UA86131U

UA86131U - Reactor for high-temperature processes

Info

Publication number: UA86131U
Application number: UAU201309320U
Authority: UA
Inventors: Валерий Алексеевич Богомолов; Борис Иванович Бондаренко; Алексей Пантелеймонович Кожан; Константин Витальевич Симейко
Original assignee: Институт Газа Национальной Академии Наук Украины
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2013-12-10

Abstract

A reactor for high-temperature processes comprises a thermally insulated housing, inside which a reactive heating chamber of a fluidized bed is coaxially located, which houses anodes, and a gas distribution grating. The reaction chamber is separated from the heating chamber by graphite walls and is mounted coaxially inside the heating chamber, to which from below a protective chamber is attached which is formed by a graphite casing and a graphite disk with holes, in which cathodes are mounted, and the anodes are mounted with possibility of movement in the vertical plane, wherein the gas distribution grating is made in the form of gas distribution caps disposed below the heating chamber and connected to gas pipes located in the protective chamber.

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, піролізу газоподібних вуглеводнів, виробництві водню.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 processing of solids in an atmosphere of inert and reactive gas, pyrolysis of gaseous hydrocarbons, hydrogen production.

Відомий високотемпературний реактор для відновлення сірчастого газу природним газом (Патент РФ, Мо 2206389 МПК ВО1У 12/00, СО1В 17/04, 2003 р.) який містить корпус, футерований всередині вогнестійким матеріалом, з отворами для підводу та виходу технологічного газу і з'єднану з корпусом циліндричну камеру, з фурмами для підводу відновлювального природного газу, розміщеними в стінках камери. Всередині циліндричної камери встановлена реакційна камера, яка виконана у вигляді послідовних вертикальних циліндричних реакційних секцій. Вісь реакційної камери розташовано вертикально. Отвір для підводу технологічного газу розташований у нижній частини першої по руху газу реакційної секції і має решітчасту перегородку для турбулізації потоку і стабілізації горіння. Використання реакційної камери призводить до підвищених витрат теплоти процесу в навколишнє середовище, тому що вона виконана у вигляді послідовних вертикальних циліндричних реакційних секцій.A well-known high-temperature reactor for the recovery of sulfur gas with natural gas (Russian Patent No. 2206389 IPC VO1U 12/00, СО1В 17/04, 2003) which contains a body lined inside with a fire-resistant material, with openings for the supply and exit of process gas and a cylindrical chamber connected to the body, with nozzles for the supply of renewable natural gas placed in the walls of the chamber. A reaction chamber is installed inside the cylindrical chamber, which is made in the form of consecutive vertical cylindrical reaction sections. The axis of the reaction chamber is vertical. The opening for the supply of process gas is located in the lower part of the first gas movement of the reaction section and has a lattice partition to turbulate the flow and stabilize combustion. The use of the reaction chamber leads to increased process heat losses to the environment, because it is made in the form of consecutive vertical cylindrical reaction sections.

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 р.), який включає: корпус з теплоізоляцією, всередині якого встановлено реакційну камеру з псевдозрідженим шаром, днище з патрубком для подачі легколетючого компонента, газорозподільчу решітку з ковпачками, циліндричний внутрішній електрод, зовнішній електрод, патрубок для подачі важколетючого компонента. Реакційна камера заповнена електропровідним матеріалом для створення псевдозрідженого шару та зверху закрита кришкою. Електроди встановлені нерухомо, що усуває можливість додатково регулювати силу струму в реакторі.VO1u 8/18, 1983), which includes: a case with thermal insulation, inside which a reaction chamber with a fluidized bed is installed, a bottom with a nozzle for supplying a volatile component, a gas distribution grid with caps, a cylindrical internal electrode, an external electrode, a nozzle for supplying a non-volatile component component. The reaction chamber is filled with conductive material to create a fluidized bed and is covered with a lid. The electrodes are installed stationary, which eliminates the possibility of additional regulation of the current in the reactor.

Найбільш близьким до корисної моделі є реактор з електротермічним киплячим шаром (Бородуля В.А. Вьісокотемпературнье процессьї в злектротермическом кипящем слое. - Минск:The closest to a useful model is a reactor with an electrothermal fluidized bed (Borodulya V.A. High temperature process in an electrothermal fluidized bed. - Minsk:

Наука и техника, 1973. - 15-16 с.) Реактор включає зовнішній корпус з теплоізоляцією, всередині якого встановлено графітову колону (реакційно-нагрівальна камера) з псевдозрідженим шаром,Nauka i tekhnika, 1973. - 15-16 p.) The reactor includes an outer casing with thermal insulation, inside which a graphite column (reaction-heating chamber) with a fluidized bed is installed,

Зо яка зверху закрита графітовим екраном з отворами. В реакційно-нагрівальній камері через отвір у графітовому екрані по осі реактора встановлений верхній електрод (анод) з графітовими козирками. В боковій частині реакційно-нагрівальної камери перпендикулярно до верхнього електрода встановлений нижній електрод (катод). Через отвір у нижній частині зовнішнього корпусу встановлено газопровідну трубку, до верхньої частини якої приєднано газорозподільну решітку, яка розміщена в реакційно-нагрівальній камері у псевдозрідженому шарі. Реактор працює наступним чином: через газопровідну трубку та газорозподільну решітку у реакційну- нагрівальну камеру для утворення псевдозрідженого шару подають газ (інертний або реакційний). Через центральний електрод, шар електропровідних частинок (твердий сировинний матеріал), стінки реакційно-нагрівальної камери та нижній електрод подають струм.From above, it is covered with a graphite screen with holes. An upper electrode (anode) with graphite visors is installed in the reaction-heating chamber through a hole in the graphite screen along the axis of the reactor. A lower electrode (cathode) is installed in the side part of the reaction-heating chamber perpendicular to the upper electrode. Through the hole in the lower part of the outer case, a gas pipe is installed, to the upper part of which a gas distribution grid is attached, which is placed in the reaction-heating chamber in a fluidized bed. The reactor works as follows: gas (inert or reactive) is fed through the gas pipe and gas distribution grid into the reaction-heating chamber to form a fluidized bed. Through the central electrode, a layer of electrically conductive particles (solid raw material), the walls of the reaction-heating chamber and the lower electrode, current is supplied.

За рахунок проходження струму через псевдозріджений шар у реакційно-нагрівальній камері виникає підвищення температури, після чого газ через отвори у графітовому екрані виходить у зовнішнє середовище. Оскільки під час проходження струму через твердий сировинний матеріал виникають мікроплазмові розряди, які на дуже короткий час підіймають температуру частинок, і впливають на проходження реакції, вони не дозволяють чітко задати температуру процесу, причому температуру самої частинки, яка є твердим сировинним матеріалом, під час проходження струму неможливо визначити.Due to the passage of current through the fluidized bed in the reaction-heating chamber, the temperature rises, after which the gas escapes through the holes in the graphite screen into the external environment. Since during the passage of the current through the solid raw material, microplasma discharges occur, which raise the temperature of the particles for a very short time, and affect the passage of the reaction, they do not allow to clearly set the temperature of the process, and the temperature of the particle itself, which is a solid raw material, during the passage current cannot be determined.

В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення реактора для високотемпературних процесів, у якому в результаті того, що реакційна камера встановлена всередині нагрівальної камери з псевдозрідженим шаром і відділена від неї графітовою стінкою, а до неї приєднано захисну камеру, забезпечується регулювання температури процесів в реакційній камері, і за рахунок цього, виникає можливість ефективно проводити процеси піролізу газоподібних вуглеводнів, процеси високотемпературної обробки твердих речовин в атмосфері інертного та реакційного газу і виробництва водню.The useful model is based on the task of improving a reactor for high-temperature processes, in which, as a result of the fact that the reaction chamber is installed inside a heating chamber with a fluidized bed and is separated from it by a graphite wall, and a protective chamber is attached to it, temperature regulation of the processes in the reaction chamber is ensured. and due to this, it becomes possible to effectively carry out processes of pyrolysis of gaseous hydrocarbons, processes of high-temperature processing of solid substances in an atmosphere of inert and reactive gas, and production of hydrogen.

Поставлена задача вирішена завдяки тому, що в реакторі для високотемпературних процесів, який містить теплоїзольований корпус, всередині якого співвісно розташовано реакційно-нагрівальну камеру з псевдозрідженим шаром, в якій встановлено аноди, а також газорозподільчу решітку, згідно з пропозицією, реакційна камера відділена від нагрівальної камери графітовими стінками і встановлена співвісно всередині нагрівальної камери, до якої знизу приєднано захисну камеру, утворену графітовим кожухом та графітовим диском з 60 отворами, в яких встановлено катоди, а анод встановлено з можливістю переміщення в вертикальній площині, причому газорозподільна решітка виконана у вигляді газорозподільчих ковпачків, розташованих внизу нагрівальної камери і з'єднаних з газопровідними трубками, розміщеними в захисній камері.The task is solved due to the fact that in the reactor for high-temperature processes, which contains a heat-insulated case, inside which a reaction-heating chamber with a fluidized bed is coaxially located, in which anodes and a gas distribution grid are installed, according to the proposal, the reaction chamber is separated from the heating chamber graphite walls and is installed coaxially inside the heating chamber, to which a protective chamber is attached from below, formed by a graphite casing and a graphite disk with 60 holes, in which cathodes are installed, and the anode is installed with the possibility of movement in the vertical plane, and the gas distribution grid is made in the form of gas distribution caps, located at the bottom of the heating chamber and connected to the gas pipes located in the protective chamber.

Сукупність відмінних ознак дозволяє контролювати температуру процесів в реакційній камері, проводити високотемпературні реакції твердих речовин в атмосфері інертного та реакційного газу з можливістю контролю температури, тому що забезпечується усунення впливу мікроплазмових розрядів на частинки псевдозрідженого шару, які є твердим сировинним матеріалом. Оскільки для створення нагріваючого псевдозрідженого шару використовують інертний газ, дана корисна модель дозволяє скоротити витрати реакційного газу та уникнути забруднення газорозподільчих ковпачків продуктами реакції. Регулювання висоти рухомих верхніх електродів (анодів) дає можливість регулювати силу струму в реакторі, тим самим змінювати швидкість нагрівання.A set of distinctive features allows you to control the temperature of the processes in the reaction chamber, to carry out high-temperature reactions of solid substances in an atmosphere of inert and reactive gas with the possibility of temperature control, because it ensures the elimination of the influence of microplasma discharges on the particles of the fluidized bed, which are solid raw material. Since an inert gas is used to create a heating fluidized bed, this useful model allows you to reduce the consumption of reaction gas and avoid contamination of the gas distribution caps with reaction products. Adjusting the height of the movable upper electrodes (anodes) makes it possible to adjust the current in the reactor, thereby changing the heating rate.

На кресленні зображено вертикальний розріз реактора. 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 встановлено нагрівальну камеру 5 з псевдозрідженим шаром, співвісно в якій встановлено циліндричну реакційну камеру 6. Верхня частина нагрівальної камери 5 закрита графітовим екраном 7 з отворами. У верхній частині нагрівальної камери 5, через отвори у верхній водоохолоджувальній кришці 4 та отвори у графітовому екрані 7 встановлені верхні рухомі електроди (аноди) 8. До верхніх рухомих електродів (анода) 8 приєднана графітова корона 9, яка розташована у нагрівальній камері 5.The drawing shows a vertical section of the reactor. 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, a heating chamber 5 with a fluidized bed is installed, coaxially in which a cylindrical reaction chamber 6 is installed. The upper part of the heating chamber 5 is closed by a graphite screen 7 with holes. In the upper part of the heating chamber 5, through the holes in the upper water cooling cover 4 and the holes in the graphite screen 7, the upper movable electrodes (anodes) 8 are installed. The graphite crown 9, which is located in the heating chamber 5, is attached to the upper movable electrodes (anode) 8.

До нижньої частини нагрівальної камери 5 приєднано графітовий кожух 10, до якого приєднано графітовий диск 11 з отворами. В отворах графітового диску 11 розміщені співвісно з циліндричним корпусом 1 та навпроти один одного нижні електроди (катоди) 12. Всередині графітового кожуху 10 розташована захисна камера 13. Нижня частина циліндричного корпусу 1 закрита водоохолоджувальною кришкою 14. Через отвори нижньої водоохолоджувальної кришки 14 у захисній камері 13 встановлені газопровідні трубки 15 з газорозподільними ковпачками 16, які розташовані в реакційній камері 4 у псевдозрідженому шарі. До нижньоїA graphite casing 10 is attached to the lower part of the heating chamber 5, to which a graphite disc 11 with holes is attached. Lower electrodes (cathodes) 12 are located in the holes of the graphite disk 11 coaxially with the cylindrical housing 1 and opposite each other. Inside the graphite casing 10 there is a protective chamber 13. The lower part of the cylindrical housing 1 is covered with a water-cooling cover 14. Through the holes of the lower water-cooling cover 14 in the protective chamber 13 gas pipes 15 with gas distribution caps 16 are installed, which are located in the reaction chamber 4 in a fluidized bed. To the lower one

Зо частини реакційної камери 5 приєднано центральну газопровідну трубку 17 з штуцером 18 для подачі газу в реакційну камеру б. До нижньої частини циліндричного корпусу 1 приєднано штуцер 19 для подачі газу в захисну камеру 13. У боковій частині нагрівальної камери встановлено патрубок 20 для виходу газу з нагрівальної камери 5 та термопару 21. До верхньої частини реакційної камери 6 приєднано штуцер 22 для виходу газу з реакційної камери та трубку для завантаження матеріалу 23. До нижньої частини центральної газопровідної трубки 17 приєднано кран для вивантаження матеріалу 24. На верхній водоохолоджувальній кришці 6 встановлений стандартний механізм черв'ячного типу для регулювання висоти верхніх рухомих електродів 25.From the part of the reaction chamber 5, a central gas pipe 17 with a fitting 18 for supplying gas to the reaction chamber b is attached. A fitting 19 is attached to the lower part of the cylindrical body 1 for supplying gas to the protective chamber 13. In the side part of the heating chamber, there is a nozzle 20 for gas exit from the heating chamber 5 and a thermocouple 21. A fitting 22 is attached to the upper part of the reaction chamber 6 for the exit of gas from the reaction chamber. chambers and a material loading tube 23. A material unloading valve 24 is attached to the lower part of the central gas pipe 17. A standard worm-type mechanism for adjusting the height of the upper movable electrodes 25 is installed on the upper water cooling cover 6.

Запропонований реактор працює таким чином: при відкритій верхній водоохолоджувальній кришці 4 ії знятими графітовим екраном 7, верхніми електродами 8 з графітовою короною 9, в нагрівальну камеру 5 завантажують шар електропровідних частинок для утворення псевдозрідженого шару. Після цього ставлять на місце графітову корону 9, верхні електроди 8, графітовий екран 7 і закривають верхньою водоохолоджувальною кришкою 4. Через газопровідні трубки 15 та газорозподільні ковпачки 16 у нагрівальну камеру 5 подають інертний газ. Через верхні електроди 8, шар електропровідних частинок у нагрівній камері 5, графітовий кожух 10, графітовий диск 11 та нижні електроди 10 подають струм. За рахунок проходження струму через псевдозріджений шар у нагрівальній камері 5 виникає підвищення температури в реакційній камері 6, після чого інертний газ через патрубок 20 виходить у зовнішнє середовище.The proposed reactor works as follows: with the upper water-cooling cover 4 open and the graphite screen 7 removed, the upper electrodes 8 with the graphite crown 9, a layer of electrically conductive particles is loaded into the heating chamber 5 to form a fluidized bed. After that, the graphite crown 9, upper electrodes 8, graphite screen 7 are put in place and closed with the upper water-cooling cover 4. Inert gas is fed into the heating chamber 5 through gas pipes 15 and gas distribution caps 16. Through the upper electrodes 8, the layer of electrically conductive particles in the heating chamber 5, the graphite jacket 10, the graphite disk 11 and the lower electrodes 10 supply current. Due to the passage of current through the fluidized bed in the heating chamber 5, the temperature rises in the reaction chamber 6, after which the inert gas exits through the nozzle 20 to the outside environment.

Для захисту графітового кожуху 10, нижньої частини нагрівальної камери 5 та газопровідних трубок 15 і 17 від окиснення, під дією високої температури, у захисну камеру 13 через штуцер 19 подають інертний газ. Через штуцер 18, центральну газопровідну трубку 17 в реакційну камеру 6 подають інертний газ. Одночасно через трубку 23 в реакційну камеру 6 завантажують твердий сировинний матеріал. Під час проходження інертного газу через частинки твердого сировинного матеріалу в реакційній камері 5 утворюють фонтануючо-псевдозріджений шар, після чого інертний газ через штуцер 22 виходить у зовнішнє середовище. Якщо необхідно провести процес піролізу газу, після виходу на потрібний, для даного процесу, температурний режим інертний газ у реакційній камері 5 замінюють на газ для піролізу. Після досягнення необхідний температурних умов процесу та необхідної витримки часу, матеріал із реакційної камери б вивантажують через центральну газопровідну трубку 17 та кран 24. Висоту бо центрального електрода регулюють механізмом 25. Температуру вимірюють за допомогою термопари 21. При необхідності більш точного вимірювання температури вставити додаткову термопару в реакційну камеру 6. Водою охолоджують: верхню 4 та нижню 14 кришки. Для зменшення втрат теплоти нагрівальної 5 та реакційної б камери від нижньої водоохолоджувальної кришки 14 використовують як теплоізоляцію захисну камеру 13.In order to protect the graphite casing 10, the lower part of the heating chamber 5 and the gas pipes 15 and 17 from oxidation under the influence of high temperature, inert gas is supplied to the protective chamber 13 through the fitting 19. Inert gas is supplied to the reaction chamber 6 through the fitting 18, the central gas pipe 17. At the same time, solid raw material is loaded into the reaction chamber 6 through the tube 23. During the passage of the inert gas through the particles of the solid raw material in the reaction chamber 5, a gushing-pseudo-liquid layer is formed, after which the inert gas exits through the fitting 22 into the external environment. If it is necessary to carry out the process of pyrolysis of gas, after reaching the required temperature regime for this process, the inert gas in the reaction chamber 5 is replaced with gas for pyrolysis. After reaching the necessary temperature conditions of the process and the required time, the material from the reaction chamber b is discharged through the central gas pipe 17 and the valve 24. The height of the central electrode is regulated by the mechanism 25. The temperature is measured using thermocouple 21. If more accurate temperature measurement is required, insert an additional thermocouple into the reaction chamber 6. The upper 4 and lower 14 covers are cooled with water. To reduce the heat loss of the heating 5 and reaction chamber b from the lower water cooling cover 14, a protective chamber 13 is used as thermal insulation.

Таким чином, запропонований реактор для високотемпературних процесів дає можливість усунути вплив мікроплазмових розрядів на проходження реакцій і за рахунок цього чітко контролювати температуру процесів в реакційній камері, проводити високотемпературні реакції твердих речовин в атмосфері інертного та реакційного газу, регулювати силу струму в реакторі.Thus, the proposed reactor for high-temperature processes makes it possible to eliminate the influence of microplasma discharges on the passage of reactions and, due to this, clearly control the temperature of the processes in the reaction chamber, conduct high-temperature reactions of solid substances in an atmosphere of inert and reactive gas, and regulate the current in the reactor.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA Reactor for high-temperature processes, which contains a heat-insulated case, inside which is coaxially located a reaction-heating chamber with a fluidized bed, in which anodes are installed, as well as a gas distribution grid, which is distinguished by the fact that the reaction chamber is separated from the heating chamber by graphite walls and installed coaxially inside the heating chamber, to which a protective chamber is attached from below, formed by a graphite casing and a graphite disk with holes in which cathodes are installed, and anodes are installed with the possibility of movement in a vertical plane, and the gas distribution grid is made in the form of gas distribution caps located at the bottom of the heating chamber and connected to gas pipes located in a protective chamber. oo yad Y di -- 22 - I nn ECO 7? - DID v as A yav I vne z u. | ! and ra With I and Me! and I pen roya day things SCIENTIFIC in Y ! yi sheayazhyuo kyu it Shin shchi x she Gaya RI Shan: t sh | s PU r nd . With NO and. -| 7-20 Z j HUK sn i yav ti gii I I I I ! Mk nt 3 MYTH and N svi rey sl ZI Sh saw; De o sa ha i TA veka DN. vymo - wina NI NK S sendu laws MY Ps vents s KI CHEK psa zh rya z m Se koe z NN y zr ZENY IZ - ODA SN tshi -- y y tyn ni tya shk Shan

10. ish - La -17 1 so h sla t I5 DBK day i o D Dt T 12 etno nin t t oo DE ke oi piknnnnnnnnnnmmvnnnyh po AN o lok t roga shchi oo M ti E TO I13 Zo I I THIS sh ml i and on IR --V she | Ш ИЗ ЭХ шт - шчи ча ла