RU203961U1

RU203961U1 - Small-sized reactor for producing carbon black by controlled pyrolysis of hydrocarbon gas

Info

Publication number: RU203961U1
Application number: RU2020143259U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Исаев; Нина Александровна Исаева; Александр Сергеевич Щучкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Карбострим "
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Полезная модель относится к технологическому оборудованию, используемому для получения технического углерода (сажи) путем осуществления пиролиза газообразных углеводородов и направлена на повышение ресурса и эффективности применения наиболее нагруженных агрегатов этого оборудования - высокотемпературных реакторов пиролиза углеводородов.Малогабаритный реактор предназначен для использования при отработке новых технологических процессов, обеспечивающих производство технического углерода перспективных марок из углеводородного газа (УВГ), изготовлен путем механической обработки заготовки в виде трубы из жаростойкого сплава разделен на 5 зон: I - камеру смешения, II - камеру сгорания, III - камеру пиролиза УВГ, IV - камеру закалки продуктов пиролиза, V - камеру охлаждения продуктов.В состав реактора входят: корпус 11, защитная оболочка 15, наружный корпус камеры сгорания 12, штуцер для подачи газа 4 для защиты и охлаждения стенки камеры сгорания, сопловая решетка 14, набивка в виде мягкой металлической проволоки 9, тангенциально расположенные штуцеры 1 и 2 для подключения к магистралям УВГ и кислородно-азотной смеси соответственно, электрод 10 для поджига горючей смеси в камере сгорания, штуцеры 3 с соплами для подачи УВГ на пиролиз, штуцеры 5 с соплами для подачи закалочного газа и 6 для подачи охлаждающего воздуха, штуцеры 7 и 8 для подключения датчиков температуры и давления соответственно, штуцер 13 для подключения к магистрали пробоотборника.Технический результат - повышение стабильности параметров процесса пиролиза углеводородов и расширение возможностей его регулирования с целью получения технического углерода с заданными гранулометрическим составом и параметрами структуры частиц при условии высокого ресурса и стойкости реактора к смене режимов работы.1 ил.The utility model refers to the technological equipment used to obtain technical carbon (soot) by pyrolysis of gaseous hydrocarbons and is aimed at increasing the resource and efficiency of using the most loaded units of this equipment - high-temperature hydrocarbon pyrolysis reactors. The small-sized reactor is intended for use in the development of new technological processes, providing the production of technical carbon of promising grades from hydrocarbon gas (HCG), made by mechanical processing of a billet in the form of a pipe from a heat-resistant alloy, divided into 5 zones: I - mixing chamber, II - combustion chamber, III - pyrolysis chamber of HCG, IV - product quenching chamber pyrolysis, V - product cooling chamber. The reactor includes: housing 11, protective shell 15, outer housing of the combustion chamber 12, nozzle for gas supply 4 to protect and cool the combustion chamber wall, nozzle grate 14, packing in the form of a soft metal wire 9, tangentially located fittings 1 and 2 for connecting to the high-pressure gas mains and oxygen-nitrogen mixture, respectively, electrode 10 for igniting the combustible mixture in the combustion chamber, fittings 3 with nozzles for feeding HCG for pyrolysis, fittings 5 with nozzles for quenching gas supply and 6 for supplying cooling air, fittings 7 and 8 for connecting temperature and pressure sensors, respectively, fitting 13 for connecting to the sampler line. The technical result is an increase in the stability of the parameters of the hydrocarbon pyrolysis process and expanding the possibilities of its regulation in order to obtain carbon black with a given particle size distribution and the parameters of the structure of particles under the condition of a high resource and resistance of the reactor to changing operating modes. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к технологическому оборудованию, используемому для получения технического углерода (сажи) путем осуществления пиролиза газообразных углеводородов и направлена на повышение ресурса и эффективности применения наиболее нагруженных агрегатов этого оборудования - высокотемпературных реакторов пиролиза углеводородов.The utility model refers to the technological equipment used to obtain technical carbon (soot) by pyrolysis of gaseous hydrocarbons and is aimed at increasing the resource and efficiency of using the most loaded units of this equipment - high-temperature hydrocarbon pyrolysis reactors.

Из предшествующего уровня техники известна установка, в которой технический углерод получается в результате протекания плазмохимического и термического воздействия на предварительно подогретое углеводородное сырье, в основном жидкое. При этом процесс осуществляется в проточном реакторе с графитовой футеровкой, в котором создается электрический разряд между графитовыми электродами (патент RU 2349545, С9).A plant is known from the prior art in which carbon black is obtained as a result of plasma-chemical and thermal action on a preheated hydrocarbon feedstock, mainly liquid. In this case, the process is carried out in a flow-through reactor with a graphite lining, in which an electric discharge is created between the graphite electrodes (patent RU 2349545, C9).

Однако в данном устройстве в образовании частиц сажи из углеводородного сырья участвуют продукты разрушения электродов и футеровки реактора, что отрицательно влияет на структуру и свойства образующегося технического углерода. Кроме того, в этом реакторе плохо регулируется процесс пиролиза углеводородного сырья. В связи с указанным качество получаемого технического углерода не стабильно по времени процесса, а частицы его имеют значительный разброс по размерам и параметрам структуры, что ограничивает область применения полученной продукции.However, in this device, the products of destruction of electrodes and reactor lining participate in the formation of soot particles from hydrocarbon feedstock, which negatively affects the structure and properties of the resulting carbon black. In addition, in this reactor, the process of pyrolysis of hydrocarbon feedstock is poorly controlled. In connection with the above, the quality of the obtained carbon black is not stable over the process time, and its particles have a significant scatter in size and structure parameters, which limits the scope of the obtained products.

Наиболее близкимк предложенной полезной модели является реактор для получения технического углерода, внутренняя футеровка наиболее напряженных участков которого выполнена с использованием циркониевых огнеупоров и корундохромистой массы (патент RU 149827, С09С), что позволило повысить температуру горячих газов перед подачей в их поток сырья до 1980-2150°С и увеличить выход технического углерода на 2-3%.The closest to the proposed utility model is a reactor for the production of carbon black, the inner lining of the most stressed sections of which is made using zirconium refractories and corundum-chromium mass (patent RU 149827, С09С), which made it possible to increase the temperature of hot gases before feeding them into the feed stream to 1980-2150 ° С and increase the yield of carbon black by 2-3%.

Однако данное устройство, ввиду наличия в нем нестойких к перепадам температуры керамических материалов, требует постепенного повышения температуры по мере выхода на рабочий режим и имеет ограниченный ресурс по числу рабочих циклов (пусков и остановок реактора). Этим также обусловлена ограниченность возможностей по регулированию технологического процесса для получения в течение рабочего цикла технического углерода различных марок, что необходимо для достижения максимально возможного экономического эффекта использования оборудования, используемого для малотоннажного производства дорогих марок технического углерода.However, this device, due to the presence of ceramic materials unstable to temperature changes, requires a gradual increase in temperature as it reaches the operating mode and has a limited resource in terms of the number of operating cycles (reactor starts and stops). This also explains the limited possibilities for regulating the technological process for obtaining various grades of carbon black during the working cycle, which is necessary to achieve the maximum possible economic effect of using equipment used for low-tonnage production of expensive grades of carbon black.

В целом, исходя из изложенного, ни один из известных типов реакторов для получения технического углерода не обладает возможностями для использования при отработке новых технологических процессов, обеспечивающих производство технического углерода перспективных марок.In general, based on the foregoing, none of the known types of reactors for the production of carbon black has the potential to be used in the development of new technological processes that ensure the production of carbon black of promising grades.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении стабильности параметров процесса пиролиза углеводородов и расширении возможностей его регулирования с целью получения технического углерода с заданными гранулометрическим составом и параметрами структуры частиц при условии высокого ресурса и стойкости реактора к смене режимов работы.The problem to be solved by the claimed technical solution is to increase the stability of the parameters of the hydrocarbon pyrolysis process and expand the possibilities of its regulation in order to obtain carbon black with a given particle size distribution and particle structure parameters, provided that the reactor has a high resource and resistance to changing operating modes.

Технический результат достигается за счет использования малогабаритного реактора для получения технического углерода путем управляемого пиролиза углеводородного газа, содержащего камеру смешения углеводородного газа и кислородно-азотной смеси, камеру сгорания, камеру пиролиза углеводородного газа, расположенную между сечением, проходящим через оси отверстий подачи углеводородного газа на пиролиз, и сечением, проходящим через оси отверстий первого ряда подачи инертного газа на закалку продуктов пиролиза, камеру закалки и камеру охлаждения продуктов пиролиза, расположенную между сечением, проходящим через оси отверстий подачи воздуха для дальнейшего охлаждения продуктов, и выходом из реактора, отличающегося тем, что камера смешения горючего газа и окислителя, камера сгорания, камера пиролиза углеводородного газа и камеры закалки и охлаждения продуктов пиролиза выполнены как единый корпус реактора из цельной заготовки в виде трубы из жаростойкого сплава, подключаемый на выходе к регулятору давления в реакторе в виде клапана, при этом снаружи к корпусу реактора в области камер сгорания, пиролиза и закалки продуктов пиролиза приварена защитная оболочка с компенсатором из нержавеющей стали и штуцерами для подачи газов в реактор, в полость между корпусом реактора и защитной оболочкой подается инертный газ, давление которого снижает механическую нагрузку на корпус реактора при его работе, стенка камеры сгорания выполняется перфорированной или пористой, для повышения однородности горючей смеси углеводородный газ и кислородно-азотная смесь подаются в камеру смешения через тангенциально расположенные штуцеры, а для выравнивания потока перед камерой сгорания и предотвращения воспламенения горючей смеси в камере смешения 1/3-1/2 часть ее объема со стороны входа в камеру сгорания заполнена газопроницаемой набивкой в виде мягкой металлической проволоки, причем для контроля процесса пиролиза и состояния реактора он укомплектован датчиками давления и температуры среды внутри реактора и его стенок и пробоотборным устройством. Кроме того, для расширения диапазона значений времени пребывания частиц сажи в условиях их роста и графитизации материала закалочная среда вводится в поток продуктов пиролиза через несколько групп отверстий, расположенных на разном расстоянии от каналов ввода углеводородного газа на пиролиз.The technical result is achieved through the use of a small-sized reactor for producing carbon black by controlled pyrolysis of hydrocarbon gas containing a chamber for mixing a hydrocarbon gas and an oxygen-nitrogen mixture, a combustion chamber, a pyrolysis chamber of hydrocarbon gas located between the section passing through the axes of the hydrocarbon gas supply holes for pyrolysis , and a section passing through the axes of the holes of the first row of inert gas supply for quenching the pyrolysis products, the quenching chamber and the pyrolysis products cooling chamber, located between the section passing through the axes of the air supply holes for further cooling the products, and the outlet from the reactor, characterized in that a chamber for mixing a combustible gas and an oxidizer, a combustion chamber, a pyrolysis chamber of a hydrocarbon gas and a quenching and cooling chamber for pyrolysis products are made as a single reactor vessel from a solid billet in the form of a heat-resistant alloy pipe connected at the outlet to the regulator at the pressure in the reactor in the form of a valve, while outside to the reactor vessel in the area of combustion chambers, pyrolysis and quenching of pyrolysis products, a protective shell with a stainless steel compensator and fittings for supplying gases to the reactor is welded, an inert gas, the pressure of which reduces the mechanical load on the reactor vessel during its operation, the wall of the combustion chamber is made perforated or porous, to increase the homogeneity of the combustible mixture, hydrocarbon gas and oxygen-nitrogen mixture are fed into the mixing chamber through tangentially located nozzles, and to equalize the flow in front of the combustion chamber and preventing the ignition of the combustible mixture in the mixing chamber 1 / 3-1 / 2 part of its volume from the side of the entrance to the combustion chamber is filled with a gas-permeable packing in the form of a soft metal wire, and to control the pyrolysis process and the state of the reactor, it is equipped with pressure and temperature sensors of the medium inside the reactor a and its walls and a sampling device. In addition, in order to expand the range of values of the residence time of soot particles under the conditions of their growth and material graphitization, a quenching medium is introduced into the flow of pyrolysis products through several groups of holes located at different distances from the channels for introducing hydrocarbon gas into pyrolysis.

Устройство реактора поясняется на фиг.1.The reactor design is illustrated in Fig. 1.

Реактор, изготовленный путем механической обработки заготовки в виде трубы 11 из жаростойкого сплава разделен на 5 зон:The reactor made by machining a workpiece in the form of a pipe 11 from a heat-resistant alloy is divided into 5 zones:

I - камера смешения, в которой происходит подготовка горючей смеси углеводородного газа (УВГ), подаваемого через тангенциально расположенный штуцер 1, и воздуха или смеси кислорода и азота, подаваемых через тангенциально расположенный штуцер 2;I - mixing chamber, in which a combustible mixture of hydrocarbon gas (HCG) is prepared, supplied through a tangentially located choke 1, and air or a mixture of oxygen and nitrogen supplied through a tangentially located choke 2;

II - камера сгорания, в которой происходит горение горючей смеси, воспламеняемой при запуске реактора от искры электрического разряда, возникающего между выступающим концом электрода 10 и донышком камеры сгорания (сопловой решеткой 14);II - combustion chamber, in which combustion of a combustible mixture occurs, ignited when the reactor is started from an electric discharge spark arising between the protruding end of the electrode 10 and the bottom of the combustion chamber (nozzle grid 14);

III - камера пиролиза УВГ, расположенная между сечением, проходящим через оси отверстий (сопл) 3 подачи УВГ на пиролиз, и сечением, проходящим через оси отверстий (сопл) 5 первого ряда подачи инертного газа на закалку продуктов пиролиза;III - pyrolysis chamber of HCG, located between the section passing through the axes of the holes (nozzles) 3 supplying HCG for pyrolysis, and the section passing through the axes of the holes (nozzles) 5 of the first row of inert gas supply for quenching the pyrolysis products;

IV - камера закалки, расположенная между сечением, проходящим через оси отверстий (сопл) 5 первого ряда для подачи закалочной среды (инертного газа) на закалку продуктов пиролиза, и сечением, проходящим через оси отверстий 6 подачи воздуха для дальнейшего охлаждения продуктов;IV - quenching chamber located between the section passing through the axes of the holes (nozzles) 5 of the first row for supplying the quenching medium (inert gas) for quenching the pyrolysis products, and the section passing through the axes of the air supply holes 6 for further cooling the products;

V - камера охлаждения продуктов, расположенная между сечением, проходящим через оси отверстий 6 подачи воздуха для дальнейшего охлаждения продуктов, и выходом из реактора.V - product cooling chamber located between the section passing through the axes of the air supply holes 6 for further cooling the products and the outlet from the reactor.

Для снижения механической нагрузки на корпус реактора при его работе снаружи к корпусу реактора в области камер сгорания, пиролиза и закалки продуктов пиролиза приварена защитная оболочка 15 с компенсатором из нержавеющей стали. Разгрузка корпуса реактора осуществляется благодаря тому, что в полости между корпусом реактора и защитной оболочкой создается повышенное давление в результате подачи инертного по отношению к конструкционным материалам реактора газа, например, азота.To reduce the mechanical load on the reactor vessel during its operation from the outside, a protective shell 15 with a stainless steel compensator is welded to the reactor vessel in the area of the combustion chambers, pyrolysis and quenching of pyrolysis products. The unloading of the reactor vessel is carried out due to the fact that an increased pressure is created in the cavity between the reactor vessel and the containment shell as a result of the supply of a gas inert with respect to the structural materials of the reactor, for example, nitrogen.

Для организации охлаждения стенкиреактора 11 в зоне камеры сгорания с внешней стороны к ней крепится наружный корпус 12.To organize the cooling of the wall of the reactor 11 in the area of the combustion chamber from the outside, the outer casing 12 is attached to it.

Охлаждающий газ подается в пространство между стенкой реактора и наружным корпусом 12 через отверстие 4.Cooling gas is fed into the space between the reactor wall and the outer casing 12 through hole 4.

Для контроля за процессом, протекающим в реакторе, и состоянием материала реактора используются датчики температуры продуктов и стенок реактора, а также датчики давления, подсоединяемые через штуцеры 7 и8 соответственно.To control the process taking place in the reactor and the state of the reactor material, temperature sensors of the products and the walls of the reactor are used, as well as pressure sensors connected through the fittings 7 and 8, respectively.

Малогабаритный реактор работает следующим образом.Small-sized reactor operates as follows.

Через тангенциально расположенные штуцеры 1 и 2 в камеру смешения подаются в нужном соотношении УВГ и окислитель - смесь кислорода и азота (воздух), которые благодаря тангенциальному вводу интенсивно перемешиваются, образуя однородную горючую смесь. Для выравнивания потока горючей смеси перед сопловой решеткой 14, а также для предотвращения воспламенения горючей смеси в камере смешения из-за случайных проскоков пламени через сопла сопловой решетки примерно 1/3-1/2 часть объема камеры смешения, примыкающей к сопловой решетке 14, заполнена газопроницаемой набивкой в виде мягкой металлической проволоки 9.Through tangentially located nozzles 1 and 2, hydrocarbon gases and an oxidizer, a mixture of oxygen and nitrogen (air), are fed into the mixing chamber in the required ratio, which, thanks to the tangential inlet, are intensively mixed, forming a homogeneous combustible mixture. To equalize the flow of the combustible mixture in front of the nozzle grid 14, as well as to prevent the ignition of the combustible mixture in the mixing chamber due to accidental flashes of flame through the nozzle grid nozzles, approximately 1 / 3-1 / 2 of the volume of the mixing chamber adjacent to the nozzle grid 14 is filled gas-permeable packing in the form of a soft metal wire 9.

При запуске реактора поступающая через сопла сопловой решетки 14 горючая смесь поджигается от искры, возникающей при подаче электрического тока высокого напряжения, в области, примыкающей к выступающему внутрь камеры сгорания концу электрода 10. Горение полностью завершается уже на 2/3 длины камеры сгорания, поэтому УВГ, подаваемый на пиролиз через сопла 3, попадает в поток горячих продуктов сгорания и при скорости потока УВГ, более чем на порядок превышающей скорость потока продуктов сгорания, быстро перемешивается с ними, одновременно нагреваясь до температуры, при которой начинается пиролиз его молекул.When the reactor is started, the combustible mixture entering through the nozzles of the nozzle lattice 14 is ignited by a spark arising when a high voltage electric current is applied in the region adjacent to the end of the electrode 10 protruding into the combustion chamber. Combustion is completely completed already at 2/3 of the length of the combustion chamber, therefore, UHG supplied for pyrolysis through nozzles 3 enters the flow of hot combustion products and, at a flow rate of hydrocarbon gases that is more than an order of magnitude higher than the flow rate of combustion products, quickly mixes with them, simultaneously heating to the temperature at which pyrolysis of its molecules begins.

В зоне III реактора происходят образование и рост сажевых частиц, а также трансформация структуры их материала, которые прекращаются в условиях резкого снижения температуры в результате перемешивания продуктов пиролиза (сажевого аэрозоля) с закалочной средой. В зависимости от требуемых характеристик технического углерода, подача закалочной среды может быть осуществлена через какой-либо один из поясов отверстий 5.In zone III of the reactor, the formation and growth of soot particles take place, as well as the transformation of the structure of their material, which stops under conditions of a sharp decrease in temperature as a result of mixing the pyrolysis products (soot aerosol) with the quenching medium. Depending on the required characteristics of carbon black, the supply of the quenching medium can be carried out through any one of the belts of holes 5.

Для снижения температуры продуктов, выходящих из реактора, до значений, приемлемых для работы клапана, регулирующего давление в реакторе, и оборудования, в котором должно происходить выделение твердой фазы (частиц технического углерода) из аэрозоля, после зоны закалки в поток продуктов вводится охлаждающий воздух через отверстия 6. При температуре продуктов в зоне отверстий подачи воздуха (150-250°С) никакие реакции, приводящие к окислению углерода сажевых частиц и изменению их структуры, происходить не могут.To reduce the temperature of the products leaving the reactor to values acceptable for the operation of the valve that regulates the pressure in the reactor and equipment in which the solid phase (particles of carbon black) is to be separated from the aerosol, after the quenching zone, cooling air is introduced into the product stream through openings 6. At the temperature of the products in the area of the air supply openings (150-250 ° C), no reactions leading to the oxidation of carbon of soot particles and a change in their structure can occur.

Для контроля результатов процесса пиролиза в реакторе через штуцер 13 периодически отбираются пробы продуктов, которые направляются на исследование.To control the results of the pyrolysis process in the reactor through the choke 13, product samples are periodically taken, which are sent for research.

Claims

1. A small-sized reactor for producing carbon black by controlled pyrolysis of hydrocarbon gas, containing a chamber for mixing a hydrocarbon gas and an oxygen-nitrogen mixture, a combustion chamber, a pyrolysis chamber of a hydrocarbon gas located between the section passing through the axes of the hydrocarbon gas supply holes for pyrolysis, and the section, passing through the axes of the holes of the first row of inert gas supply for quenching the pyrolysis products, the quenching chamber and the pyrolysis products cooling chamber located between the section passing through the axes of the air supply holes for further cooling the products, and the outlet from the reactor, characterized in that the combustible gas mixing chamber and oxidizer, the combustion chamber, the pyrolysis chamber of the hydrocarbon gas and the chambers for quenching and cooling the pyrolysis products are made as a single reactor vessel from a solid billet in the form of a heat-resistant alloy pipe, connected at the outlet to a pressure regulator in the reactor in the form of a valve, while outside to In the area of the combustion chambers, pyrolysis and quenching of pyrolysis products, a protective shell with a stainless steel compensator and fittings for supplying gases to the reactor is welded to the reactor vessel, an inert gas is fed into the cavity between the reactor vessel and the protective shell, the pressure of which reduces the mechanical load on the reactor vessel when work, the wall of the combustion chamber is made perforated or porous, to increase the homogeneity of the combustible mixture, hydrocarbon gas and oxygen-nitrogen mixture are fed into the mixing chamber through tangentially located fittings, and to equalize the flow in front of the combustion chamber and prevent ignition of the combustible mixture in the mixing chamber 1 / 3- 1/2 of its volume from the side of the entrance to the combustion chamber is filled with a gas-permeable packing in the form of a soft metal wire; moreover, to control the pyrolysis process and the state of the reactor, it is equipped with pressure and temperature sensors of the medium inside the reactor and its walls and a sampling device.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that in order to expand the range of values of the residence time of the soot particles in the conditions of their growth and graphitization of the material, the quenching medium is introduced into the flow of pyrolysis products through several groups of holes located at different distances from the channels for introducing hydrocarbon gas to pyrolysis ...