Способ и установка для обработки отходящих газов,содержащих углеводороды - RU2298427C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области обработки отходящих газов, содержащих полициклические ароматические углеводороды.

Более конкретно, изобретение касается обработки отходящих газов, производимых промышленными установками для химического осаждения или инфильтрации паров с целью образования на подложках осадка пиролитического углерода или уплотнения пористых подложек при помощи матрицы из пиролитического углерода.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Такие установки хорошо известны. Покрываемые или уплотняемые пиролитическим углеродом подложки помещают в печь, в которую вводится реагирующий газ, содержащий одно или несколько веществ-источников углерода. В качестве газа-источника углерода используют углеводород: обычно метан, пропан или их смесь. Давление и температура в печи устанавливаются таким образом, чтобы добиться образования покрытия или матрицы из пиролитического углерода в результате разложения (крекинга) газа-источника углерода при его контакте с подложками. Отходящие газы, содержащие побочные продукты реакции, выводятся из печи методом непрерывной откачки.

Побочные продукты реакции содержат органические соединения с достаточно высокой температурой затвердевания, в частности полициклические ароматические углеводороды, например нафталин, пирен, антрацен, аценафтилен и другие. При конденсации эти побочные продукты реакции образуют смолы, осаждающиеся в выходных каналах печи при охлаждении отходящих газов. Эти смолы также осаждаются в устройствах откачки, например в масле вакуумных насосов или в конденсате пароструйных эжекторов.

Сходные проблемы могут возникать в промышленных установках, отличных от печей для осаждения или химической инфильтрации газообразной фазы, использующих углеводороды в качестве активных газов, например в печах для цементации.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа для обработки отходящих газов, содержащих смолы, в частности полициклические ароматические углеводороды, который исключал бы забивание каналов и загрязнение окружающей среды этими смолами.

Для решения поставленной задачи в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ, по которому отходящие газы подвергаются промывке методом распыления маслом ароматического типа перед их поступлением в устройство откачки.

По сравнению с другими методами промывки газов, промывка методом распыления позволяет ограничить потери напора и минимизировать осаждение смолы на стенках, возможное при использовании промывных колонн с пластинами.

В процессе промывки используемое масло должно оставаться в жидком состоянии во избежание образования паров, которые могут быть унесены отходящими газами. В частном случае отходящих газов, отводимых из печи осаждения, или химической инфильтрации газообразной фазы давление отходящих газов при их выходе из печи относительно мало. Поэтому промывочное масло должно обладать небольшим давлением паров, предпочтительно менее 100 Па при температуре 0°С.

Состав масла должен дополнительно обеспечивать хороший уровень абсорбции улавливаемых смол. Поэтому предпочтительно используют минеральное масло ароматического типа с низким содержанием полициклических ароматических углеводородов, способное к абсорбции и растворению полициклических ароматических углеводородов.

Согласно одной из особенностей изобретения, промывка отходящих газов осуществляется путем инжекции масла в поток отходящих газов, проходящих через распылительную колонну, например, содержащую трубку Вентури.

В оптимальном варианте масло непрерывно циркулирует между резервуаром рециркуляции, в который попадает масло, содержащее полициклические ароматические углеводороды, и, по меньшей мере, одним соплом, распыляющим масло в потоке отходящих газов. Масло предпочтительно охлаждается, проходя через теплообменник, расположенный на пути прохождения масла между резервуаром и распыляющим соплом или соплами.

Согласно другой особенности изобретения, откачка отходящих газов осуществляется методом пропускания промытых газов через, по меньшей мере, один пароэжекторный конденсатор. В оптимальном варианте, по меньшей мере, часть газа, выходящего из эжекторного конденсатора, используется в качестве топливного газа для устройства производства пара, поступающего в эжекторный конденсатор.

Также в оптимальном варианте конденсат, выходящий из эжекторного конденсатора, обрабатывается методом его пропускания через слой активированного угля с целью сбора содержащихся в конденсате легких углеводородов и возможных остатков полициклических ароматических углеводородов.

Изобретение также направлено на создание установки для обработки отходящих газов, обеспечивающей возможность использования способа, определенного выше.

Для решения поставленной задачи в соответствии с настоящим изобретением предлагается установка, содержащая устройство откачки газов и устройство промывки маслом, расположенное между отверстием для ввода обрабатываемых отходящих газов и устройством откачки, причем устройство промывки маслом содержит распылительную колонну, соединенную с отверстием для ввода обрабатываемых отходящих газов для обеспечения их циркуляции внутри колонны, и средства инжекции масла в распылительную колонну.

Распылительная колонна может содержать трубку Вентури.

Согласно одной из особенностей изобретения, устройство промывки содержит резервуар рециркуляции масла, содержащий входное отверстие, соединенное с распылительной колонной, отверстие для вывода масла, соединенное со средствами инжекции масла в колонну для обеспечения непрерывной циркуляции масла между резервуаром рециркуляции, средствами инжекции масла и распылительной колонной, а также отверстие для вывода промытых газов, соединенное с устройством откачки.

В оптимальном варианте устройство промывки содержит теплообменник, расположенный на пути прохождения отходящих газов после распылительной колонны, и средства снабжения теплообменника охлаждающей жидкостью.

Также в оптимальном варианте устройство промывки содержит теплообменник, расположенный между отверстием ввода масла и средствами распыления масла для охлаждения масла перед его инжекцией в колонну.

Согласно другой особенности изобретения, устройство откачки содержит, по меньшей мере, один пароэжекторный конденсатор.

В оптимальном варианте пар производится нагревателем, оборудованным средствами подачи горючего газа, соединенными с отверстием вывода газа из эжекторного конденсатора.

Эжекторный конденсатор может иметь внешнее охлаждение. В предпочтительном варианте предусмотрены средства обработки конденсата, выходящего из эжекторного конденсатора, с целью сбора содержащихся в нем углеводородов, например средства адсорбции активированным углем.

По другому варианту осуществления изобретения эжекторный конденсатор может содержать холодильник прямого действия. Обработка конденсата, выходящего из конденсатора, может в этом случае осуществляться методом пропускания его через отпарную колонну.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, не налагающего каких-либо ограничений. На чертежах:

Фиг.1 изображает промышленную установку химической инфильтрации газообразной фазы, оборудованную установкой для обработки отходящих газов по одному из вариантов осуществления изобретения;

Фиг.2 изображает часть установки для обработки отходящих газов по другому варианту осуществления изобретения.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 весьма схематично изображена установка химической инфильтрации газообразной фазы, предназначенная, в частности, для уплотнения пористых подложек при помощи матрицы из пиролитического углерода.

В печь 10, окруженную кожухом 12, помещают уплотняемые пористые подложки 14, например волокнистые заготовки деталей, изготавливаемых из композитных материалов на основе углеродной матрицы.

Печь 10 ограничена стенкой 16, образующей токоприемник, изготовленный, например, из графита, дном 18 и крышкой 20. Токоприемник 16 соединен с обмоткой 22 индуктивности, причем нагревание печи вызывается в основном излучением токоприемника, нагревающегося благодаря индуктивной связи с обмоткой индуктивности.

Реагирующий газ вводят по каналу 24, проходящему, например, через дно 18 печи. Реагирующий газ содержит одно или несколько веществ-источников углерода, в частности метан и/или пропан. Отходящие газы выводят из печи через крышку 20 по каналу 26, соединенному с устройством откачки, которое обеспечивает циркуляцию газов в печи и поддерживает внутри нее заданный уровень пониженного давления.

Такая установка хорошо известна сама по себе и не требует более подробного описания.

Матрица из пиролитического углерода образуется в пористой структуре подложки в результате разложения одного или нескольких газообразных веществ-источников углерода. При этом также образуются побочные продукты реакции, содержащиеся в отходящих газах вместе с частью реагирующего газа, не вступившей в реакцию с газообразным водородом H₂, образующимся в результате разложения газа-источника углерода.

Побочные продукты реакции содержат, в частности, следующие органические соединения:

- остатки реагирующего газа и газообразного водорода;

- ненасыщенные углеводороды, в основном этилен и ацетилен, которые не создают особых проблем, т.к. могут быть сожжены при выводе их из печи;

- бензольные углеводороды, например бензол, толуол, ксилол;

- полициклические ароматические углеводороды, например нафталин, пирен, антрацен, аценафтилен и другие.

Вещества последней категории (полициклические ароматические углеводороды) вызывают наибольшие затруднения, т.к. высокая температура их затвердевания облегчает их конденсацию и осаждение смол в выходных каналах печи по мере снижения температуры отходящих газов.

Кроме того, в соответствии с изобретением предусмотрена установка для обработки отходящих газов, содержащая устройство 30 промывки отходящих газов маслом, расположенное между выходом отходящих газов из печи 10 и устройством 60 откачки.

Устройство 30 промывки маслом содержит распылительную колонну 32, верхняя часть которой соединена с каналом 26. Колонна 32 содержит трубку 34 Вентури, образованную путем уменьшения сечения отверстия, через которое проходят газы. Нижняя часть колонны 32 соединена с отверстием 42 для ввода газов, расположенным в верхней стенке резервуара 40 рециркуляции масла вблизи его края. Также в верхней стенке резервуара 40, вблизи другого его края, расположено отверстие 44 для вывода газов, соединенное каналом 62 с устройством 60 откачки.

Отверстие вывода масла расположено в нижней части резервуара 40 и соединено с насосом 50, который извлекает масло из резервуара 40 и подает его через теплообменник 52 в сопла 36, 38, расположенные, по существу, на оси колонны 32. В резервуаре 40 могут быть расположены дополнительные сопла 46а, 46b, в которые масло поступает после теплообменника 52 параллельно с соплами 36, 38.

Для охлаждения масла, выходящего из резервуара 40, через теплообменник 52 протекает охлаждающая жидкость, например холодная вода. Охлаждающая вода также проходит через теплообменник 54, имеющий, например, форму пластин, последовательно соединенный с теплообменником 52 и расположенный внутри резервуара 40.

Теплообменник 54, также как и сопла 46а, 46b, расположен внутри резервуара между отверстием 42 ввода газа и отверстием 44 вывода газа, над уровнем масла.

В отверстии 44 вывода газа из резервуара 40 может быть установлен каплеулавливатель 48.

Устройство 30 промывки маслом действует следующим образом.

Масло, поступающее в сопла 36, 38, разбрызгивается в потоке отходящих газов, проходящем через колонну 32, причем увеличение скорости течения газов благодаря наличию трубки Вентури 34 способствует этому разбрызгиванию. Одно из сопел 36 может быть установлено в верхней части колонны 32, над трубкой Вентури, а другое сопло 38 - вблизи горловины трубки Вентури. Возможно также использование одного из сопел 36 или 38.

Разбрызганное масло абсорбирует значительную часть смол, переносимых отходящими газами, в частности полициклические ароматические углеводороды, которые переносятся в масляную ванну, расположенную в резервуаре 40.

Давление паров в использованном масле должно быть достаточно мало, чтобы не вызвать его испарения при давлении, имеющемся на выходе из печи 10, и загрязнения отходящих газов парами масла. Например, давление в печи 10 на разных стадиях процесса инфильтрации может быть меньше приблизительно 0,2 кПа. Масло должно дополнительно обладать вязкостью, достаточной для обеспечения его циркуляции и образования масляного тумана при его выходе из сопел.

Поэтому в предпочтительном варианте используется минеральное масло ароматического типа, имеющее давление паров менее 100 Па при температуре 0°С и способное абсорбировать и растворять полициклические ароматические углеводороды.

На опыте была доказана эффективность использования масла на основе ксилолов, например синтетического масла, выпускаемого французской компанией Elf Atochem под маркой "Jaritherm AX 320" и состоящего на 85% по массе из моноксиликсилола и на 15% по массе из диксиликсилола. Это масло обладает вязкостью, равной 60 сантипуазам при температуре 0°С, и давлением паров, меньшим 100 Па при температуре 0°С.

Масло на основе парафинов оказалось сравнительно неэффективным, т.к. оно неспособно растворять полициклические ароматические углеводороды.

В теплообменники 52 и 54 поступает холодная вода при температуре около 0°С для охлаждения максимального количества масла, распыляемого соплами 36, 38 и соплами 46а, 46b, между вводом газов в резервуар 40 и выводом из него.

Теплообменник 54 способствует конденсации смол, еще имеющихся в отходящих газах после их выхода из колонны 32.

Каплеулавливатель 48, состоящий, например, из перегородок, способствует "разбиению" масляного тумана, имеющегося на выходе из резервуара 40, с целью отделения капель масла, их слияния и возвращения в масляную ванну.

По меньшей мере частичный слив масла из резервуара может быть осуществлен на выходе из насоса 50 путем закрытия вентиля 51, установленного на канале, соединяющем насос 50 с теплообменником 52, открытия вентиля 53, установленного на канале, соединяющем выход насоса 50 с каналом 56 вывода использованного масла. Собранное использованное масло может быть уничтожено методом сжигания, а в резервуар 40 добавляют чистое масло.

Улавливание при помощи устройства 30 промывки маслом позволяет удалить максимальное количество смол, например полициклических ароматических углеводородов. В промытых отходящих газах могут остаться только более легкие ароматические углеводороды (бензолы и моноциклические углеводороды), но они не создают опасности засорения каналов благодаря более высокому давлению паров.

Устройство 60 откачки содержит эжекторный конденсатор 64 или несколько сходных эжекторных конденсаторов, расположенных последовательно (на чертеже представлен только один эжекторный конденсатор).

Эжекторный конденсатор 64 содержит эжектор 66, в который из нагревателя 80 поступает водяной пар, и конденсатор 68, расположенный после эжектора. Конденсатор 68 представляет собой холодильник с наружным охлаждением, в котором газы, выходящие из эжектора, приходят в соприкосновение с каналами, по которым протекает охлаждающая жидкость, например холодная вода.

После прохождения через конденсатор 68 вода поступает в охлаждающую колонну 70, после чего она может быть собрана в резервуар 72, в который по каналу 73 добавляется вода, чтобы обеспечить ее непрерывную циркуляцию через насос 74, установленный в канале, соединяющем резервуар 72 с конденсатором 68.

Конденсат, поступающий в выходной канал 76 конденсатора, содержит бензольные углеводороды, например бензол, толуол, ксилол, и, возможно, остатки полициклических ароматических углеводородов, растворенные в воде, образующейся при конденсации пара, поступающего из эжектора 66. Конденсат адсорбируется неподвижным слоем 77 активированного угля, содержащимся в адсорбционной колонне 78. Канал 76 соединен с вершиной колонны 78, а вода, собирающаяся на дне колонны может быть отведена по каналу 78а в резервуар 72. Могут использоваться несколько адсорбционных колонн со слоями активированного угля, расположенных последовательно.

На выходе из конденсатора отходящие газы проходят через насос 79. Здесь может использоваться водокольцевой насос, охлаждаемый при помощи теплообменника таким образом, чтобы газы, выходящие из установки, имели температуру, близкую к температуре окружающей среды.

Извлекаемый газ содержит в основном ненасыщенные углеводороды, а также остатки реагирующего газа и газообразный водород Н₂, поступающие из печи 10. Он может быть направлен по каналу 79а к факелу и, по меньшей мере, частично использоваться в качестве горючего для нагревателя 80. В этом случае он смешивается в буферном баллоне 82 с горючим газом, например природным газом, поступающим по каналу 84. Из буферного баллона 82 горючее поступает в горелку 86 нагревателя 80.

В другом варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на Фиг.2, эжекторный конденсатор 64 (или каждый из нескольких расположенных последовательно эжекторных конденсаторов) содержит холодильник (конденсатор) 168 прямого действия (а не холодильник с наружным охлаждением), расположенный после эжектора 66.

Поток, выходящий из эжектора 66, приводится в конденсаторе 168 в непосредственное соприкосновение с охлаждающей водой.

Конденсат и охлаждающая вода собираются в сборнике 170, а затем поступают в отпарную колонну 172. Газ, выходящий из конденсатора 168, направляется в буферный баллон 82.

В отпарную колонну 172 поступает водяной пар и воздух. Водяной пар может быть подведен от выхода нагревателя 80, причем последний должен быть достаточного размера, чтобы обеспечить поступление пара в эжектор 66 и отпарную колонну.

Газы, выходящие из отпарной колонны и содержащие воздух, водяной пар, бензольные углеводороды и, возможно, небольшое количество нафталина, направляются к факелу.

Отходящие жидкости отпарной колонны собираются в резервуаре 174. Эти жидкости содержат в основном воду, которая возвращается в конденсатор 168 в качестве охлаждающей воды. Собранный избыток воды, содержащей небольшие количества бензольных углеводородов, может быть слит в канализацию.

Хотя до сих пор подразумевалось применение настоящего изобретения к печам для уплотнения пористых подложек с использованием матрицы из пиролитического углерода методом химической инфильтрации газообразной фазы, представляется очевидным, что изобретение также применимо к промышленным печам для покрытия подложек пиролитическим углеродом методом химического осаждения газообразной фазы и, в более общем случае, к промышленным установкам, в которых используются углеводороды и удаляются отходящие газы, содержащие смолы (например, полициклические ароматические углеводороды), как, например, к печам для цементации.

В нижеприведенных Таблицах даются результаты анализа масла и воды, проведенного после работы установки, изображенной на Фиг.1, в течение периодов различной длительности.

В Таблице I приведен состав промывающего масла исходно (время использования = 0), через 1231 ч работы установки и через 2137 ч ее работы. Также указаны исходный и измеренные впоследствии объемы масла, а также масса абсорбированных полициклических ароматических углеводородов.

Можно констатировать большую абсорбционную способность промывающего масла, в качестве которого использовалось вышеупомянутое масло "Jaritherm АХ320".

В Таблице II приведены значения содержания углеводородов в воде, измеренные на входе и выходе адсорбционной колонны 78 с активированным углем через 3500 ч работы установки. Также указаны фенольный коэффициент, значение рН (показатель концентрации водородных ионов), мутность, полное содержание органического углерода и содержание взвешенных веществ.

Можно констатировать эффективность фильтрации при помощи активированного угля с точки зрения устранения остатков полициклических ароматических углеводородов и бензольных углеводородов из конденсата, поступающего из конденсатора 68.

Реферат

Изобретение относится к области обработки отходящих газов, содержащих полициклические ароматические углеводороды, а именно обработки отходящих газов, производимых промышленными установками для химического осаждения или инфильтрации паров с целью образования на подложках осадка пиролитического углерода или уплотнения пористых подложек при помощи матрицы из пиролитического углерода. Отходящие газы, содержащие углеводороды, перед прохождением в устройство (60) откачки подвергаются промывке методом распыления масла ароматического типа в устройстве (30) промывки с рециркуляцией масла. Полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в отходящих газах, улавливаются благодаря абсорбции в масле. Изобретение позволяет обеспечить хороший уровень абсорбции смол в отходящих газах, исключить забивание каналов, загрязнение окружающей среды этими смолами и ограничить потери напора. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

Формула