Способ получения технического углерода Советский патент 1992 года по МПК C09C1/54 

Изобретение относится к высокотемпературной химической технологии, более конкретно к способам получения технического углерода путем термического разложения газообразного углеводородного сырья, в частности природного газа.

Известны способы получения технического углерода разложением углеводородного топлива при его сжигании с избытком топлива в кислородсодержащем газе, причем для поддержания оптимальной температуры в реакционной зоне проводят регулировку расхода топлива. Недостатками этих способов являются низкий выход углерода в виде сажи, поскольку часть углерода удаляется в виде углеродсодержащих газов - СО, С02 и неразложившегося метана, и низкая экономичность процесса поскольку отходящие газы имеют низкую калорийность и их последующее использование затруднено или невозможно. Кроме того, образование сажи происходит к кислородсодержащей среде, поэтому известные способы не позволяют получить бескислородную сажу, которая че содержала бы в связанном или адсорбированном виде кислород. Это ухудшает свойства получаемой сажи и затрудняет ее использование в некоторых технологических процесссах, например в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигамому положительному эффекту является способ получения технического углерода посредством пиролиза углеводородного сырья - природного газа в регенеративном газонагревателе, включающий разогрев насадки газонагревателя гтродуктами сгорания с последующим проп /еканием через насадку га-vlСО CJ

ь.

|СЛ iO

зообразного углеводородного сырья и отделением сажи от продуктов пиролиза. Известный способ позволяет получать бескилородную сажу и высококалорийный газ, состоящий в основном из водорода и небольшого количества неразложившегося метана. Этот газ может быть эффективно использован, например, для сжигания в регенераторе, находящемся на стадии разогрева, что позволяет повысить экономичность процесса, т.е. достичь низких удельных затрат углеводородного сырья на получение тонны сажи.

Недостатком известного способа является то, что он не учитывает нестационар- ный, циклический характер работы регенеративного газонагревателя, и это приводит к снижению производительности и/или ухудшению экономичности процесса получения технического углерода.

Целью изобретения является повышение производительности и уменьшение удельных затрат природного газа.

Поставленная цель достигается способом получения технического углерода по- средством пиролиза углеводородного сырья в регенеративном газонагревателе, при котором проводят непрерывное измерение состава продуктов пиролиза после газонагревателя и поддерживают содержа- ние метана в них на постоянном оптимальном уровне, в диапазоне 0,5-20 об.% посредством регулирования расхода углеводородного сырья - природного газа на основе метана, подаваемого на пиролиз.

Такое выполнение способа позволяет подавать в регенератор, работающий в режиме пиролиза, в каждый момент времени такой расход углеводородного сырья, который обеспечивает необходимую длитель- ность нахождения газа в насадке регенератора, что приводит к достаточно полному при существующем в этот момент распределении температуры в насадке разложению углеводородов и низким потерям углерода с неразложившимся метаном и достаточно высокую производительность регенератора по саже.

На фиг.1 показана схема установки, работающей по данному способу.

Схема состоит из регенератора 1 с камерой 2 сгорания, трубопровода горячих продуктов пиролиза с отсечным клапаном 3, трубопровода дымовых газов с клапаном 4, линии подачи углеводородного сырья с от- счетным клапаном 5 и регулятором 6 расхода, линии подачи в камеру сгорания топлива и воздуха с соответствующими клапанами 7

и 8 и газоанализатора 9 продуктов пиролиза.

Установка работает следующим образом.

Сначала насадка регенератора разогревается продуктами сгорания до температуры верхних слоев 1300-1700°С (максимальная температура зависит от используемого огнеупорного материала насадки и футеровки) и нижних слоев до температуры не ниже 800-900°С, т.е. достаточной для полной газификации во время цикла разогрева продуктами сгорания отложений углерода на насадке, образовавшихся во время предшествующего цикла пиролиза. После достижения указанных температур подача топлива и воздуха в камеру сгорания прекращается, закрывается дымовой клапан 4, открывается горячий клапан 3, а затем отсечной клапан 5, после чего в насадку начинает поступать углеводородное сырье. Образующиеся продукты пиролиза через горячий трубопровод поступают на участок охлаждения и отделения сажи. Газоанализатор 9 определяет содержание в продуктах пиролиза неразложившегося метана. Если измеренная величина оказывается меньше оптимального значения, то на регулятор 6 расхода углеводородного сырья поступает управляющий сигнал об увеличении расхода. При этом время пребывания газа в регенераторе уменьшается и уменьшается его степень разложения, т.е. количество СН4 в продуктах пиролиза возрастает. Но в тоже время производительность регенератора по саже из-за увеличения расхода возрастает. Если содержание метана в продуктах пиролиза оказывается больше оптимальной величины, то подается сигнал об уменьшении расхода углеводородного сырья. В начале цикла пиролиза насадка регенератора нагрета до максимально высокой температуры верхних слоев и имеет соответствующий профиль температуры по высоте. Высокая температура приводит к высокой скорости химических реакций разложения углеводородов, что позволяет достичь высокой степени их разложения при малом времени реагирования, т.е. при большом расходе сырья, По мере остывания насадки во время цикла пиролиза скорости химических реакций уменьшаются и для разложения углеводородов требуется увеличивать время реакций, т.е. уменьшать расход. Поскольку скорость реакций имеет экспоненциальную зависимость от температуры, то, если не проводить регулировки расхода, соединение СН4 в продуктах пиролиза будет уменьшаться во время цикла таким образом, как показано на фиг.2 (кривая 1). Соответствующий расход сырья показан на фиг.З (прямая 1). Среднее содержание метана в продуктах пиролиза

л Я7цикла Тцикла Jо

СН4

/ CH4(r)dr,

где Тцикла - время цикла пиролиза обозначено на кривой 1 фиг.2 точкой А.

Если проводить регулировку расхода так, чтобы поддерживать содержание метана в продуктах пиролиза постоянным и равным СН4 (прямая 2 фиг.2), то расход будет изменяться так, как показано кривой 2 на фиг.З. Рассматриваемые два случая имеют одинаковое среднее содержание СЩ в продуктах пиролиза, а следовательно, и одинаковые удельные затраты сырья при производстве сажи. Производительности же процессов будут соотноситься как площади под кривыми 1 и 2 на фиг.З. Приведен- ные на фиг.2 и 3 зависимости носят иллюстративный характер; они зависят от конкретных условий проведения пиролиза, таких как температурный профиль в насадке после разогрева, от используемой насадки (блочная, шариковая) и соответствующих значений коэффициентов теплоотдачи, от состава углеводородного сырья и т.д. Расчеты, проведенные для различных реальных условий, показали, что применение регулирования расхода для поддержания постоянного содержания СЩ в продуктах пиролиза позволяет при одинаковых удельных затратах сырья с известным решением по прототипу повысить производительность процесса на 10-50% или при одинаковой производительности уменьшить удельные затраты углеводородного сырья на 5-20%.

Что касается оптимальной величины содержания СН4 в продуктах пиролиза, то она определяется в каждом конкретно случае из условия минимума экономических затрат на получение тонны технического углерода. Меньшее содержание СН/ в продуктах пиролиза, поддерживаемое постоянным путем регулировки расхода, приведет к уменьшению затрат на сырье, но в то же время и к уменьшению производительности установки и, следовательно, увеличению удельных приведенных затрат, связанных с капитальными вложениями. Оптимальное значение СНЦ зависит также от стоимости используемого углеводородного сырья, капитальных затрат при сооружении установки, от характера использования газообразных продуктов пиролиза Тем не менее содержание СЩ в продуктах пиролиза должно быть не меньше 0,5 об.%, поскольку полное разложение метана требует чрезвычайно большого времени реакции и

может быть обеспечено только при очень малых расходах сырья, т.е. очень малой производительности установки. Содержание СН4 в продуктах пиролиза не должно превышать 20 об.%, т.е при этом неоправданно

возрастут удельные затраты сырья, и они уже не смогут быть компенсированы уменьшением затрат, связанных с капитальными вложениями, которое вызывается увеличением производительности процесса.

Пример 1. Регенератор с шариковой корундовой насадкой, объем которой равен 10 м3, разогревается продуктами сгорания метана при расходе метана 230 г/с и расходе воздуха 5,50 кг/с до температуры нижних слоев насадки 900°С. При этом температура верхних слоев равна 1600°С. После этого нагрев прекращается и снизу в насадку подается метан, т.е. клапаны 7, 8 и 4 (фиг.1)

закрываются, а клапаны 3 и 5 открываются. Расход метана устанавливается регулятором 6 на основании сигнала от газоанализатора 9 таким образом, чтобы содержание СН/1 в продуктах пиролиза поддерживалось

равным 4 об.%. При этом в начале цикла расход метана составляет 307 мн /ч, а в конце цикла 36 нм /ч. Средний за цикл расход метана равнялся ЮОнм /ч. Выход сажи за цикл 8,13 кг. Удельные затраты метана

6,77 нм /кг, производительность регенератора по саже 16,3 кг/ч. Увеличена на 44% производительность процесса и уменьшены на 1,6% удельные затраты метана по сравнению с процессом по прототипу (см. пример 3).

Пример2 (аналогичен примеру 1 по

исходным параметрам). Длительность цикла пиролиза 30 мин, содержание метана в продуктах пиролиза поддерживается равным 1,5%. Средний за цикл расход метана

82 нм /ч, выход сажи за цикл 6,39 кг. Удельные затраты метана 6,42 нм /кг, производительность регенератора по саже 12,78 кг/ч. По сравнению с известным режимом увеличена на 12,7% производительность и уменьшены на 6,7% удельные затраты метана.

Пример 3 (без регулирования, аналогично прототипу; исходные параметры по примеру 1). Длительность цикла пиролиза

30 мин, расход природного газа 78 нм3/ч, содержание метана в продуктах пиролиза в начале цикла 0,2%, в конце цикла 16,0%, среднее за время цикла 4,8%. Выход сажистого углерода за цикл 5,67 кг (остальной

углерод удаляется с неразложившимся метаном и остается на насадке в виде пироуг- лерода).

Удельные затраты метана на 1 кг сажи 6,88 нм3/кг, производительность регенератора на саже 11,34 кг/ч.

Формула изобретения Способ получения технического углерода путем пиролиза природного газа на основе метана в регенеративном газонагревателе, включающий разогрев насадки газонагревателя продуктами сгорания углеводородного топлива, последующее пропускание через на0

садку природного газа, отделение образовавшейся сажи от газообразных продуктов пиролиза, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и уменьшения удельных затрат природного газа, в продуктах пиролиза после газонагревателя измеряют содержание метана и при снижении его ниже 0,5 об.% или превышении 20 об.% увеличивают или уменьшают расход природного газа через насадку путем автоматического регулирования.

Изобретение относится к способу получения технического углерода термическим разложением - пиролизом природного газа - метана и позволяет повысить производительность и уменьшить удельные затраты газа. Природный газ пропускают через предварительно разогретую насадку до 900°С и 1600°С нижних и верхних слоев ее. Расход газа в начале цикла 307 нм3/ч, в конце - 36 нм /ч, а содержание метана в продуктах пиролиза поддерживается 4 об.%. Выход сажи за цикл 8,13 кг, удельные затраты метана 6,77 нм /кг, производительность регенератора по саже 16,3 кг/ч. 3 ил. со

топливо

утдеводо- 5

родное сырье

Рег

Фиг.1

воздух

продукты пиролиза на отделение саги

управляющий сигнал

4

4X1дымовые газы на сброс

содержание метана в продуктах пиролиза

Фиг. 2

расход углеводородного сырья