Электродинамическая сверхвысокочастотная установка для разложения карбоната кальция

 

Изобретение относится к химическим и нефтехимическим отраслям промышленности, где используется процесс термической диссоциации твердого сырья. Изобретение решает техническую задачу снижения энергопотребления, повышения конверсии, качества продуктов, уменьшения загрязнения окружающей среды. Сущность изобретения заключается в том, что сверхвысокочастотный реактор, снабженный сферическими центробежными лопастными питателями, позволяет осуществлять процесс разложения карбоната кальция оптимально и в непрерывном режиме. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к химической и другим отраслям промышленности, где используется процесс термической диссоциации твердого сырья.

Известно устройство - известково-обжигательная печь шахтного типа, используемая для получения диоксида углерода и оксида кальция (извести) путем обжига карбонатного сырья (известняка или мела) [Ткач Г.А., Шапорев В.И., Титов В. М. Производство соды по малоотходной технологии: Монография. - Харьков ХГПУ, 1998. - 74 с.].

Разложение карбоната кальция, содержащегося в известняке или меле, протекает по эндотермической реакции CaCO₃ ⇄ CaO+CO₂-178 кДж Необходимая для обжига тепловая энергия выделяется в процессе сгорания топлива (кокс или антрацит), добавляемого в определенной пропорции к загружаемому сырью.

Известняк или мел, кокс или антрацит подают поочередно на верхнюю площадку в загрузочную воронку печи.

Шахтная известковая печь имеет три последовательные тепловые зоны. В верхней части печи - зоне подогрева, происходит подсушка сырья и топлива, нагревание шихты до температуры разложения карбоната кальция (около 850^oC) за счет тепла горячих газов, движущихся навстречу из зоны обжига. На границе этих зон температура газов достигает 900-1000^oC. При дальнейшем перемещении шихты к основанию печи начинается горение топлива и разложение карбоната кальция. В конце зоны обжига температура твердой фазы и газов достигает максимальной температуры 1100- 1200^oC и разложение CaCO₃ завершается.

В нижней части зоны обжига горение топлива еще продолжается, а выделяющееся тепло расходуется на нагревание воздуха, поступающего из зоны охлаждения (тепла выходящей из зоны обжига извести недостаточно для подогрева воздуха до температуры начала горения топлива).

Вращающейся плитой, установленной в нижней части печи, известь подается на неподвижный кольцевой стол, с которого она ссыпается на круговой транспортер, имеющий самостоятельный привод.

Недостатками известного устройства являются: 1) Механизм загрузки сырья и кокса не обеспечивает создания сплошного горящего слоя (отдельные куски топлива разделены инертной к горению массой обжигаемого материала, так как в шихте содержится от 6,5 до 10% топлива), в результате этого неоднородность горения приводит к недогреву и перегреву известняка, что снижает эффективность процесса и степень использования сырья.

2) Контакт в печи продуктов реакции диссоциации CaCO₃ с побочными соединениями, образующимися в результате горения кокса (NO_x, CO, SO_x), приводит к загрязнению целевого продукта.

3) Протекание побочных реакций взаимодействия образующегося CaO с оксидами кремния, алюминия, железа, входящими в состав огнеупорного кирпича, применяемого для футеровки печи, снижает качество целевого продукта.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению (прототипом) является устройство - сверхвысокочастотный каталитический реактор для эндотермических гетерофазных реакций [Пат. 2116826 Россия, C1 6 B 01 J 8/06. Сверхвысокочастотный реактор для эндотермических гетерофазных реакций/ И. X. Бикбулатов, P.P. Даминев, Н.С. Шулаев, С.Н. Шулаев (Россия) - N 97101213; Заявлено 27.01.97; Опубл. 10.08.98. Приоритет 27.01.97, (Россия)]. В реакторе используется энергия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона для проведения эндотермических гетерофазных каталитических реакций. Реактор представляет собой вертикальный, цилиндрический, теплоизолированный сосуд, частично заполненный катализатором. Корпус реактора является резонатором для сверхвысокочастотного генератора - источника электромагнитной энергии.

Недостатками известного устройства являются: 1) Патрубки ввода сырья позволяют подавать в реактор только газообразные вещества. Осуществление твердофазных реакций возможно лишь в периодическом режиме, проводя загрузку в реактор твердого сырья и выгрузку продуктов реакции через люк загрузки и выгрузки катализатора. Непрерывный режим работы обеспечивается только на газообразном сырье (реагенте).

2) Реактор не рассчитан на работу при температуре протекания реакции разложения карбоната кальция (900-1000^oC), т.к. рабочая температура материала реактора (сталь Х18Н10Т) не превышает 700^oC.

Изобретение решает техническую задачу снижения энергопотребления, повышения конверсии, качества продуктов, уменьшения загрязнения окружающей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном устройстве, включающем генератор электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, устройство для загрузки сырья, реакционную камеру, представляющую собой вертикальный цилиндрический реактор, в котором сырье движется сверху вниз, и устройство выгрузки из нижней части печи, согласно изобретению загрузка сырья - известняка - осуществляется посредством нескольких сферических центробежных лопастных питателей (фиг. 1), расположенных в верхней части реактора с введенными на определенное расстояние внутрь реактора лопастями, вращающимися с необходимой частотой, обеспечивающими заданную производительность и равномерное распределение частиц CaCO₃ в горизонтальной плоскости реакционной зоны реактора, создающими ровную поверхность, а также равномерное распределение плотности электромагнитного поля в реакторе. В предлагаемой установке тепло для осуществления реакции диссоциации CaCO₃ образуется в результате перехода энергии СВЧ-излучения во внутреннюю энергию массы карбоната кальция. При соответствующей мощности излучения CaCO₃ разогревается до температуры разложения. Нагрев происходит вследствие явления поляризации молекул известняка. Проникновение электромагнитного поля в CaCO₃ вызывает объемный нагрев его массы, инициируя реакцию одновременно во всем объеме гранул.

Схема СВЧ-установки разложения CaCO₃ приведена на фиг. 2. Известняк фракционированный загружается в бункеры 2, откуда подается в реактор 4. Электромагнитное излучение, создаваемое генератором 1, направляется в реактор 4, где протекает реакция диссоциации, образуется CaO и CO₂. Из верхней части реактора, через штуцеры 8, производится отвод образующегося газа CO₂, отдающего часть своего тепла известняку, поступающему в реактор сверху из загрузочных бункеров, что позволяет эффективнее использовать энергию электромагнитного излучения. Создание в реакторе постоянного разряжения повышает конверсию карбоната кальция, так как снижение давления приводит к смещению равновесия реакции в сторону протекания реакции разложения CaCO₃.

Вывод твердофазного продукта реакции - оксида кальция -производят снизу реактора через выгрузочное устройство 5 и патрубок 7. В отличие от известного реактора, в котором сырье, находясь в газовой фазе, не поглощает энергию электромагнитного излучения, в предлагаемой установке энергия для проведения реакции возникает в результате поглощения электромагнитного излучения сырьем.

Загрузка сырья в реактор осуществляется сферическими центробежными лопастными питателями 6. Частицы известняка из патрубка загрузочного бункера захватываются лопастями 1 питателя (фиг. 1) и выгружаются в реактор. Лопасти прикреплены к диску 2 и приводному валу 3 (соединение сварное). Материал 15Х25Т (термостойкая сталь) ГОСТ 5632-72. Форма и размеры питателя и его лопастей, а также частота вращения, согласованные с производительностью аппарата, параметрами электромагнитного излучения, обеспечивают равномерное распределение частиц известняка в горизонтальной плоскости (достигается ровный слой), что, в свою очередь, позволяет оптимизировать процесс (мощность излучения и высота слоя материала, коррелирующие параметры). Также ровная верхняя поверхность загруженного известняка способствует более полной отдаче продуктом реакции СО₂ отводимого сверха реактора тепла загружаемому в реактор известняку, что приводит к снижению энергозатрат. Сферические центробежные лопастные питатели выполняют также роль "рассеивателей" - устройств, обеспечивающих более равномерное распределение плотности электромагнитного поля в реакторе.

Наружная поверхность реактора теплоизолируется.

Излучающая антенна генератора СВЧ-излучения отделена от реакционного узла проницаемой воздействию СВЧ-излучения мембраной (3), герметично закрывающей генераторный блок от попадания продуктов реакции.

В излучающую часть антенны тангенциально через штуцер 9 подается охлажденный, очищенный от пыли газ CO₂ для охлаждения антенны генератора СВЧ-излучения. Отводится газ через штуцер 10.

Пример осуществления опыта.

Эксперименты по обжигу известняка с использованием электромагнитного излучения проводились в статических условиях. Известняк массой 0,038 кг загружался в теплоизолированный кварцевый стакан, устанавливаемый в резонаторе СВЧ-установки, и подвергался воздействию электромагнитного излучения частотой 2450 МГц в течение 60 мин. Анализ образца методом титрования однонормальным раствором соляной кислоты показал, что концентрация продукта CaO в образце составила 92,46%. Тепловой эффект реакции при температуре 900^oC составляет 164,31 кДж/моль. С учетом конверсии (92,46%) для протекания реакции затрачивается энергия Q_p: Q_p = 0,38•164310•0,9246=57729,98 Дж На нагрев образца массой 0,038 кг до 900^oC затрачивается энергия Q_н: Q_н = 27380,67 Дж Итого для осуществления реакции разложения известняка массой 0,038 кг требуется энергии Q_общ.: Q_общ.= Q_н+Q_p=27380,67+57729,98=85110,65 Дж
На обжиг 1 тонны известняка с конверсией 92,46% потребуется энергии электромагнитного излучения Q'_общ.:
Q'_общ.=2239753,9 кДж
С учетом коэффициента полезного действия (КПД) преобразования электрической энергии в электромагнитную СВЧ-установки 62% потребуется электроэнергии 3090860,38 кДж.

При традиционной технологии на обжиг 1 тонны известняка с конверсией 75% расходуется до 100 кг кокса с теплотой сгорания 29300 кДж/кг, таким образом, энергозатраты на обжиг 1 тонны известняка составят Q''_общ.:
Q''_общ.=2930000 кДж
Для проведения реакции с конверсией (92,46%) традиционной технологией потребуется энергия в количестве 3612104 кДж.

Из результатов расчетов видно, что энергозатраты при обжиге известняка под действием СВЧ-излучения меньше на 521243,62 кДж, т.е. на 14,43%.

В настоящее время имеются СВЧ-установки с КПД, достигающим 80%.

При их использовании энергозатраты при обжиге известняка (при конверсии 92,46%) уменьшатся на 924399,32 кДж, т.е. на 25,59%. Результаты опытов занесены в таблицу.

Электродинамическая сверхвысокочастотная установка принципиально отличается от используемой в промышленности известковых печей шахтного типа, в которых тепловая энергия для проведения процесса диссоциации CaCO₃ создается в результате горения кокса или антрацита, загружаемого в печь вместе с известняком. Использование в качестве энергоносителя электромагнитного излучения СВЧ-диапазона в предлагаемой установке освобождает ее от всех перечисленных выше недостатков:
- в установке не используется топливо;
- материал реактора (например, термостойкая сталь 15Х25Т ГОСТ 5632-72) исключает инициирование побочных реакций;
- объемный нагрев CaCO₃ под действием электромагнитного излучения обеспечивает высокую конверсию известняка (до 95%) при температуре порядка 900^oC, что на 100-200^oC ниже, чем в известковых печах.

Результаты экспериментов показали, что эффективность СВЧ- установки на 15-25% выше традиционной известковой печи.

Формула изобретения

Электродинамическая сверхвысокочастотная установка для проведения реакции диссоциации карбоната кальция, характеризующаяся тем, что она содержит вертикальный цилиндрический реактор с теплоизолированным корпусом, снабженный генератором электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, установленным в верхней части корпуса с устройством загрузки и вывода продуктов реакции, и размещенные в верхней части реактора лопастные питатели, вращающиеся с определенной частотой, с обеспечением равномерного распределения плотности электромагнитного поля в реакторе и равномерного распределения частиц карбоната кальция в горизонтальной плоскости реакционной зоны реактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3