Какую схему показывает рисунок 5.1
В этой схеме резиновые отходы нагревают прямо потоком горячего газа. После отбора масла газ очищают, часть его снова нагревают и возвращают к сырью. Такой контур показан на рисунке 5.1 в книге Макарова и Дроздовского; описание находится на печатных с. 217–218. Сам аппарат представляет собой неподвижную колонну для сухой перегонки измельчённых резиновых отходов. Это конкретный исторический пример прямого газового нагрева, по которому можно разобрать движение потоков. Устройство любой другой вертикальной шахты для шин из него не следует.
Книга отсылает к японскому патенту № 53-2478. Возможная библиографическая привязка: JPS532478B2, публикация от 28.01.1978, заявка JP13052573A от 19.11.1973; ранняя публикация JPS5079582A от 28.06.1975. Но полное японское описание и чертёж не получены. Поэтому техническую часть дальше разбираем по книге. Независимого сопоставления с японским оригиналом здесь нет.
Сначала уточним слово «неподвижная». В данном случае не движется корпус колонны. При этом сырьё подаётся непрерывно, продукты выводятся, а газ циркулирует. Представлять по этому названию закрытый периодический реактор с полностью неподвижной загрузкой было бы неверно. Как именно движутся твёрдые частицы внутри, каково распределение времени их пребывания и есть ли внутреннее перемешивание, рисунок не раскрывает.
Подача сырья и непосредственный нагрев
Проследим путь сырья. Из загрузочного бункера 4 измельчённые отходы идут через дозатор 3 и подающий шнек 2 в колонну сухой перегонки 1. Здесь шнек нужен для загрузки; сам реактор от этого не становится шнековым пиролизером. Для практического выбора загрузочного узла ещё потребовались бы его производительность, допустимый размер кусков, тип уплотнений и способ предотвращения обратного выхода газа. На схеме этих сведений нет.
Тепло в колонну приносит очищенный пиролизный газ, нагретый до 600–800 °C. В нижней части рисунка показаны кольцо 5 и газовые сопла 6. Газ непосредственно контактирует с резиновыми отходами и вызывает их термическую деструкцию. Образующиеся газы поднимаются через верхние слои сырья, предварительно нагревают их и вместе с парами масла выходят сверху при 300–500 °C. Так по описанию книги связаны нагрев свежих отходов и отвод продуктов.
Восходящий поток по пути отдаёт часть своего чувствительного тепла поступающим отходам. Поэтому предварительный нагрев здесь физически понятен. Но две температуры в описании относятся к разным газовым потокам: 600–800 °C на входе и 300–500 °C на выходе парогазовой смеси. Присвоить один из этих диапазонов всем частицам резины нельзя. Схема не показывает ни равномерного нагрева всего объёма, ни использования тепла без потерь.
Чтобы перейти от этих температур к размеру и производительности аппарата, нужно знать значительно больше. Сколько газа проходит через слой, какова его теплоёмкость и как он распределяется? Сколько подают отходов, какая у них влажность и размер частиц, сколько длится контакт? Книга этих величин не даёт. Поэтому по одной разности температур на входе и выходе нельзя вычислить ни тепловую мощность, ни высоту колонны, ни производительность по шинам.
Отбор масла и очистка газа
Дальше поток нужно охладить и отделить масло. Из верха реактора парогазовая смесь идёт в конденсационную колонну 9. По тексту книги, её охлаждают водой, а отделённое масло направляют в бак 17. Оставшийся газ поступает в узел 10. В подписи он назван «ректификационной колонной», но текст на с. 218 поясняет задачу: спиртовая очистка газа от сероводорода.
Для чтения этой схемы функция узла важнее привычных ассоциаций с его названием. Здесь слово «ректификационная» само по себе не подтверждает ни получение товарных нефтяных фракций, ни определённое число тарелок. Очистной раствор показан, но его состав, расход и регенерация не раскрыты. Нет и показателей очищенного газа, по которым можно было бы определить коэффициент удаления H₂S. Поэтому название из источника сохранено вместе с тем пояснением функции, которое даёт сама книга.
У очистки есть и жидкостная часть: бак с очистительным раствором 13, насос 14 и нейтрализационная колонна 15. По рисунку можно установить наличие этих узлов, но проследить все вспомогательные потоки и реагенты до конца нельзя. Для расхода химикатов, водного баланса и состава продувки данных не хватает. Само наличие нейтрализации также не отвечает на вопрос, как безопасно утилизировать полученные растворы.
Если цель установки состоит в получении масла, конденсацию нужно рассматривать вместе с реактором. Собранная жидкость зависит от того, как охлаждают парогазовую смесь, удерживают аэрозоли и унесённые капли, какая температура остаётся после холодильника и как обращаются с водой. Поэтому один масляный бак на рисунке ещё не говорит, какой процент масла удастся собрать. Для этой колонны книга не приводит численного выхода масла, температуры конечной конденсации, числа ступеней охлаждения или эффективности улавливания.
Оборотный газ и отдельное сжигание топлива
После очистки газ поступает в газосборник 12. На рисунке есть два газовых нагнетателя, 11 и 16. Текст уточняет работу второго: нагнетатель 16 подаёт газ из газосборника в печь нагрева 7. Там поток разделяется по назначению. Одну часть сжигают, другую нагревают и возвращают в колонну как теплоноситель. Горелка на рисунке обозначена номером 8.
Вот это разделение стоит удерживать при чтении всей схемы. В топливной ветви газ сгорает. В возвращаемой ветви к резине идёт нагретый очищенный газообразный продукт пиролиза, как его называет книга. Следовательно, нельзя без дополнительных данных описывать весь проходящий через резину газ как дым от сгорания углеродистого остатка. Сжигание нижнего твёрдого продукта в качестве основного источника тепла для этой схемы также не описано.
По смыслу контура часть собственного газа служит топливом, а циркулирующая часть переносит тепло к сырью. Но сколько газа направлено в каждую ветвь, неизвестно. Не даны доля рециркуляции, расход на горелку, объём газосборника, давление и мощность нагнетателей. Поэтому по рисунку можно понять принцип, но нельзя подобрать печь или доказать, что собственного газа хватит на все тепловые потребности установки.
Твёрдый продукт имеет свой выход. Оставшиеся после разложения углеродсодержащие соединения осаждаются и выводятся из донной части через зольник и конвейер в сборник. Слово «зольник» здесь не должно сбивать с толку: оно не доказывает, что углерод уже сожжён и выгружается только зола. Выход, остаточная летучесть, зольность и товарное качество этого углеродистого материала для схемы не приведены.
Полный перечень обозначений рисунка
- Колонна сухой перегонки.
- Шнек для подачи материала.
- Дозатор.
- Загрузочный бункер.
- Кольцо.
- Сопла для подачи газа.
- Печь нагрева газов.
- Горелка.
- Конденсационная колонна.
- Ректификационная колонна, в тексте — спиртовая очистка от H₂S.
- Газовый нагнетатель.
- Газосборник.
- Бак с очистительным раствором.
- Насос.
- Нейтрализационная колонна.
- Газовый нагнетатель.
- Масляный бак.
По этому перечню удобно сверяться с источником, но собирать по нему рабочую установку рано. На схеме не специфицированы запорные органы, автоматика, аварийное сбрасывание давления и средства обнаружения кислорода. Не описаны и процедуры запуска или остановки. Эти задачи остаются за пределами показанного контура.
Применимость к получению жидкости без природного газа
Для получения масла в этой конструкции интересны прямой контакт с теплоносителем и возврат собственного газа после конденсации. Корпус реактора не вращается, поэтому именно ему не нужны горячие вращающиеся торцевые уплотнения. Однако герметично подать сырьё и выгрузить остаток всё равно придётся. Отдельно нужно обеспечить газопроницаемость слоя и предотвратить обратное течение. Неподвижный корпус решает только часть конструктивных вопросов.
Расход газа здесь нельзя выбирать по принципу «чем больше, тем лучше». Его увеличение способно ускорить перенос тепла и отвод паров, но одновременно добавляет нагрузку на конденсацию, очистку и нагнетатели. Слишком малый или неравномерно распределённый поток, напротив, создаёт риск холодных областей и неодинаковой глубины разложения. Это вопросы, которые нужно проверять при проектировании, а не измеренные недостатки аппарата на рисунке 5.1. Численных зависимостей для выбора расхода книга не даёт.
Чтобы выяснить, можно ли обойтись без природного газа, потребуется тепловой баланс. С одной стороны нужно посчитать располагаемую теплоту собственного газового топлива. С другой, нагрев свежего сырья и газа, испарение воды, тепловые эффекты превращений и потери с учётом КПД печи. Отдельно остаются электричество для нагнетателей и запуск, когда собственного газа ещё нет. Поэтому отсутствие линии природного газа на рисунке само по себе не подтверждает работу без внешнего топлива во всех режимах.
В книге очистку и возврат газа связывают с предотвращением загрязнения окружающей среды. Это заявленная задача схемы, но рядом нет измерений выбросов, качества стоков или остаточного H₂S. Читать такую фразу как «нулевые выбросы» нельзя. В частности, топливная ветвь создаёт свой поток продуктов сгорания, и его также нужно учитывать при оценке установки.
С чем эту колонну не следует смешивать
Рядом в книге есть привлекательные численные результаты: 46–50% (масс.) жидкости на пиролизуемое сырьё, температура 480–520 °C, высота слоя 20–190 мм и максимум около 2,5 ч. Но они относятся к работе [219] на с. 214–215. К рисунку 5.1 эти значения не привязаны. Если добавить их к описанию колонны, аппарат станет выглядеть гораздо определённее, но это будет выдуманная связь. Поэтому как её выход и режим эти числа не используются.
Есть и другая группа колонн, где снизу сжигают углеродистый остаток, а вверх идут продукты горения. Такие конструкции тоже могут решать задачу самообеспечения теплом, но баланс у них другой: расходуется углерод, подаётся воздух или иной окислитель, нужно исключать его проскок в зону образования масла. Приписывать такой процесс рисунку 5.1 оснований нет. Его ценность в том, что он показывает конкретный исторический контур: очищенный пирогаз, нагрев, прямой контакт с сырьём, конденсация, очистка и возврат, при отдельном выводе твёрдого остатка.
Использованная информация
- Макаров В. М., Дроздовский В. Ф. Использование амортизованных шин и отходов производства резиновых изделий. Л.: Химия, 1986. С. 217, рис. 5.1 и подпись; с. 218, продолжение описания. В использованном PDF — страницы 218–219.
- JPS532478B2 и ранняя публикация JPS5079582A: библиографическая привязка японской ссылки 53-2478. Полный первичный текст и сопоставление чертежей отсутствуют; технические параметры настоящего описания взяты из книги.