муфта;

14 - патрубок ввода перерабатываемых углеводородов;

15 - патрубок для вывода полученной водородной газовой смеси;

16 - средство для ввода катализатора;

17 - средство для вывода полученного нановолокнистого углерода;

18 - завихритель газового потока;

19 - патрубок для вывода тепловых газов;

20 - интенсификатор теплообмена;

21 - элемент крепления.

Реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси содержит двухстенную горизонтальную цилиндрическую камеру каталитического пиролиза перерабатываемых углеводородов, включающую внешний корпус 1, образующий с внутренним корпусом 2 пространство для обогрева тепловыми газами. Торцы упомянутой камеры закрыты боковыми крышками 12 с фланцевыми соединениями и с соответствующими пазами под подшипники. Внутренний корпус 2 камеры образует обогреваемую зону реакции, внутри которой расположено перемешивающее устройство, которое выполнено в виде сборки перемешивающих элементов, зафиксированной на полом валу 4, выполненном коленчатым. Каждый перемешивающий элемент в упомянутой сборке выполнен в виде барабана 3 с ворсистой поверхностью (фиг. 1, фиг. 2).

В частном варианте осуществления заявленного изобретения барабаны 3 с ворсистой поверхностью в сборке перемешивающих элементов соединены между собой посредством прижимных тарелок 7, а сборка зафиксирована на полом валу 4 с обеих сторон посредством фиксационных зажимов 8 (фиг. 1).

В частном варианте осуществления заявленного изобретения на ворсистой поверхности каждого упомянутого барабана 3 выполнены пазы, в каждый из которых вставлен и закреплен посредством соответствующего штифта 6 соответствующий перемешивающий ворс 5 (фиг. 3). Причем перемешивающий ворс 5 изготовлен из отработанного стального троса.

Сборка перемешивающих элементов установлена на полом валу с эксцентриситетом по отношению к оси реактора и с возможностью перемещения при вращении относительно оси реактора в поперечном и вертикальном направлениях по концентричной траектории, приближенной к стенке упомянутой камеры. При этом полый вал 4 перемешивающего устройства на каждом конце содержит установленное внутри и соединенное с ним, например посредством шпонки, колено 9, имеющее ось вращения, совпадающую с осью упомянутой камеры реактора, для обеспечения концентричности движения полого вала с барабанами относительно оси реактора.

Полый коленчатый вал 4 установлен на магнитных 10 и упорных радиальных 11 подшипниках в боковых крышках 12 упомянутой камеры и кинематически связан посредством магнитной муфты 13 с приводом электродвигателя (на фиг. 1 не показан).

Привод электродвигателя снабжен индикатором направления вращения электродвигателя и датчиком скорости его вращения, оперативно соединенными с блоком управления приводом электродвигателя (на чертежах не показано).

Магнитные 10 подшипники могут представлять собой любой известный тип элемента магнитного подвеса полого вала 4, работающего на принципе магнитной левитации, например, активные магнитные подшипники, снабженные соответствующими демпферами и блоком управления, известные, например, как адаптивное устройство-демпфер (патент РФ №185576 U1, дата приоритета 18.06.2018, дата публикации 11.12.2018, авторы: Петровский Э.А. и др. RU).

Магнитные подшипники 10 совместно с упорными радиальными подшипниками 11 использованы в конструкции заявленного реактора в качестве элементов магнитного подвеса полого вала 4 в боковых крышках 12 упомянутой камеры, наличие которых в его конструкции обеспечивает долговечность полого вала 4, в частности, и заявленного реактора в целом. Обеспечение долговечности заявленного реактора приводит к повышению его надежности.

Магнитная муфта 13 содержит внешний ротор, снабженный соответствующими высококачественными постоянными магнитами с переменной полярностью с его внутренней стороны, и внутренний ротор, оснащенный соответствующими высококачественными постоянными магнитами с переменной полярностью с его внешней стороны (на чертежах не показано). Магнитная муфта 13 предназначена для бесконтактной передачи крутящего момента с ведущего вала привода электродвигателя на полый вал 4 за счет эффекта магнитной левитации, образующегося при взаимодействии электромагнитных полей ее вращающихся внешнего и внутреннего роторов.

За счет наличия в конструкции заявленного реактора магнитной муфты 13, которая при функционировании не потребляет электроэнергии и не имеет изнашивающихся деталей, обеспечивается увеличение долговечности привода электродвигателя, в частности, и заявленного реактора в целом, а также снижение энергетических затрат получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси.

Кроме того, за счет наличия в конструкции заявленного реактора магнитной муфты 13 обеспечивается сохранение чистоты обогреваемой зоны реакции, и, как следствие, повышается качество полученного нановолокнистого углерода.

За счет эффекта магнитной левитации, образующегося при взаимодействии электромагнитных полей вращающихся внешнего и внутреннего роторов магнитной муфты 13, исключается разрушение полого вала 4 перемешивающего устройства при ударном торможении, что обеспечивает повышение надежности и долговечности заявленного реактора.

В частном варианте осуществления заявленного изобретения в кинематическую цепь, соединяющую посредством магнитной муфты 13 полый вал 4 с приводом электродвигателя, может быть встроен планетарный вариатор, представляющий совокупность двух устройств: планетарного редуктора и вариатора.

Планетарный вариатор реализует требуемое передаточное отношение и плавно изменяет крутящий момент на выходном валу привода, при этом обеспечивает широкий диапазон регулирования момента на выходном валу, что влияет на повышение производительности реактора.

Такая выше описанная компоновка кинематической цепи, соединяющей посредством магнитной муфты 13 полый вал 4 с приводом электродвигателя, приводит в движение сборку перемешивающих элементов посредством передачи момента вращения от привода электродвигателя на полый вал 4, и обеспечивает движение упомянутой сборки вокруг оси упомянутой камеры реактора по траектории, приближенной к стенке камеры.

Внешний корпус 1 упомянутой камеры снабжен средством для ввода тепловых газов, соединенным с теплогенератором (на фиг. 1 не показано), и патрубком 19 для вывода тепловых газов.

Теплогенератор, соединенный с блоком подачи перерабатываемых углероводородов, выполнен в виде блока розжига, снабженного форсунками-пламегасителями, регулятором подачи тепловых газов и датчиком объема тепловых газов с контролем их температуры, оперативно соединенными с системой управления подачи теплового газа (на чертежах не показано).

Регулятор подачи тепловых газов (на чертежах не показано), оперативно соединенный с системой управления подачи теплового газа, может представлять собой любой известный тип запорно-регулирующей арматуры, например, задвижку и т.д.

Средство для ввода тепловых газов содержит по крайней мере три завихрителя газового потока 18. Отдельный завихритель газового потока 18 может представлять собой, например известную конструкцию, описанную в (RU №2703643, МПК В05В 7/10, опубл. 21.10.2019). Завихритель газового потока 18 данной известной конструкции содержит цилиндрический корпус с центральным каналом, имеющим входное и выходное отверстия, при этом его центральный канал выполнен ступенчатым с возможностью создания регулируемого завихренного потока.

Внутренней корпус 2 упомянутой камеры снабжен патрубком 14 для ввода перерабатываемых углеводородов, соединенным с блоком их подачи (на чертежах не показано), средством 16 для ввода катализатора, патрубком 15 для вывода полученной водородной газовой смеси и средством 17 для вывода полученного нановолокнистого углерода.

Средство 16 для ввода катализатора и средство 17 для вывода полученного нановолокнистого углерода могут быть выполнены, например, в виде соответствующих шлюзов.

Как видно на фиг. 2, внешняя поверхность внутреннего 2 корпуса упомянутой камеры, на которой смонтированы интенсификаторы теплообмена 20, соединена с внутренней поверхностью внешнего 1 корпуса упомянутой камеры посредством элементов крепления 21, в частности, лабиринтных креплений.

Интенсификаторы теплообмена 20 могут представлять собой любой известный тип средств для интенсификации теплообмена между соответствующими поверхностями внешнего 1 и внутреннего 2 корпусов упомянутой камеры, например, проволочный, в виде оребрения на внешней поверхности внутреннего корпуса 2 упомянутой камеры, в форме поперечных выступов на внешней поверхности внутреннего корпуса 2 упомянутой камеры и т.д.

Элементы крепления 21, расположенные между внутренним 2 и внешним 1 корпусами упомянутой камеры (фиг. 2), могут представлять собой, например, лабиринтные крепления, замедляющие перемещению тепловых газов, а также могут представлять собой любой известный тип крепежных деталей.

Кроме того, заявленный реактор через патрубок для ввода азота соединен с блоком закачки и выделения азота из воздуха (на чертежах не показано).

Заявленный реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси работает следующим образом.

Перед запуском заявленного реактора средство 17 для вывода полученного нановолокнистого углерода должно находиться в положении «закрыто».

При запуске заявленного реактора во внутренний корпус 2 упомянутой камеры, образующий обогреваемую зону реакции, через средство 16 для загрузки катализатора вводится количество катализатора, необходимое на один цикл каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов. Часть перерабатываемых углеводородов, используемая в качестве теплового газа, поступает из блока их подачи в теплогенератор, снабженный форсунками пламегасителями (на чертежах не показано), где тепловой газ смешивается с воздухом, и происходит процесс горения с выделением тепла. Раскаленные тепловые газы, поступая через средство для их ввода, содержащее, по крайней мере, три завихрителя газового потока 18, распыляются в пространстве для обогрева тепловыми газами внутреннего корпуса 2 упомянутой камеры и нагревают обогреваемую зону реакции до рабочей температуры, равной 500÷700°С.

Значения объема и рабочей температуры распыленных тепловых газов контролируют посредством датчика объема тепловых газов с контролем их температуры, оперативно соединенного с системой управления подачи теплового газа (на чертежах не показано).

Посредством регулятора подачи тепловых газов, оперативно соединенного с системой управления подачи теплового газа (на чертежах не показаны), осуществляют регулировку объема раскаленных тепловых газов, распыленных в пространство для обогрева ими внутреннего корпуса 2 упомянутой камеры.

Отработанные тепловые газы из упомянутого пространства выводятся с помощью патрубка 19 для вывода тепловых газов.

За счет того, что на внешней поверхности внутреннего корпуса 2 упомянутой камеры смонтированы интенсификаторы теплообмена 20 обеспечивается вихревая интенсификация теплообмена между поверхностями внешнего 1 и внутреннего 2 корпусов упомянутой камеры. За счет того, что внешняя поверхность внутреннего 2 корпуса упомянутой камеры соединена с внутренней поверхностью ее внешнего 1 корпуса посредством лабиринтных креплений 21, расположенных в пространстве для обогрева внутреннего корпуса 2 упомянутой камеры тепловыми газами, обеспечивается замедление прохождения распыленных тепловых газов в упомянутом пространстве камеры. Замедление прохождения раскаленных и распыленных тепловых газов при обеспечении вихревой интенсификации теплообмена в упомянутом пространстве камеры приводит к повышению эффективности теплообмена между поверхностями внешнего 1 и внутреннего 2 корпусов камеры и, как следствие, к снижению энергетических затрат получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси.

Предварительно нагретые перерабатываемые углеводороды поступают в блок для подачи перерабатываемых углеводородов (на чертежах не показано), откуда через патрубок 14 для ввода перерабатываемых углеводородов попадают в обогреваемую зону реакции. Получаемая в процессе каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов водородная газовая смесь, включающая в себя непрореагировавшие углеводороды, выводится из обогреваемый зоны реакции, образованной внутренним корпусом 2 упомянутой камеры, через патрубок 15 для ее вывода.

Полый коленчатый вал 4 с барабанами 3, установленный с помощью выше перечисленных элементов магнитного подвеса полого вала 4 в боковых крышках 12 упомянутой камеры, приводится в движение посредством привода электродвигателя (на фиг. 1 не показан).

Посредством блока управления приводом электродвигателя (на чертежах не показан) регулируют скорость вращения полого вала 4 и контролируют направление его вращения.

При этом посредством магнитной муфты 13 осуществляется бесконтактная передача крутящего момента с ведущего вала привода электродвигателя на полый вал 4 за счет эффекта магнитной левитации, образующегося при взаимодействии электромагнитных полей вращающихся внешнего и внутреннего роторов магнитной муфты 13.

При вращении полого вала 4 вокруг оси упомянутой камеры реактора сборка перемешивающих элементов, установленных на полом валу 4, совершает концентричное движение относительно оси реактора по приближенной к стенке камеры траектории.

При совершении сборкой перемешивающих элементов, установленных на упомянутом полом валу 4, концентричного движения относительно оси реактора по приближенной к стенке камеры траектории барабаны 3 с ворсистой поверхностью, в виде которых выполнен каждый перемешивающий элемент в упомянутой сборке, осуществляют равномерное перемешивание перерабатываемых углеводородов с катализатором в обогреваемой зоне реакции, образованной внутренним корпусом 2 упомянутой камеры. Равномерное перемешивание перерабатываемых углеводородов с катализатором в обогреваемой зоне реакции приводит к повышению эффективности перемешивания продуктов каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов и, как следствие, к повышению эффективности и производительности заявленного реактора.

После окончания цикла каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов прекращается подача теплового газа и перерабатываемых углеводородов в обогреваемую зону реакции, образованную внутренним корпусом 2 упомянутой камеры. Средство 17 для вывода полученного нановолокнистого углерода открывают. Нановолокнистый углерод, полученный в процессе каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов, выводится из обогреваемой зоны реакции, образованной внутренним корпусом 2 упомянутой камеры, с помощью средства 17 для его вывода. После извлечения полученного нановолокнистого углерода по патрубку для ввода азота из блока закачки и выделения азота из воздуха закачивают азот в обогреваемую зону реакции упомянутой камеры для очистки ее от остаточных перерабатываемых углеводородов, смесь которых выводится через патрубок 15 для вывода полученной водородной газовой смеси, и цикл каталитической реакции пиролиза перерабатываемых углеводородов повторяют.

Таким образом, изложенное свидетельствует о создании высокоэффективного и высокопроизводительного реактора для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси, что подтверждено изготовлением и испытанием опытного образца в научной лаборатории биотопливных композиций Сибирского федерального университета.

Изобретение относится к области нефтехимической промышленности, водородной энергетики. Описан реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси, содержащий двухстенную горизонтальную цилиндрическую камеру каталитического пиролиза перерабатываемых углеводородов, выполненную с возможностью соединения с предназначенными для функционирования реактора устройствами, включающую внешний корпус, образующий с внутренним корпусом пространство для его обогрева тепловыми газами, перемешивающее устройство, расположенное внутри обогреваемой зоны реакции, образованной внутренним корпусом упомянутой камеры, причем перемешивающее устройство выполнено в виде сборки перемешивающих элементов, установленных на полом валу, кинематически связанном с электродвигателем, внешний корпус упомянутой камеры снабжен средством для ввода тепловых газов, соединяемым с теплогенератором, и патрубком для вывода тепловых газов, а внутренний корпус упомянутой камеры снабжен патрубком для ввода перерабатываемых углеводородов, соединяемым с блоком их подачи, средством для ввода катализатора, патрубком для вывода полученной водородной газовой смеси и средством для вывода полученного нановолокнистого углерода, при этом средство для ввода тепловых газов содержит, по крайней мере, три завихрителя газового потока, сборка перемешивающих элементов, каждый из которых выполнен в виде барабана с ворсистой поверхностью, установлена на полом валу с эксцентриситетом по отношению к оси реактора и с возможностью перемещения при вращении относительно оси реактора в поперечном и вертикальном направлениях по концентричной траектории, приближенной к стенке упомянутой камеры реактора, при этом полый вал перемешивающего устройства выполнен коленчатым, концы которого внутри снабжены соединенным с ним коленом с осью вращения, совпадающей с осью упомянутой камеры реактора, для обеспечения концентричности движения полого вала с барабанами относительно оси реактора, при этом коленчатый полый вал установлен на магнитных и упорных радиальных подшипниках в боковых крышках на торцах упомянутой камеры и кинематически связан посредством магнитной муфты с приводом электродвигателя, кроме того, внешняя поверхность внутреннего корпуса упомянутой камеры, на которой смонтированы интенсификаторы теплообмена, соединена с внутренней поверхностью внешнего корпуса упомянутой камеры посредством элементов креплений. Технический результат - повышение эффективности перемешивания, обеспечение низкого уровня шума при функционировании реактора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси, содержащий двухстенную горизонтальную цилиндрическую камеру каталитического пиролиза перерабатываемых углеводородов, выполненную с возможностью соединения с предназначенными для функционирования реактора устройствами, включающую внешний корпус, образующий с внутренним корпусом пространство для его обогрева тепловыми газами, перемешивающее устройство, расположенное внутри обогреваемой зоны реакции, образованной внутренним корпусом упомянутой камеры, причем перемешивающее устройство выполнено в виде сборки перемешивающих элементов, установленных на полом валу, кинематически связанном с электродвигателем, внешний корпус упомянутой камеры снабжен средством для ввода тепловых газов, соединяемым с теплогенератором, и патрубком для вывода тепловых газов, а внутренний корпус упомянутой камеры снабжен патрубком для ввода перерабатываемых углеводородов, соединяемым с блоком их подачи, средством для ввода катализатора, патрубком для вывода полученной водородной газовой смеси и средством для вывода полученного нановолокнистого углерода, отличающийся тем, что средство для ввода тепловых газов содержит, по крайней мере, три завихрителя газового потока, сборка перемешивающих элементов, каждый из которых выполнен в виде барабана с ворсистой поверхностью, установлена на полом валу с эксцентриситетом по отношению к оси реактора и с возможностью перемещения при вращении относительно оси реактора в поперечном и вертикальном направлениях по концентричной траектории, приближенной к стенке упомянутой камеры реактора, при этом полый вал перемешивающего устройства выполнен коленчатым, концы которого внутри снабжены соединенным с ним коленом с осью вращения, совпадающей с осью упомянутой камеры реактора, для обеспечения концентричности движения полого вала с барабанами относительно оси реактора, при этом коленчатый полый вал установлен на магнитных и упорных радиальных подшипниках в боковых крышках на торцах упомянутой камеры и кинематически связан посредством магнитной муфты с приводом электродвигателя, кроме того, внешняя поверхность внутреннего корпуса упомянутой камеры, на которой смонтированы интенсификаторы теплообмена, соединена с внутренней поверхностью внешнего корпуса упомянутой камеры посредством элементов креплений.

2. Реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси по п. 1, отличающийся тем, что барабаны с ворсистой поверхностью в сборке перемешивающих элементов соединены между собой посредством прижимных тарелок, а сборка зафиксирована на полом валу с обеих сторон посредством фиксационных зажимов.

3. Реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси по п. 1, отличающийся тем, что на ворсистой поверхности каждого упомянутого барабана выполнены пазы, в каждый из которых вставлен и закреплен посредством соответствующего штифта соответствующий перемешивающий ворс.

4. Реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси по п. 3, отличающийся тем, что перемешивающий ворс изготовлен из стального троса.

5. Реактор для получения нановолокнистого углерода и водородной газовой смеси по п. 1, отличающийся тем, что в кинематическую цепь, соединяющую посредством магнитной муфты полый вал с приводом электродвигателя, встроен планетарный вариатор.