Способ и установка для получения сорбента на основе терморасширенного графита

 

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при очистке сточных вод и грунта от нефтепродуктов. Установка содержит бункер (1) с дозатором (2) и патрубком (3) для подачи окисленного графита газом-носителем в нагревательную камеру (4) с нагревательными элементами (5), сопло (6) для газа-разбавителя, накопитель терморасширенного графита (7), камеру разрежения (8) и патрубок (9) для удаления отходящих газов. В нижней части нагревательной камеры (4) расположен патрубок (10) для подачи рабочего газа, оснащенный турбулизатором. В камере разрежения (8) расположена сплошная перегородка (11) и газопроницаемая пористая перегородка (12). В устье (13) нагревательной камеры (4) расположено сопло (6) для подачи охлаждающего газа-разбавителя. Между соплом (6) и нагревательной камерой (4) установлен рекуператор (14). Нижняя часть камеры разрежения (8) выполнена в виде воронки (15) из пористого газопроницаемого материала. На линии подачи рабочего газа (16) размещено устройство (17) для подогрева газа. В днище нагревательной камеры (4) предусмотрен люк (18) для удаления шлама, золы и непрореагировавших частиц. Температура рабочего газа 830-1030^oС, температура нагревательной камеры 940-1000^oС, насыпная плотность терморасширенного графита 4,4-8,45 кг/м³. Объемное соотношение двухфазного потока частиц порошка окисленного графита с газом-носителем и рабочего газа поддерживают в пределах 1:7-1:150. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к производству термически расширенного графита (ТРГ), используемого в качестве сорбента при очистке воды и грунта, загрязненных нефтепродуктами.

Известен способ получения ТРГ, включающий смешение окисленного графита с газом-носителем, подачу смеси в камеру нагрева и последующий отвод ТРГ в приемник-накопитель. Известна установка для осуществления этого способа, содержащая питатель, патрубок для подачи окисленного графита с газом-носителем в нагревательную камеру, камеру разрежения и накопитель сорбента (SU 1480304, 1994 г.).

Недостатками известных решений является невысокая производительность способа и невозможность ее регулирования, а также сложность установки.

Известны способ и установка для получения ТРГ (RU 2134657, 1998). Способ предусматривает формирование двухфазного потока частиц порошка окисленного графита и газа-носителя, подачу потока в зону нагрева, а затем в зону разрежения с последующим отводом полученного расширенного графита. Установка содержит питатель, трубопровод подачи окисленного графита с газом-носителем, трубчатый нагреватель и трубопровод-охладитель на выходе готового продукта.

Скорость подачи двухфазного потока в нагреватель выбирают такую, которая обеспечивает кольцевой режим течения. При этом частички окисленного графита расширяются только в пристенной области трубчатого нагревателя, где создается необходимая температура. Таким образом, производительность установки ограничивается площадью поверхности трубчатого нагревателя. Для создания кольцевого режима течения необходимо подавать большое количество газа-носителя, что ведет к снижению эффективности устройства за счет выноса тепла из зоны расширения.

Способ и устройство, наиболее близкие к заявленным, описаны в патенте RU N 2102315 на "Установку для получения пенографита", 1996 г.

Известный способ включает формирование двухфазного потока частиц порошка окисленного графита и газа-носителя, подачу этого потока в зону нагрева, а затем в зону разрежения при одновременном охлаждении его потоком газа-разбавителя, подаваемого в направлении движения двухфазного потока, и последующий вынос полученного расширенного графита в накопитель с отводом сопутствующих газов.

Известная установка содержит питатель, патрубок для подачи окисленного графита с газом-носителем в нагревательную камеру, сопло для газа-разбавителя на выходе из нагревательной камеры, камеру разрежения, накопитель сорбента, пористую перегородку и патрубок для удаления сопутствующих газов.

Недостатками известного технического решения являются сложное аппаратурное оформление, высокие энергозатраты, низкая производительность и неоднородность получаемого ТРГ.

Для достижения производительности, близкой к предлагаемому решению, известная установка должна содержать 5-7 параллельных горизонтально расположенных в одном кожухе нагревательных камер. При такой компоновке нагревательных камер с одним дозатором окисленного графита практически невозможно добиться равномерного распределения окисленного графита в нагревательных камерах, что в конечном счете приводит к снижению качества ТРГ. Установка индивидуальных дозаторов для каждой нагревательной камеры ведет к чрезмерному усложнению всей конструкции и по сути равносильна созданию 5-7 независимых установок.

Эффективность данного устройства также невысока. Большая часть энергии идет на нагрев газа-носителя. Кроме того, к недостаткам можно отнести размещение пористой перегородки непосредственно в накопителе, так как в первые же минуты работы установки пористая перегородка забьется хлопьями ТРГ по всей высоте, что может привести к закупориванию накопителя, а в конечном счете и камеры разрежения расширенным графитом. Это может создать аварийный режим.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить производительность способа, качество получаемого сорбента на основе ТРГ и надежность установки, упростить ее конструкцию, а также снизить энергозатраты.

Это достигается тем, что в способе получения углеродного сорбента на основе терморасширенного графита, включающем формирование двухфазного потока частиц порошка окисленного графита и газа-носителя, подачу этого потока в зону нагрева, а затем в зону разрежения при одновременном охлаждении его потоком газа-разбавителя, подаваемого в направлении движения двухфазного потока, и последующий вынос полученного расширенного графита в накопитель с отводом сопутствующих газов, двухфазный поток при входе в зону нагрева смешивают с восходящим потоком нагретого рабочего газа, а объемное соотношение двухфазного потока и рабочего газа поддерживают в пределах от 1:7- 1: 150.

В качестве накопителя сорбента можно использовать боны, или картриджи для фильтров, или устройства для подачи сорбента непосредственно в зону разливов нефтепродуктов.

Установка для получения углеродного сорбента на основе вспученного графита содержит питатель, патрубок для подачи окисленного графита с газом-носителем в нагревательную камеру, линию подачи рабочего газа, сопло для газа-разбавителя на выходе из нагревательной камеры, камеру разрежения, накопитель сорбента, пористую перегородку, патрубок для удаления сопутствующих газов и рекуператор тепла. При этом патрубок подачи рабочего газа, оснащенный турбулизатором потока, установлен на входе в нагревательную камеру, а рекуператор тепла установлен на линии подачи рабочего газа снаружи нагревательной камеры. Линия подачи рабочего газа может быть снабжена калорифером с дифференциальным регулятором мощности В камере разрежения установлена вертикальная сплошная перегородка, делящая камеру на две смежные полости, сообщающиеся между собой в нижней части. Пористая перегородка расположена в верхней части камеры разрежения перед патрубком для удаления сопутствующих газов. Днище камеры разрежения выполнено в виде воронки из пористого газопроницаемого материала. В нижней части камеры нагрева предусмотрен люк для удаления золы и непрореагировавших частиц окисленного графита. Накопитель сорбента установлен под камерой разрежения.

В известном решении окисленный графит с газом-носителем поступает через трубопровод в соединенную с ним последовательно нагревательную камеру и продувается через нее. Предложенное техническое решение предполагает наличие двух параллельных потоков газа: двухфазного, вносящего частицы окисленного графита из дозирующего устройства в центр нагревательной камеры и управляемого по расходу и температуре потока нагретого (800-1400^oC) рабочего газа. Последний подается в нижнюю часть нагревательной камеры через турбулизатор, создающий область с циклонным завихрением и с зоной пониженного давления в центре этой области.

В зону пониженного давления принудительно вносятся частицы окисленного графита. Расширившиеся частицы окисленного графита благодаря многократно возросшей парусности и наличию циклонного восходящего потока удаляются из камеры вспучивания в ствол нагревательной камеры, где происходит дальнейшее расширение частиц и выгорание сернистых соединений с их поверхности. В результате уноса уже расширившихся частиц предотвращается экранизация вновь поступающих частиц окисленного графита от потока горячего рабочего газа.

В нагревательной камере заявленной установки, в отличие от известных устройств, концентрация серосодержащих соединений гораздо меньше из-за определенного соотношения двухфазного потока и потока горячего газа. Благодаря этому повышается качество расширенного графита.

Диапазон 1-150 выбран с учетом разброса качества исходного сырья (окисленного графита) для соблюдения необходимой однородности готовой продукции. При соотношениях больше 1-150 увеличивается доля рабочего газа. Это приводит к повышению температуры отходящих газов и готовой продукции на выходе из нагревательной камеры и к необходимости увеличения подачи холодного газа в камеру разрежения. Кроме того, снижение доли двухфазного потока приводит к снижению производительности и повышению вероятности закупоривания патрубка впрыскивания двухфазного потока, расположенного в горячей зоне.

При увеличении доли несущего двухфазного потока, вносящего окисленный графит в центр камеры нагрева при неизменном расходе рабочего газа, холодный газ-носитель снижает температуру в камере вспучивания, что приводит к необходимости повышать температуру и расход рабочего газа для сохранения качества готовой продукции. Поэтому интервал 1:7 для двухфазного потока следует считать граничным при оптимальной производительности и насыпной плотности сорбента ТРГ, равной 3-6 кг/м³.

Размещение в предложенной установке вертикальной сплошной перегородки, делящей камеру разрежения на две сообщающиеся между собой в нижней части смежные полости, а также расположение пористой перегородки в верхней части камеры перед патрубком для удаления сопутствующих газов позволяет повысить надежность установки и производительность.

Поток сорбента выносится вместе с сопутствующими газами, отдавшими часть энергии рекуператору в камеру разрежения с помощью газа-разбавителя, подаваемого из сопла, расположенного в устье нагревательной камеры в направлении камеры разрежения. Это позволяет при больших производительностях исключить закупоривание канала выхода сорбента. В первой по ходу потока полости камеры разрежения ТРГ дополнительно расширяется за счет многократного перепада давления в потоке. При этом концентрация серосодержащих газов еще больше снижается, и в первой полости камеры разрежения создаются условия, обеспечивающие минимальную адсорбцию серы на сорбенте и остывание сопутствующих газов. Частично остывший газ с ТРГ проходит до нижней кромки сплошной перегородки, и часть ТРГ, потеряв кинетическую энергию, ссыпается в накопитель сорбента через направляющий канал в нижней части камеры разрежения, выполненный в виде воронки из пористого газопроницаемого материала. Оставшаяся часть сорбента попадает во вторую полость камеры разрежения, имеющую больший объем, окончательно теряет кинетическую энергию, остывает и ссыпается в накопитель.

Выполнение нижней части камеры разрежения в виде воронки из пористого, газопроницаемого материала позволяет максимально снизить скорость потока ТРГ, распределив его по всему сечению воронки. Этим обеспечивается равномерное заполнение накопителя сорбентом. В результате пористая газопроницаемая перегородка в верхней части камеры разрежения, переходящей в патрубок для отходящих газов, не забивается частицами сорбента и всегда остается чистой и, следовательно, работоспособной. Это повышает надежность установки.

Часть тепловой энергии горячего потока возвращается рекуператором в виде нагретого до 300-500^oC газа на вход устройства для последующего подогрева его до рабочей температуры, благодаря чему существенно снижаются энергозатраты.

Накопителем сорбента могут служить непосредственно боны или картриджи фильтров. Из накопителя сорбент можно подавать с помощью соответствующих транспортирующих носителей или устройств прямо на место разлива нефтепродуктов.

На чертеже представлена общая схема установки для получения углеродного сорбента на основе вспученного графита.

Установка содержит бункер 1 с дозатором 2 и патрубком 3 для подачи окисленного графита газом-носителем, нагревательную камеру 4 с нагревательными элементами 5, сопло 6 для газа-разбавителя, накопитель 7 терморасширенного графита, камеру разрежения 8 и патрубок 9 для удаления отходящих газов.

В нижней части нагревательной камеры 4 расположен патрубок 10 для подачи рабочего газа, оснащенный турбулизатором. В камере разрежения 8 расположена сплошная перегородка 11, делящая камеру разрежения 8 на две сообщающиеся между собой в нижней части полости, при этом газопроницаемая пористая перегородка 12 установлена во второй по ходу потока полости, в верхней ее части, переходящей в патрубок 9 для отходящих газов. В устье 13 нагревательной камеры 4 расположено сопло 6 для подачи охлаждающего газа-разбавителя, ориентированное в направлении потока сорбента, а между соплом 6 и нагревательной камерой 4 установлен рекуператор 14.

В нижней части камера разрежения 8 выполнена в виде воронки 15 из пористого газопроницаемого материала. На линии 16 подачи рабочего газа размещено устройство 17 для подогрева газа. В частном случае, в качестве такого устройства может быть использован электрокалорифер, снабженный дифференциальным регулятором мощности. Для удаления шлама, золы и непрореагировавших частиц окисленного графита в днище камеры нагрева предусмотрен люк 18.

Вместо накопителя 7 могут быть использованы боны, маты, съемные картриджи фильтров и т.п., а также устройства для подачи сорбента в зону разлива нефтепродуктов.

Установка для осуществления заявленного способа работает следующим образом. Сухой окисленный графит загружают в бункер 1. На дозатор 2 от источника сжатого газа подают газ-носитель. Двухфазный поток по патрубку 3 поступает в нагревательную камеру 4. Туда же через патрубок 10, снабженный турбулизатором, создающим турбулентную область с циклонным завихрением, подается нагретый (до температуры 800-1200^oC) рабочий газ из калорифера 17. Двухфазный поток газа-носителя с окисленным графитом впрыскивается в поток горячего рабочего газа в нагревательной камере, причем соотношение двухфазного потока и рабочего газа составляет 1:(7-150). Окисленный графит, распыленный в потоке рабочего газа, нагретого до 800-1200^oC, мгновенно вспучивается с выделением серосодержащих сопутствующих газов. При этом уже расширившиеся частицы окисленного графита благодаря многократно возросшей парусности и наличию циклонного восходящего потока своевременно удаляются из нагревательной камеры 4 в ее верхнюю часть (ствол камеры), тем самым предотвращается экранизация теплопередачи от рабочего газа вновь поступающим частицам окисленного графита. В стволе нагревательной камеры сохраняется температура, достаточная для дальнейшего расширения частиц и выгорания сернистых соединений с поверхности ТРГ. ТРГ, поднимаясь с сопутствующими газами по стволу, отдает часть запасенной тепловой энергии рекуператору 14 и выносится в полость камеры разрежения 8. Одновременно этот поток охлаждается газом-разбавителем, подаваемым из сопла 6 в направлении движения потока в устье 13 нагревательной камеры. Дисперсный поток сорбента с сопутствующими газами, остывая, опускается до нижней кромки сплошной перегородки 11. Часть сорбента ссыпается в накопитель, а другая часть попадает во вторую полость камеры разрежения, гораздо большую по объему, чем первая. Здесь частицы сорбента окончательно теряют кинетическую энергию и ссыпаются через горловину направляющего канала в накопитель, а сопутствующие газы, разбавленные газом-разбавителем и восходящим потоком воздуха, поступающего через поры газопроницаемой воронки 15, устремляются к патрубку 9 с газопроницаемой перегородкой и далее попадают в установку для очистки сопутствующих газов (на чертеже не показана). Таким образом удается вполне надежно разделить потоки сопутствующего газа и сорбента. В таблице 1 приведены примеры работы установки в различных режимах.

Таким образом, основным источником расширения окисленного графита служит температура рабочего газа. Температура камеры расширения ствола реактора используется для дорасширения уже вспученного графита и выжигания сернистых соединений. При неизменной температуре рабочего газа, но увеличении его расхода улучшается качество готовой продукции (снижается насыпная плотность сорбента). Так, при увеличении расхода рабочего газа на 25% (примеры 1 и 6, 3 и 7) снижение насыпной плотности составляет 15-20%. При неизменном расходе рабочего газа, но увеличении его температуры улучшается качество готовой продукции. Так, при изменении температуры на 11% (примеры 1 и 10, 3 и 11) насыпная плотность изменяется на 27%.

Температура стенок камеры расширения и ствола реактора играют роль в дорасширении сорбента и в выжигании сернистых соединений, а температура и расход рабочего газа - в расширении окисленного графита в нагревательной камере.

По сравнению с известными данная установка имеет преимущества в наличии двух параллельных потоков: одного двухфазного с газом-носителем окисленного графита и другого - горячего рабочего газа, что, позволяет снять ограничения по производительности (поскольку производительность увязывается только с температурой и расходом рабочего газа, а температура нагревательной камеры и ствола нагревательной камеры играют роль в дорасширении вспученного графита и в основном в выжигании сернистых соединений, в то время как в аналогах и прототипе производительность ограничена поверхностью стенок камеры вспучивания и наличием уже расширившихся частиц, которые экранируют частицы окисленного графита от теплового воздействия.

Предлагаемые изобретения позволяют регулировать производительность и качество готовой продукции, меняя температуру и/или расход горячего газа, а также соотношение в двухфазном потоке твердой фазы и газа-носителя.

Формула изобретения

1. Способ получения углеродного сорбента на основе терморасширенного графита, включающий формирование двухфазного потока частиц порошка окисленного графита и газа-носителя, подачу этого потока в зону нагрева, а затем в зону разрежения при одновременном охлаждении его потоком газа-разбавителя, подаваемого в направлении движения двухфазного потока, и последующий вынос полученного расширенного графита в накопитель с отводом сопутствующих газов, отличающийся тем, что двухфазный поток при входе в зону нагрева смешивают с восходящим потоком нагретого рабочего газа, а объемное соотношение двухфазного потока и рабочего газа поддерживают в пределах 1:7-1:150.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве накопителя сорбента используют боны, или картриджи для фильтров, или устройства для подачи сорбента непосредственно в зону разливов нефтепродуктов.

3. Установка для получения углеродного сорбента на основе терморасширенного графита, содержащая питатель, патрубок для подачи окисленного графита с газом-носителем в нагревательную камеру, сопло для газа-разбавителя на выходе из нагревательной камеры, камеру разрежения, накопитель сорбента, пористую перегородку и патрубок для удаления сопутствующих газов, отличающаяся тем, что она снабжена линией подачи рабочего газа и рекуператором тепла, причем патрубок подачи рабочего газа, оснащенный турбулизатором потока, установлен на входе в нагревательную камеру, а рекуператор тепла установлен на линии подачи рабочего газа снаружи нагревательной камеры.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что линия подачи рабочего газа снабжена калорифером с дифференциальным регулятором мощности.

5. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что она снабжена вертикальной сплошной перегородкой, установленной в камере разрежения с образованием двух смежных полостей, сообщающихся между собой в нижней части, при этом пористая перегородка расположена в верхней части камеры разрежения перед патрубком для удаления сопутствующих газов, а днище камеры разрежения выполнено в виде воронки из пористого газопроницаемого материала.

6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в нижней части камеры нагрева предусмотрен люк для удаления золы и непрореагировавших частиц окисленного графита.

7. Установка по любому из пп.3-6, отличающаяся тем, что накопитель сорбента установлен под камерой разрежения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2