RU2005829C1 - Unit for heat treatment of fibrous materials - Google Patents

Abstract

FIELD: production of chemical fibers. SUBSTANCE: unit comprises casing with zone heaters and graphite slotted working chamber provided with gates and pipe unions at inlet and outlet for sucking out used gaseous products and delivery of inert gas. Located under chamber is a preprocessing device in the form of a slotted duct with zone heater disposed centrally through unit length and having product discharge pipes at inlet and in the middle. Device for burning the gaseous products of pyrolysis is installed at a distance from the inlet of working chamber, said distance being equal to 60-75% of the entire chamber length. Said burning device is a combination of heated vertical and inclined pipes. Graphite slotted working chamber is made of graphite plates laid transversely with a gap therebetween which is 0.2 - 0.3 the plate thickness. EFFECT: improved functional and operating characteristics. 1 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратурному оформлению производства химических волокон, а именно к устройству для тепловой обработки гидратцеллюлозых волокнистых материалов при получении углеродного волокна. The invention relates to apparatus for the production of chemical fibers, and in particular to a device for the heat treatment of hydrated cellulose fibrous materials to produce carbon fiber.

Известно устройство, предназначенное для карбонизации и парогазовой активации волокнистых материалов в виде тканей. Аппарат состоит из горизонтальной электрической печи, в которой установлена щелевидная рабочая камера прямоугольного поперечного сечения с нижним и верхним газораспределительными устройствами, соединенными со змеевиками для подачи и отвода газоообразных продуктов пиролиза. На выходе из аппарата предусмотрено устройство для протягивания через рабочее пространство обрабатываемого материала. Однако, данный аппарат имеет следующие недостатки:
- на входе и выходе из рабочего пространства отсутствуют герметизирующие устройства, что не может обеспечить получение качественного материала,
- отвод газообразных продуктов пиролиза из рабочего корпуса посредством змеевика не может обеспечить нормальную работу аппарата, т. к. газообразные продукты пиролиза выделяющиеся при карбонизации, содержат смолообразные продукты, конденсирующиеся при высокой температуре и превращающиеся в высоковязкую массу, удаление которой из змеевиков представляет большую трудность.A device is known for carbonization and gas-vapor activation of fibrous materials in the form of tissues. The apparatus consists of a horizontal electric furnace in which a slit-shaped working chamber of rectangular cross-section is installed with lower and upper gas distribution devices connected to coils for supplying and discharging gaseous pyrolysis products. At the exit of the apparatus, a device is provided for pulling through the working space of the processed material. However, this unit has the following disadvantages:
- at the entrance and exit from the working space there are no sealing devices, which cannot provide high-quality material,
- the removal of gaseous pyrolysis products from the working case by means of a coil cannot ensure the normal operation of the apparatus, since gaseous pyrolysis products released during carbonization contain resinous products that condense at high temperature and turn into a highly viscous mass, which is difficult to remove from the coils.

Известно устройство для тепловой обработки лентообразных волокнистых материалов, содержащее герметичный цилиндрический корпус, верхнюю и нижнюю крышки, теплоизоляцию, коаксиальный нагреватель и плоскую графитовую щелевидную рабочую камеру. На входе и выходе рабочей камеры установлены герметизирующие затворы с патрубками для отсоса отработанного агента. Каждый затвор содержит уплотнительные валики и установленные в корпусе затвора две уплотнительные эластичные шторки и щелевые сопла для подачи инертного газа на материал. A device for heat treatment of ribbon-like fibrous materials, containing a sealed cylindrical body, upper and lower covers, thermal insulation, a coaxial heater and a flat graphite slit-like working chamber. At the inlet and outlet of the working chamber, sealing gates with nozzles for exhausting the spent agent are installed. Each shutter contains sealing rollers and two sealing elastic shutters and slotted nozzles for supplying inert gas to the material installed in the shutter body.

Конструкция рабочей камеры, выполненной из сплошного графита, практически исключает возможность создания внутри камеры разнотемпературных зон, т. е. поддержания в рядом расположенных зонах разности температур в 60^оС и более при минимальной длине зоны, а именно при соотношении длины зоны к ее ширине, равном 1,5: 1. Отсутствие разнотемпературных зон не позволяет вести процесс карбонизации гидратцеллюлозных волокнистых материалов согласно заданной технологии.The design of the processing chamber made of solid graphite, virtually eliminates the possibility of establishing in the chamber different temperatures zones T. E. Maintaining in adjacent zones of temperature difference of 60 ^C or more with a minimum length of the zone, namely, at a ratio of zone length to its width, equal to 1.5: 1. The absence of different temperature zones does not allow the process of carbonization of hydrated cellulose fibrous materials according to a given technology.

Цель изобретения - повышение качества производимого волокнистого материала за счет усовершенствования конструкции аппарата карбонизации. The purpose of the invention is to improve the quality of the produced fibrous material by improving the design of the carbonization apparatus.

Поставленная цель достигается за счет того, что в агрегате тепловой обработки волокнистых материалов, содержащем корпус с зонными нагревателями, внутри которого установлена графитовая щелевидная pабочая камера, имеющем на входе и выходе затворы и патрубки для отсоса отработанных газообразных продуктов и подачи инертного газа, согласно изобретению дополнительно содержится устройство предварительной обработки, выполненное в виде щелевидного короба с расположенными по центру по всей длине зонными нагревателями и имеющего на входе и в средней части камеры патрубки для выбросов газообразных продуктов, а от входа корпуса рабочей камеры на расстоянии, равном 60-75% всей ее длины, установлено устройство для сжигания газообразных продуктов пиролиза, представляющее собой соединение обогреваемых вертикальной и наклонной труб, при этом графитовая щелевидная рабочая камера выполнена из графитовых плит, уложенных в поперечном направлении с зазором между каждой плитой, составляющим 0,2-0,3 толщины плиты. This goal is achieved due to the fact that in the heat treatment unit of fibrous materials containing a housing with zone heaters, inside of which there is a graphite slit-like working chamber, having gates and nozzles for inlet and outlet for exhausting gaseous products and supplying inert gas, according to the invention additionally contains a pretreatment device made in the form of a slit-like box with zone heaters located centrally along the entire length and having inlet and outlet a device for burning gaseous pyrolysis products, which is a combination of heated vertical and inclined pipes, with a graphite slit-like working chamber, is installed at the bottom of the chamber, nozzles for emissions of gaseous products, and from the entrance of the working chamber housing at a distance of 60-75% of its entire length made of graphite plates laid in the transverse direction with a gap between each plate of 0.2-0.3 plate thickness.

Выполнение графитовой рабочей камеры в виде металлического короба футерованного поперечно-уложенными графитовыми плитами, между которыми обязателен зазор, равный 0,2-0,3 толщины плиты, обеспечивает:
во-первых, достижение в аппарате карбонизации разнотемпературных зон, во-вторых, выравнивание перепадов температур по ширине рабочей камеры. Это объясняется тем, что такое расположение плит, состоящих из графита, имеющего высокую теплопроводность, способствует перераспределению (выравниванию) тепла по ширине более интенсивно, чем по длине короба, за счет наличия зазоров между плитами. Следует отметить, что металл рабочего короба имеет более низкую теплопроводность, чем графит и на перераспределение тепла влияет в меньшей степени, чем графит.The implementation of the graphite working chamber in the form of a metal box lined with transversely stacked graphite plates, between which a gap of 0.2-0.3 plate thickness is required, provides:
firstly, the achievement in the apparatus of carbonization of different temperature zones, and secondly, the alignment of temperature differences across the width of the working chamber. This is because such an arrangement of plates consisting of graphite having high thermal conductivity contributes to the redistribution (alignment) of heat along the width more intensively than along the length of the duct due to the presence of gaps between the plates. It should be noted that the metal of the working box has a lower thermal conductivity than graphite and is less affected by heat redistribution than graphite.

Размеры зазора обусловлены следующими факторами: при меньшем зазоре или соприкосновении графитовых, рядом расположенных плит, тепло за счет большей теплопроводности графита будет распространяться вдоль рабочей камеры, что приведет к уменьшению разности температур между зонами и, следовательно, к нарушению теплового режима устройства. The dimensions of the gap are due to the following factors: with a smaller gap or contact of graphite plates located nearby, heat due to the greater thermal conductivity of graphite will spread along the working chamber, which will lead to a decrease in the temperature difference between the zones and, consequently, to a violation of the thermal regime of the device.

При зазоре, большем 0,3 толщины плиты, наблюдается увеличение рабочего пространства камеры, что вызывает уменьшение скорости газового потока отработанных продуктов пиролиза и, тем самым, ухудшение качества получаемого материала. With a gap greater than 0.3 plate thickness, an increase in the working space of the chamber is observed, which causes a decrease in the gas flow rate of the pyrolysis waste products and, thereby, a deterioration in the quality of the resulting material.

Ограничение попадания низкотемпературных газообразных продуктов в высокотемпературные зоны также находится в значительной зависимости от равномерности температуры обрабатываемого материала по ширине аппарата, т. к. снижается возможность выделения тепла низкотемпературных газообразных фракций из обрабатываемого материала в более высокотемпературных зонах. The limitation of the ingress of low-temperature gaseous products into high-temperature zones is also largely dependent on the uniformity of the temperature of the processed material across the width of the apparatus, since the possibility of heat generation of low-temperature gaseous fractions from the processed material in higher-temperature zones is reduced.

Высота щели рабочей камеры между графитовыми плитами находится в пределах 15 толщин исходного материала, что обеспечивает максимальные скорости движения газовых потоков в рабочем пространстве, которые необходимы для лучшего удаления газообразных продуктов пиролиза с поверхности обрабатываемого материала, для уменьшения экзотермического эффекта и устранение конденсации высококипящих продуктов пиролиза на обрабатываемом материале и стенках устройства. The height of the slit of the working chamber between graphite plates is within 15 thicknesses of the starting material, which ensures maximum gas flow rates in the working space, which are necessary to better remove gaseous pyrolysis products from the surface of the processed material, to reduce the exothermic effect and eliminate condensation of high-boiling pyrolysis products on the processed material and the walls of the device.

Например, скорость газового потока без графитовой футеровки примерно в 20 раз больше скорости движения обрабатываемого материала, между тем, как с графитовой футеровкой она больше в 100 раз. For example, the gas flow rate without graphite lining is approximately 20 times greater than the speed of the processed material, while with graphite lining it is 100 times greater.

Такие большие соотношения скоростей газов и материала необходимы, т. к. абсолютные скорости газовых потоков в рабочем пространстве очень низки и соответственно, равны: 1,5 м/мин (без футеровки) и 7,5 м/мин (с футеровкой). Such large ratios of gas and material velocities are necessary, since the absolute gas flow velocities in the working space are very low and, accordingly, are equal to 1.5 m / min (without lining) and 7.5 m / min (with lining).

Наличие в аппарате карбонизации устройства для сжигания газообразных продуктов пиролиза предотвращает их конденсацию в отводящих патрубках, забивание патрубков, нарушение газоотвода, и, как следствие, ухудшение качества производимого материала. The presence in the carbonization apparatus of a device for burning gaseous pyrolysis products prevents their condensation in the outlet pipes, clogging of the pipes, violation of the gas outlet, and, as a result, deterioration in the quality of the produced material.

Устройство для сжигания газообразных продуктов пиролиза установлено на рабочем коробе после зон, имеющих температуру 350^оС, обеспечивающую прохождение процесса термодеструкции, сопровождающегося потерей до 70% массы обрабатываемого материала в газообразной форме, т. е. обильным выделением газообразных продуктов пиролиза, попадание которых в зоны высокотемпературной обработки недопустимо.An apparatus for combustion of gaseous pyrolysis products set at the working duct after the zones having a temperature of 350 ^C, ensures the passage of the thermal destruction process, accompanied by the loss of up to 70% by weight of the treated material in gaseous form, ie. E. The abundant evolution of gaseous products of pyrolysis, whose introduction into the zone high temperature processing is unacceptable.

Наличие обогрева вертикальной и наклонной труб предотвращает конденсацию газообразных продуктов, а стадия сжигания в наклонной трубе исключает попадание твердых продуктов сгорания внутрь рабочей камеры. The presence of heating of the vertical and inclined pipes prevents the condensation of gaseous products, and the combustion stage in the inclined pipe prevents solid combustion products from entering the working chamber.

Наличие устройства предварительной обработки позволяет удалить из обрабатываемого материала перед карбонизацией авиважные и замасливающие препараты, соли, оставшиеся в волокне после формования, а также влагу, которые отрицательно влияют на качество получаемого углеродного волокнистого материала. The presence of a pretreatment device allows removing important and sizing preparations, salts remaining in the fiber after molding, and moisture, which adversely affect the quality of the resulting carbon fiber material, from the processed material before carbonization.

На чертеже представлен агрегат тепловой обработки волокнистого материала, общий вид. Агрегат состоит из следующих основных узлов: рабочей камеры, выполненной из металлического короба 1 с графитовой футеровкой, теплоизоляции 2, станины 3, капсюляции 4 и устройства для сжигания продуктов пиролиза 5. На верхней и нижней наружной поверхности рабочего короба установлены нагреватели 6, которые разбиты на температурные автоматические регулируемые зоны. Внутренняя часть рабочего короба футеруется поперечно расположенными графитовыми плитами - нижними 7, уложенными непосредственно на дно металлического короба, и верхними 8, которые укладываются на полосы, прикрепленные к боковым стенкам короба. Между плитами предусмотрен зазор 9, равны 0,2-0,3 толщины плиты. Ширина графитовых плит составляет 0,1-0,15 длины плиты. Расстояние между плитами по вертикали, т. е. высота щели рабочей камеры соответствует 15 толщинам исходного материала. На входе и выходе из рабочей камеры находятся патрубки 10 для подачи инертного газа, а также устанавливаются герметизирующие затворы 11. Рабочий короб устанавливается на станине, теплоизолируется и закрывается металлическим кожухом 12. The drawing shows a unit for heat treatment of fibrous material, General view. The unit consists of the following main units: a working chamber made of a metal box 1 with graphite lining, thermal insulation 2, bed 3, capsulation 4 and a device for burning pyrolysis products 5. On the upper and lower outer surfaces of the working box, heaters 6 are installed, which are divided into temperature automatic adjustable zones. The inner part of the working box is lined with transversely arranged graphite plates - the bottom 7, laid directly on the bottom of the metal box, and the top 8, which are laid on strips attached to the side walls of the box. Between the plates, a gap 9 is provided, equal to 0.2-0.3 thickness of the plate. The width of the graphite plates is 0.1-0.15 of the length of the plate. The distance between the plates vertically, i.e., the height of the slit of the working chamber corresponds to 15 thicknesses of the source material. At the inlet and outlet of the working chamber there are nozzles 10 for supplying inert gas, as well as sealing shutters 11. The working box is installed on the bed, is insulated and closed by a metal casing 12.

Устройство для сжигания устанавливается на рабочем коробе после зон, имеющих температуры 350^оС, и представляет собой соединение вертикальной 13 и наклонной труб 14, сваренных из жаропрочного материала. Наружная поверхность труб имеет электрический обогрев с автоматическим регулированием температуры. В верхнем торце наклонной трубы имеется патрубок 15 для подачи сжатого воздуха. На другом конце наклонной трубы помещается поддон 16.Device for combustion is set at the working duct after the zones having a temperature of 350 ^{° C} and is a compound of the vertical 13 and the inclined pipe 14, the welded heat-resistant material. The outer surface of the pipes is electrically heated with automatic temperature control. In the upper end of the inclined pipe there is a pipe 15 for supplying compressed air. At the other end of the inclined pipe, a pallet 16 is placed.

Агрегат тепловой обработки волокнистого материала 17 содержит устройство предварительной обработки 18, представляющее собой щелевидный рабочий короб 20 с расположенными по центру на всей длине нагреватели 21, разбитыми на несколько температурных зон. На входе и в средней части камеры имеются патрубки удаления продуктов распада 19. Также агрегат имеет транспортирующие органы 22, питающие и приемные устройства (не показаны). The heat treatment unit of the fibrous material 17 contains a pre-treatment device 18, which is a slit-like working box 20 with heaters 21 located in the center along the entire length, divided into several temperature zones. At the entrance and in the middle part of the chamber there are pipes for the removal of decay products 19. Also, the unit has transporting bodies 22, feeding and receiving devices (not shown).

В процессе работы исходный материал подается транспортирующими органами в камеру предварительной обработки, где он проходит в прямом направлении (под нагревателями) и в обратном направлении (над нагревателями) через ряд температурных зон. Низкотемпературные фракции пропитывающего состава и вода удаляются через патрубки отсоса. Затем материал 17 подается в рабочую камеру агрегата через входной затвор, и двигаясь, постепенно нагревается в соответствии с температурами в зонах. Инертный газ, подаваемый через патрубки на входе аппарата прямотоком с материалом и выделяющимися продуктами пиролиза, перемещается до устройства сжигания, где смесь газов выходит, смешивается со сжатым воздухом, который способствует сгоранию горючих компонентов газов в наклонной части устройства. In the process, the source material is fed by transporting bodies to the pre-treatment chamber, where it passes in the forward direction (under the heaters) and in the opposite direction (above the heaters) through a number of temperature zones. The low-temperature fractions of the impregnating composition and water are removed through the suction nozzles. Then the material 17 is fed into the working chamber of the unit through the inlet shutter, and moving, gradually heats up in accordance with the temperatures in the zones. The inert gas supplied through the nozzles at the inlet of the apparatus with direct-flow material and the pyrolysis products released is transported to the combustion device, where the gas mixture escapes, mixes with compressed air, which contributes to the combustion of combustible gas components in the inclined part of the device.

Твердые остатки продуктов сгорания высыпаются в установленный поддон. Инертный газ, подаваемый на выходе аппарата, движется противотоком к материалу, предотвращая попадание низкотемпературных продуктов пиролиза в высокотемпературные зоны, находящиеся за устройством сжигания, и также отводится вместе с отработанными газообразными продуктами пиролиза в устройство сжигания. Solid residues of combustion products are poured into the installed pan. The inert gas supplied at the outlet of the apparatus moves countercurrently to the material, preventing low-temperature pyrolysis products from entering the high-temperature zones located behind the combustion device, and is also discharged together with the spent gaseous pyrolysis products into the combustion device.

Расположение устройства для сжигания после рабочей зоны с температурой 350^оС предотвращает попадание газообразных продуктов пиролиза, выделяющихся в начальной стадии процесса, в высокотемпературную зону, способствует повышению качества получаемого материала.Location device for combustion after a working area having a temperature of 350 ^{° C} prevents the pyrolysis gaseous products evolved during the initial stage of the process, the high temperature zone, contributes to improving the quality of the resulting material.

Выполнение труб устройства обогреваемыми способствует устранению конденсации газообразных продуктов пиролиза внутри труб, ведущий к забиванию труб, а тем самым, и к нарушению газоотвода из рабочего пространства аппарата, приводящему к получению бракованной продукции. The implementation of the heated pipes of the device helps to eliminate the condensation of gaseous pyrolysis products inside the pipes, leading to clogging of the pipes, and thereby to the violation of the gas outlet from the working space of the apparatus, leading to defective products.

Наклонное положение трубы сжигания способствует полному удалению твердых остатков продуктов сгорания, исключены попадания их внутрь рабочей камеры, а сам процесс сжигания горючих компонентов газообразных продуктов пиролиза гарантирует стабильный отвод газов из рабочей камеры. The inclined position of the combustion pipe contributes to the complete removal of solid residues of the combustion products, excluding them from entering the working chamber, and the process of burning combustible components of the gaseous pyrolysis products ensures stable gas removal from the working chamber.

Выполнение графитовой щелевидной камеры с использованием поперечно уложенных с зазором графитовых плит способствует уменьшению перепада температур по ширине камеры, получению локализованных температурных зон по длине камеры, а также уменьшению поперечного сечения камеры путем уменьшения высоты до минимально необходимой величины, соответствующей 15 толщинам исходного материала. The implementation of a graphite slit-like chamber using graphite plates transversely stacked with a gap helps to reduce the temperature difference across the width of the chamber, to obtain localized temperature zones along the length of the chamber, and also to reduce the cross-section of the chamber by reducing the height to the minimum required value corresponding to 15 thicknesses of the starting material.

Уменьшение поперечного сечения приводит к повышению скоростей отводимых с поверхности материала газовых потоков, что существенно улучшает качество материала. The reduction of the cross section leads to an increase in the velocities of the gas flows removed from the surface of the material, which significantly improves the quality of the material.

Устранение температурного перепада по ширине рабочей камеры исключает попадание выделяющихся низкотемпературных газообразных продуктов на материал, подвергаемый обработке более высокой температурой в пределах одной температурной зоны (что наблюдается в металлической рабочей камере без графитовой футеровки). Это также положительно влияет на качество получаемого материала. (56) Авторское свидетельство СССР N 290975, кл. D 06 C 7/00, 1971. Elimination of the temperature difference across the width of the working chamber eliminates the release of low-temperature gaseous products released onto the material subjected to higher temperature treatment within the same temperature zone (which is observed in a metal working chamber without graphite lining). It also has a positive effect on the quality of the material obtained. (56) Copyright certificate of the USSR N 290975, cl. D 06 C 7/00, 1971.

Авторское свидетельство СССР N 777112, кл. D 06 C 7/00, 1980.  USSR author's certificate N 777112, cl. D 06 C 7/00, 1980.

Claims (1)

АГРЕГАТ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащий корпус с зонными нагревателями, внутри которого установлена графитовая щелевидная рабочая камера, имеющий на входе и выходе затворы и патрубки для отсоса отработанных газообразных продуктов и подачи инертного газа, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство предварительной обработки, выполненное в виде щелевидного короба с расположенными по центру по всей длине зонными нагревателями и имеющее на входе и в средней части устройства патрубки для выбросов продуктов, а от входа корпуса рабочей камеры на расстоянии, равном 60 - 75% всей ее длины, установлено устройство для сжигания газообразных продуктов пиролиза, представляющее собой соединение обогреваемых вертикальной и наклонной труб, при этом графитовая щелевидная рабочая камера выполнена из графитовых плит, уложенных в поперечном направлении с зазором между каждой плитой, составляющим 0,2 - 0,3 толщины плиты.  FIBER HEAT PROCESSING UNIT, containing a housing with zone heaters, inside of which there is a graphite slit-shaped working chamber having gates and nozzles for suction of exhaust gaseous products and supply of inert gas at the inlet and outlet, characterized in that it further comprises a pretreatment device made in the form of a slit-like duct with centrally located zone heaters and having inlet and in the middle part of the device nozzles for emissions of ukt, and from the entrance of the working chamber body at a distance equal to 60 - 75% of its entire length, a device for burning gaseous pyrolysis products is installed, which is a combination of heated vertical and inclined pipes, while the graphite slit-like working chamber is made of graphite plates laid in transverse direction with a gap between each plate of 0.2 - 0.3 plate thickness.

Images