UA117157U

UA117157U - REACTOR FOR HIGH-TEMPERATURE PROCESSES IN THE PLEASURED BALL

Info

Publication number: UA117157U
Application number: UAA201506499U
Authority: UA
Inventors: Костянтин Віталійович Сімейко; Борис Іванович Бондаренко; Олексій Пантелеймонович Кожан; Валерій Максимович Дмітрієв
Original assignee: Інститут Газу Національної Академії Наук України
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-06-26

Abstract

Реактор для високотемпературних процесів у псевдозрідженому шарі включає зовнішній циліндричний корпус з теплоізоляцією, в якому встановлено реакційну камеру з псевдозрідженим шаром, у верхній частині якої співвісно встановлений рухомий електрод, а у нижній - повітряна камера з газопровідними трубками та газорозподільними ковпачками. Він оснащений нагрівальною камерою з нагрівним елементом, розміщеним всередині внутрішньої теплоізоляції корпусу, а газопровідні трубки з газорозподільними ковпачками з'єднані з джерелом живлення.The reactor for high-temperature processes in the fluidized bed includes an outer cylindrical housing with thermal insulation, in which a fluidized bed reaction chamber is installed, at the top of which a movable electrode is coaxially mounted, and a gas tube with gas pipelines is installed at the bottom. It is equipped with a heating chamber with a heating element located inside the internal thermal insulation of the housing, and gas pipes with gas-distributing caps are connected to the power source.

Description

Корисна модель належить до апаратів з псевдозрідженим шаром для хімічних і фізичних процесів загального призначення в присутності газу і твердих частинок, а також високотемпературних процесів твердих та газоподібних речовин. Реактор може бути використаний в процесах високотемпературної обробки твердих речовин в атмосфері інертного та реакційного газу (зокрема матеріалів, які мають діелектричні властивості, без застосування додаткового електропровідного матеріалу), нанесення шару піровуглецевого покриття на частинки кварцового піску, виробництва водню та карбіду кремнію, обробки радіоактивних матеріалів, створення мікротвелів для атомної енергетики.The utility model belongs to fluidized bed apparatus for general purpose chemical and physical processes in the presence of gas and solid particles, as well as high-temperature processes of solid and gaseous substances. The reactor can be used in the processes of high-temperature treatment of solid substances in an atmosphere of inert and reactive gas (in particular, materials that have dielectric properties, without the use of additional conductive material), application of a layer of pyrocarbon coating on particles of quartz sand, production of hydrogen and silicon carbide, treatment of radioactive materials , creation of microcells for nuclear energy.

Відомий реактор з електротермічним псевдозрідженим шаром для виробництва карбіду кремнію (патент США Мо 4543240 А, МПК СО1В 31/36, 1985 р.), що включає реакційну камеру з псевдозрідженим шаром, всередині якої встановлений верхній електрод (анод) та газорозподільча решітка, до якої знизу приєднана газова камера. До газової камери приєднана труба для подачі газу. Нижні електроди (катоди) приєднані до газорозподільчої решітки.A well-known reactor with an electrothermal fluidized bed for the production of silicon carbide (US patent Mo 4543240 A, IPC СО1В 31/36, 1985), which includes a reaction chamber with a fluidized bed, inside which is installed the upper electrode (anode) and a gas distribution grid to which a gas chamber is attached from below. A gas supply pipe is connected to the gas chamber. The lower electrodes (cathodes) are connected to the gas distribution grid.

Відомий також реактор з електротермічним киплячим шаром (патент СССР Мо 1003878, МПКA reactor with an electrothermal fluidized bed is also known (USSR patent Mo 1003878, IPC

ВО1у 8/18, 1983 г.), який включає: циліндричний корпус з кришкою та теплоізоляцією, в якому встановлено реакційну камеру з псевдозрідженим шаром, днищем та патрубком для подачі легколетючого компонента. В реакційній камері встановлена газорозподільна решітка, циліндричний внутрішній електрод, зовнішній електрод та патрубок для подачі важколетючого компонента. Реакційна камера заповнена електропровідним матеріалом для створення псевдозрідженого шару.VO1u 8/18, 1983), which includes: a cylindrical case with a lid and thermal insulation, in which a reaction chamber with a fluidized bed, a bottom and a nozzle for supplying a volatile component is installed. The reaction chamber is equipped with a gas distribution grid, a cylindrical internal electrode, an external electrode and a nozzle for supplying a volatile component. The reaction chamber is filled with electrically conductive material to create a fluidized bed.

Оскільки електроди встановлені нерухомо, вищезгадані аналоги не дозволяють додатково регулювати силу струму в реакторі, тим самим зникає можливість додатково регулювати температуру. Також у відомих реакторах неможливо проводити процеси термічної обробки діелектричних матеріалів без використання додаткового електропровідного матеріалу.Since the electrodes are installed stationary, the above-mentioned analogs do not allow additional regulation of the current in the reactor, thereby eliminating the possibility of additional temperature regulation. Also, in known reactors, it is impossible to carry out processes of heat treatment of dielectric materials without using additional conductive material.

Найбільш близьким до пропозиції є реактор з електротермічним псевдозрідженим шаром для нанесення піровуглецю на кварцовий пісок шляхом піролізу газоподібних вуглеводнів (Пат.The closest to the proposal is a reactor with an electrothermal fluidized bed for applying pyrocarbon to quartz sand by pyrolysis of gaseous hydrocarbons (Pat.

України Мо 83147, МПК СТО 9/32 (2006.01), 2013 р.). Відомий реактор включає циліндричний корпус з кришкою з отворами та двома шарами теплоізоляції - зовнішня теплоізоляція - у вигляді вогнетривкої цегли і внутрішня теплоізоляція - з вогнетривкого технічного вуглецю. УMo 83147 of Ukraine, IPC STO 9/32 (2006.01), 2013). The known reactor includes a cylindrical body with a cover with holes and two layers of thermal insulation - external thermal insulation - in the form of refractory bricks and internal thermal insulation - made of refractory technical carbon. IN

Зо верхній частині циліндричного корпусу розміщена реакційна камера з псевдозрідженим шаром.A reaction chamber with a fluidized bed is placed from the upper part of the cylindrical body.

Через отвір в кришці корпусу в реакційну камеру встановлено центральний електрод (анод), який оснащено механізмом його переміщення по висоті. Всередині нижньої частини внутрішньої теплоізоляції встановлений графітовий кожух, всередині якого розташована повітряна камера.A central electrode (anode) is installed in the reaction chamber through a hole in the cover of the case, which is equipped with a mechanism for moving it in height. Inside the lower part of the internal thermal insulation, a graphite casing is installed, inside which there is an air chamber.

Нижня частина циліндричного корпусу закрита нижньою водоохолоджувальною кришкою з отворами. Через отвори нижньої водоохолоджувальної кришки у повітряній камері встановлені газопровідні трубки, до верхньої частини яких приєднані газорозподільні ковпачки, які розташовані в псевдозрідженому шарі реакційної камери.The lower part of the cylindrical body is closed by the lower water-cooling cover with holes. Through the holes of the lower water-cooling cover, gas pipes are installed in the air chamber, to the upper part of which gas distribution caps are attached, which are located in the fluidized bed of the reaction chamber.

У відомого реактора є необхідність використання додаткового електропровідного матеріалу, зокрема графіту, для нагрівання діелектричного матеріалу, наприклад при процесі осадження піровуглецю на частинки кварцового піску піролізом газоподібних вуглеводнів, що обумовлює наявність домішок з графіту в матеріалі, відносно високу тривалість циклу та питомі матеріальні витрати на процес. Крім цього наявність відносно складного в виготовленні графітового кожуха, з'єднаного з нижніми електродами (катодами), обумовлює високий електричний опір цієї системи в цілому, що призводить до відносно високих питомих енергозатрат на процес.In a well-known reactor, there is a need to use additional conductive material, in particular graphite, to heat the dielectric material, for example, during the process of deposition of pyrocarbon on quartz sand particles by pyrolysis of gaseous hydrocarbons, which causes the presence of graphite impurities in the material, a relatively high cycle duration and specific material costs for the process . In addition, the presence of a graphite casing, which is relatively difficult to manufacture, connected to the lower electrodes (cathodes), determines the high electrical resistance of this system as a whole, which leads to relatively high specific energy consumption for the process.

В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення реактора для високотемпературних процесів у псевдозрідженому шарі, в якому в результаті введення в циліндричний корпус нагрівальної камери з нагрівальним елементом і з'єднання газопровідних трубок Кк джерелом електроживлення забезпечується можливість проводити високотемпературні процеси, зокрема осадження піровуглецю на діелектричні матеріали піролізом вуглеводневих газів, без використання додаткового електропровідного матеріалу, і за рахунок цього зменшується кількість домішок в матеріалі, що обробляється, від додаткового електропровідного матеріалу, зменшується тривалість циклу та знижуються питомі матеріальні витрати на процес.The useful model is based on the task of improving a reactor for high-temperature processes in a fluidized bed, in which, as a result of the introduction of a heating chamber with a heating element into the cylindrical body and the connection of gas-conducting tubes Kk with a power source, it is possible to carry out high-temperature processes, in particular, the deposition of pyrocarbon on dielectric materials by pyrolysis hydrocarbon gases, without the use of additional electrically conductive material, and due to this, the amount of impurities in the processed material from the additional electrically conductive material is reduced, cycle time is reduced, and specific material costs for the process are reduced.

Поставлена задача вирішується тим, що реактор для високотемпературних процесів у псевдозрідженому шарі, який включає зовнішній циліндричний корпус з теплоізоляцією, в якому встановлено реакційну камеру з псевдозрідженим шаром, у верхній частині якої співвісно встановлений рухомий електрод, а у нижній - повітряна камера з газопровідними трубками та газорозподільними ковпачками, згідно з корисною моделлю, оснащений нагрівальною камерою з нагрівним елементом, розміщеним всередині внутрішньої теплоізоляції корпусу, а газопровідні бо трубки з газорозподільними ковпачками з'єднані з джерелом живлення.The task is solved by the fact that a reactor for high-temperature processes in a fluidized bed, which includes an external cylindrical body with thermal insulation, in which a reaction chamber with a fluidized bed is installed, in the upper part of which a movable electrode is coaxially installed, and in the lower part - an air chamber with gas pipes and with gas distribution caps, according to the useful model, is equipped with a heating chamber with a heating element placed inside the internal thermal insulation of the case, and gas-conducting tubes with gas distribution caps are connected to the power source.

Сукупність відмінних ознак забезпечує можливість проведення високотемпературних процесів, зокрема осадження піровуглецю на діелектричні матеріали піролізом вуглеводневих газів, без використання додаткового електропровідного матеріалу, оскільки нагрівання реакційного середовища провадиться через стінку реакційної камери. Так, наприклад, при проведенні піролізу вуглеводневих газів спочатку можна осаджувати піровуглець на частинки діелектричного матеріалу за рахунок зовнішнього нагрівача, а при осадженні значної кількості піровуглецю можна проводити нагрівання в самому корпусі за рахунок пропускання струму, тим самим збільшуючи температуру в реакторі. Це дозволяє уникнути забруднення матеріалу, що оброблюється, домішками з додаткового електропровідного матеріалу, зменшити тривалість циклу, знизити питомі матеріальні витрати і питомі енерговитрати на процес.The set of distinctive features provides the possibility of conducting high-temperature processes, in particular, the deposition of pyrocarbon on dielectric materials by pyrolysis of hydrocarbon gases, without the use of additional conductive material, since the heating of the reaction medium is carried out through the wall of the reaction chamber. So, for example, during the pyrolysis of hydrocarbon gases, pyrocarbon can first be deposited on particles of dielectric material due to an external heater, and when a significant amount of pyrocarbon is deposited, heating can be carried out in the housing itself due to the passage of current, thereby increasing the temperature in the reactor. This allows you to avoid contamination of the processed material with impurities from additional electrically conductive material, reduce the duration of the cycle, reduce specific material costs and specific energy costs for the process.

На кресленні зображено вертикальний розріз реактора.The drawing shows a vertical section of the reactor.

Реактор включає зовнішній циліндричний корпус 1, всередині якого розміщені два шари теплоізоляції: зовнішня теплоізоляція 2 у вигляді термостійкої вати і внутрішня теплоізоляція 3, яка виготовлена з технічного вуглецю. Верхня частина циліндричного корпусу 1 закрита водоохолоджувальною кришкою 4 з отворами. У верхній частині внутрішньої теплоізоляції З розташована нагрівальна камера 5, в якій встановлено нагрівний елемент 6. Всередині нагрівальної камери 5 встановлено співвісно реакційну камеру 7 з псевдозрідженим шаром та патрубок для виходу газу 8, до якого приєднаний очисник 9, зверху очисника 9 встановлено кран 10 для відбору проб газу на аналіз і патрубок 11 для виходу газу у зовнішнє середовище.The reactor includes an external cylindrical body 1, inside which there are two layers of thermal insulation: external thermal insulation 2 in the form of heat-resistant wool and internal thermal insulation 3, which is made of technical carbon. The upper part of the cylindrical body 1 is closed with a water-cooling cover 4 with holes. In the upper part of the internal thermal insulation C, there is a heating chamber 5, in which a heating element 6 is installed. Inside the heating chamber 5, a coaxial reaction chamber 7 with a fluidized bed and a gas outlet nozzle 8, to which a purifier 9 is connected, a tap 10 is installed on top of the purifier 9 sampling of gas for analysis and nozzle 11 for the release of gas into the external environment.

Всередині реакційної камери 7 встановлений рухомий електрод (анод) 12 та графітова корона 13 для підводу струму, які з'єднані з джерелом живлення. До нижньої частини реакційної камери 7 приєднано повітряну камеру 14 з отворами. Нижня частина циліндричного корпусу 1 закрита водоохолоджувальною кришкою 15. В повітряній камері 14 встановлені газопровідні трубки 16 з газорозподільними ковпачками 17 (катоди), останні розміщені в псевдозрідженому шарі реакційної камери 7. До нижньої частини газопровідних трубок 16, які проходять через повітряну камеру 14 та отвори в нижній водоохолоджувальній кришці 15, приєднані клеми 18 для відводу струму від катодів і з'єднані з джерелом живлення. До нижньої частини циліндричного корпусу 1 приєднано штуцер 19 для подачі інертного газу в нагрівальну камеру 5. Через отвори у верхній та нижній водоохолоджувальній кришках встановлені клеми 20 і 21 для подачі струму наA movable electrode (anode) 12 and a graphite crown 13 for supplying current are installed inside the reaction chamber 7, which are connected to a power source. An air chamber 14 with holes is attached to the lower part of the reaction chamber 7. The lower part of the cylindrical body 1 is closed with a water-cooling cover 15. In the air chamber 14, gas-conducting tubes 16 with gas distribution caps 17 (cathodes) are installed, the latter are placed in the fluidized bed of the reaction chamber 7. To the lower part of the gas-conducting tubes 16, which pass through the air chamber 14 and holes in the lower water-cooling cover 15, terminals 18 are connected for draining the current from the cathodes and connected to the power source. A fitting 19 is attached to the lower part of the cylindrical body 1 for supplying inert gas to the heating chamber 5. Terminals 20 and 21 are installed through the holes in the upper and lower water cooling covers for supplying current to

Зо нагрівальний елемент 6. Через отвір у верхній вододоохолоджувальній кришці 4 встановлена труба для завантаження матеріалу 22. До верхньої частини труби для завантаження матеріалу 22 приєднано бункер 23. Через отвір у нижній водоохолоджувальній кришці 15 встановлена труба для вивантаження матеріалу 24, до якої приєднано холодильник 25. Всередині верхнього електрода 12 співвісно встановлена термопара 26. На верхній водоохолоджувальній кришці 4 встановлений механізм черв'ячного типу 27 для регулювання висоти рухомих електродів.From the heating element 6. Through the hole in the upper water-cooling cover 4, a material loading pipe 22 is installed. A hopper 23 is attached to the upper part of the material loading pipe 22. A material unloading pipe 24 is installed through a hole in the lower water-cooling cover 15, to which a refrigerator 25 is attached A thermocouple 26 is coaxially installed inside the upper electrode 12. A worm-type mechanism 27 is installed on the upper water-cooling cover 4 for adjusting the height of the movable electrodes.

Запропонований реактор при термічній обробці діелектричних матеріалів працює таким чином: через штуцер 19 у нагрівальну камеру 5 подають інертний газ для захисту від окиснення нагрівального елемента 6. Через газопровідні трубки 16 та газорозподільні ковпачки 17 для створення псевдозрідженого шару подають інертний або реакційний газ (в залежності від процесу), після цього реакційний газ подають через патрубок 8 в очисник 9 та у патрубок для виходу газу в зовнішнє середовище 11, після цього його спалюють або просто виводять в атмосферу. Через бункер 23 та трубу 22 завантажують матеріал, що оброблюється. Через клему 21 подають струм на нагрівальний елемент б, де за рахунок електроопору його нагрівають, при цьому нагрівають і реакційну камеру 7, а струм відводять через клему 20.The proposed reactor for the heat treatment of dielectric materials works as follows: through the fitting 19, an inert gas is supplied to the heating chamber 5 to protect the heating element 6 from oxidation. An inert or reactive gas is supplied through the gas-conducting tubes 16 and gas distribution caps 17 to create a fluidized bed (depending on process), after that the reaction gas is fed through the nozzle 8 to the cleaner 9 and to the nozzle for the gas exit to the external environment 11, after which it is burned or simply released into the atmosphere. The processed material is loaded through the hopper 23 and the pipe 22. Through terminal 21, current is supplied to the heating element b, where it is heated due to electrical resistance, while the reaction chamber 7 is also heated, and the current is removed through terminal 20.

Матеріал вивантажують через трубу 24 та холодильник 25. Температуру вимірюють за допомогою термопари 26. Пробу на аналіз реакційного або інертного газу беруть через кран 10.The material is discharged through the pipe 24 and the refrigerator 25. The temperature is measured using a thermocouple 26. A sample for the analysis of the reactive or inert gas is taken through the faucet 10.

Водою охолоджують: верхню 4 та нижню 15 кришки, холодильник 25, у разі необхідності очисник 9. Якщо в процесі нагрівання діелектричні матеріали змінюють свої властивості на електропровідні, то через рухомий електрод 12 шар матеріалу у реакційній камері 7, газорозподільні ковпачки 17, газопровідні трубки 16, клеми 18 подають струм. Висоту електрода 12 регулюють механізмом 27.The following are cooled with water: upper 4 and lower 15 covers, refrigerator 25, if necessary, cleaner 9. If in the process of heating dielectric materials change their properties to electrically conductive ones, then through the movable electrode 12 a layer of material in the reaction chamber 7, gas distribution caps 17, gas pipes 16 , terminals 18 supply current. The height of the electrode 12 is regulated by the mechanism 27.

У випадку термічної обробки електропровідного матеріалу запропонований реактор працює наступним чином: через штуцер 19 у нагрівальну камеру 5 подають інертний газ. Через газопровідні трубки 16 та газорозподільні ковпачки 17 для створення псевдозрідженого шару подають інертний або реакційний газ (в залежності від процесу), після цього реакційний газ подають через патрубок 8 в очисник 9 та у патрубок для виходу газу в зовнішнє середовище 11, після чого його спалюють або просто виводять в атмосферу. Через бункер 23 та трубу 22 завантажують матеріал, що оброблюється. Через рухомий електрод 12, шар матеріалу у реакційній камері 7, газорозподільні ковпачки 16, газопровідні трубки 17 подають струм. бо Матеріал вивантажують через трубу 24 та холодильник 25. Температуру вимірюють за допомогою термопари 26. Пробу на аналіз реакційного або інертного газу беруть через кран 10.In the case of heat treatment of electrically conductive material, the proposed reactor works as follows: through the fitting 19, inert gas is fed into the heating chamber 5. Inert or reaction gas (depending on the process) is supplied through the gas pipes 16 and gas distribution caps 17 to create a fluidized bed, after which the reaction gas is supplied through the nozzle 8 to the purifier 9 and to the nozzle for the gas outlet to the external environment 11, after which it is burned or simply released into the atmosphere. The processed material is loaded through the hopper 23 and the pipe 22. Through the movable electrode 12, a layer of material in the reaction chamber 7, gas distribution caps 16, gas pipes 17 supply current. The material is discharged through the pipe 24 and the refrigerator 25. The temperature is measured using a thermocouple 26. A sample for the analysis of the reactive or inert gas is taken through the tap 10.

Водою охолоджують: верхню 4 та нижню 15 кришки, холодильник 25, у разі необхідності очисник 9. Висоту електрода 12 регулюють механізмом 27.Water cools: upper 4 and lower 15 covers, refrigerator 25, if necessary, cleaner 9. The height of the electrode 12 is regulated by mechanism 27.

Таким чином, запропонований реактор для високотемпературних процесів у псевдозрідженому шарі завдяки введенню в циліндричний корпус нагрівальної камери з нагрівальним елементом і з'єднання газопровідних трубок з негативним полюсом електроживлення дозволяє проводити високотемпературні процеси, без використання додаткового електропровідного матеріалу, за рахунок цього зменшується кількість домішок в матеріалі, що обробляється від додаткового електропровідного матеріалу, а також дозволяє зменшити тривалість циклу та знизити питомі матеріальні витрати та енергозатрати на процес.Thus, the proposed reactor for high-temperature processes in a fluidized bed, due to the introduction of a heating chamber with a heating element into the cylindrical body and the connection of gas-conducting tubes with the negative pole of the power supply, allows high-temperature processes to be carried out without the use of additional conductive material, due to which the amount of impurities in the material is reduced , which is processed from additional electrically conductive material, and also allows to reduce the duration of the cycle and reduce specific material costs and energy costs for the process.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA A reactor for high-temperature processes in a fluidized bed, which includes an external cylindrical body with thermal insulation, in which a reaction chamber with a fluidized bed is installed, in the upper part of which a movable electrode is coaxially installed, and in the lower part - an air chamber with gas-conducting tubes and gas distribution caps, which differs in that it is equipped with a heating chamber with a heating element placed inside the internal thermal insulation of the case, and gas pipes with gas distribution caps are connected to the power source.

Lya chko ema KZ S de - a doyu o Shed 4 we she mk Z ХК, и хх not s show nd, ! о) о б я и у май щ Э рема То ддежн ей ТЭ he "Where and nni "В | Co: and ZhOoK r V VI We NN: N zr no.

Ii NOTI nn nn in NE i nn SHI Pk y ol iz shchi inn nu i Z Ne i eh De o, Prudnh M YAZHEKH shu i You sh I Jh she Z uv 5 MKU BE: nya A V What Oh BONN ON nd - On MAV de ZAD DI KVT o KN ek 3 SCHI VEK i ak 73 EK rennya hek and Aries ide - pnya; and about Ki sha for "U ne NE ni is i ZKU