ES2247808T3 - Procedimiento y aparato para producir negros de carbon. - Google Patents
Procedimiento y aparato para producir negros de carbon.Info
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Abstract
Un aparato modular para producir negro de carbón que comprende: una zona de combustión (10) que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo y al menos un orificio para permitir la introducción de un combustible y un oxidante; una zona de diámetro convergente (11) que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo y que converge desde el extremo aguas arriba hacia el extremo aguas abajo, estando el extremo aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de combustión (10); una zona de transición (12) que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de diámetro convergente (11), incluyendo la transición al menos un orificio para permitir la introducción de un material de partida; un aparato (70) para introducir una corriente de fluido en el reactor en una dirección axial al flujo de una corriente de tratamiento en el reactor, teniendo el aparato (70) un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de transición (12); una zona de reacción (18) que comienza con una zona de diámetro de ensanchamiento (19) y que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona o zonas de transición; una zona de enfriamiento que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de reacción, incluyendo la zona de enfriamiento al menos un orificio (40) para permitir la introducción de un fluido de enfriamiento (50); y aparato para separar y recoger negro de carbón conectado con el extremo aguas abajo de la zona o zonas de enfriamiento.
Description
Procedimiento y aparato para producir negros de
carbón.
La presente invención se refiere a nuevos
procedimientos y un aparato para producir negros de carbón.
Los negros de carbón pueden utilizarse como
pigmentos, cargas, agentes de refuerzo y para una variedad de otras
aplicaciones, y se utilizan ampliamente como cargas y pigmentos de
refuerzo en la preparación de mezcla y preparación de composiciones
de caucho y composiciones de material plástico. Los negros de carbón
se caracterizan generalmente según sus propiedades que incluyen,
pero no están limitadas a, sus áreas superficiales, química de
superficies, tamaños de agregado y tamaños de partículas. Las
propiedades de los negros de carbón se determinan analíticamente
mediante ensayos conocidos en la técnica, que incluyen área
superficial de adsorción de yodo (I_{2}No), área superficial de
adsorción de nitrógeno (N_{2}SA), adsorción de ftalato dibutílico
(DBP), adsorción de ftalato dibutílico de negro de carbón molido
(CDBP), valor de absorción de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB)
y valor de tinte (TINT).
En un reactor de tipo horno pueden producirse
negros de carbón por pirólisis de un material de partida de
hidrocarburo con gases de combustión calientes para producir
productos de combustión que contienen negro de carbón en partículas.
Generalmente se utiliza una variedad de procedimientos para
producir negros de carbón.
En un tipo de reactor de negro de carbón, tal
como se muestra en la patente estadounidense Nº 3.401.020 de Kester
y col., o la patente estadounidense Nº 2.785.964 de Pollock, en lo
sucesivo "Kester" y "Pollock" respectivamente, un
combustible, preferentemente hidrocarbonado, y un oxidante,
preferentemente aire, se inyectan dentro de una primera zona y
entran en reacción para formar gases de combustión calientes. Un
material de partida de hidrocarburo ya sea en forma de gas, vapor o
líquido se inyecta también en la primera zona, con lo que comienza
la pirólisis del material de partida de hidrocarburo con formación
subsiguiente de negro de carbón. En este caso, pirólisis se refiere
a la descomposición térmica de un hidrocarburo. La mezcla de gases
de combustión resultante, en la que se produce la pirólisis, pasa
entonces a una zona de reacción donde se produce la finalización de
las reacciones de formación de negro de carbón.
Otro tipo de equipo para tratamiento utilizado
para producir negros de carbón se denomina reactor modular o por
etapas. Los reactores de negro de carbón de horno modular (por
etapas) están descritos en general en la patente estadounidense
renovada Nº 28.974 y en la patente estadounidense Nº 3.922.355,
cuyas descripciones se incorporan en el presente documento como
referencia.
En ciertos procedimientos de producción de negro
de carbón, una porción del oxidante total introducido en el proceso
se introduce aguas abajo del punto de inyección del material de
partida. La patente estadounidense Nº 4.105.750 desvela un
procedimiento para producir negros de carbón con estructura
inferior, según se refleja en los índices inferiores de absorción
de ftalato dibutílico (DBP), para un tamaño de partícula dado. En
el procedimiento desvelado, una porción del oxidante introducido en
el proceso se inyecta en una ubicación aguas abajo del punto de
inyección del material de partida.
El documento WO 93/18094 desvela un procedimiento
para producir negros de carbón caracterizado porque se añade al
reactor una corriente de oxidante secundaria de modo que la
corriente oxidante secundaria no interfiera con la formación de
partículas y agregados de negro de carbón en el reactor. En los
ejemplos desvelados, los índices de absorción de DBP del negro de
carbón producido utilizando la corriente de oxidante secundaria
fueron inferiores a los índices de absorción de DBP del negro de
carbón producido utilizando las mismas condiciones de reacción en
ausencia de la corriente de oxidante secundaria.
Otras patentes tales como las patentes
estadounidenses Nº 3.607.058; 3.761.577; y 3.887.690 describen
también los procedimientos para producir negro de carbón.
Las temperaturas en un reactor de negro de carbón
pueden variar entre 1315ºC (2400ºF) y 1648ºC (3000ºF) o superiores.
La inyección de oxidante adicional y/o aire secundario en la
corriente de reacción, por ejemplo de la manera descrita en las
patentes mencionadas anteriormente, aumentará generalmente la
temperatura de la corriente de reacción, y puede aumentar la
temperatura de la corriente de reacción en la región local al punto
de inyección de aire hasta muy por encima de 1648ºC (3000ºF). Esta
temperatura extrema puede provocar daños en el forro refractario del
reactor y/o acortar la vida útil del forro refractario del reactor,
particularmente cerca del área de inyección de oxidante
adicional.
En consecuencia, sería ventajoso tener un
procedimiento y un aparato para añadir oxidante y/o hidrocarburo
adicional que contiene corrientes de fluido en el efluente que
reduzca al mínimo los problemas refractarios en el reactor.
También sería ventajoso tener un procedimiento y
un aparato para producir negros de carbón en los que la introducción
de oxidante y/o hidrocarburo adicional que contiene corrientes de
fluido en el efluente aumente la estructura de los negros de carbón
producidos por el procedimiento, como han puesto en evidencia los
negros de carbón que tienen un índice de absorción de DBP aumentado
para un área superficial dada.
El procedimiento y el aparato de la presente
invención consiguen las ventajas mencionadas anteriormente además de
otras ventajas que resultarán evidentes para el experto en la
materia a partir de la siguiente descripción.
Aunque se han descrito tipos generales de
reactores y procedimientos de negro de carbón de horno, se
comprenderá que la presente invención puede usarse en cualquier
otro reactor o procedimiento de negro de carbón de horno en el que
se produzca negro de carbón por pirólisis y/o combustión incompleta
de hidrocarburos.
La presente invención proporciona procedimientos
y un aparato particularmente bien adecuados para el uso en la
producción de negros de carbón.
La presente invención proporciona un aparato y un
procedimiento tal como se define en las reivindicaciones 1 y 5
destinados a revestir una corriente de gases. Un procedimiento para
revestir una corriente de gases puede comprender introducir una
corriente de fluido alrededor de la periferia externa de la
corriente de gases. Un aparato para revestir una corriente de gases
puede comprender un recipiente hueco, un orificio de entrada para
introducir la corriente de fluido en el interior del recipiente, y
un orificio de salida para permitir que la corriente de fluido
salga del recipiente. El orificio de salida puede comprender un
espacio anular o una pluralidad de chorros. Con preferencia, el
recipiente es anular, es decir, con forma de anillo, aunque otras
formas son posibles. El espacio anular o los chorros de salida
pueden estar dispuestos alrededor de la circunferencia del
recipiente.
La presente invención proporciona un
procedimiento para producir negros de carbón que incluye revestir
la corriente de gases que circula a través del reactor con una
corriente de fluido. La corriente de gases en un reactor puede
comprender una corriente de gases de combustión y/o una corriente
de efluente, formada por introducción en la corriente de gases de
combustión de un material de partida que desprende negro de carbón.
El revestimiento se produce después de la introducción del material
de partida en la corriente de gases de combustión. La corriente de
fluido rodea preferentemente el perímetro externo de una corriente
de gases de combustión y/o efluente disponiendo la corriente de
fluido entre la corriente de gases de combustión y/o efluente y una
pared del reactor.
De acuerdo con la presente invención, el
procedimiento para producir negro de carbón incluye introducir una
corriente de fluido en una dirección axial en un reactor después
del punto de inyección del material de partida. La corriente de
fluido puede introducirse de la manera descrita anteriormente.
En el procedimiento de la presente invención, la
corriente de fluido puede añadirse a través de un espacio anular o
una pluralidad de chorros en la dirección axial. El espacio anular
es concéntrico con el fin de introducir la corriente de fluido
alrededor de una periferia de una corriente del proceso. La
pluralidad de chorros puede estar dispuesta en un anillo o en
múltiples anillos. La dirección axial se refiere a una dirección
paralela a la dirección de flujo de los gases de combustión a
través del reactor. Para un reactor cilíndrico, la dirección axial
generalmente es paralela al eje del cilindro. Tal como se usa en el
sentido del procedimiento, un "chorro" se refiere a una intensa
corriente de fluido bien definida saliendo desde un orificio o
tobera.
Estos aspectos de la presente invención y las
características tratadas a continuación proporcionan un medio para
revestir la corriente de gases de combustión y la mezcla de
material de partida de negro de carbón (efluente) saliente de la
segunda etapa de un reactor de negro de carbón modular. En una
forma de realización preferente de la presente invención,
generalmente se prefiere que el espacio anular o los chorros
mediante los que se introduce la corriente de fluido en el reactor
estén dispuestos de manera que rodeen la corriente de efluente.
Como se apreciará a partir de las figuras que se adjuntan, la
corriente de efluente puede ser rodeada mediante la introducción de
la corriente de fluido alrededor de la periferia de la corriente de
gases saliente de la segunda etapa del reactor. La corriente de
fluido introducida en el reactor puede utilizarse para desviar, al
menos parcialmente, la corriente de gas efluente saliente de la
segunda etapa a distancia de las paredes del reactor. De esta
forma, puede reducirse al mínimo el daño por calor al forro
refractario de la etapa del reactor.
En particular, un efecto de la corriente de
fluido es contrarrestar la difusión tangencialmente exterior de la
corriente de efluente hacia las paredes del reactor a medida que el
efluente desciende por el reactor. En consecuencia, una función de
la corriente de fluido introducida en el reactor es contener, o
revestir, o redirigir la corriente de efluente de modo que se
reduzca la temperatura a la que están expuestas las paredes del
reactor. Además, la introducción de la corriente de fluido de la
manera contemplada por la presente invención produce un mezclado
más uniforme que en los otros procedimientos, reduciendo con ello
al mínimo temperaturas locales elevadas.
En un aspecto adicional, la presente invención
proporciona un aparato para introducir una corriente de fluido en un
reactor de negro de carbón. Un aparato de la presente invención
para introducir una corriente de fluido en un reactor de negro de
carbón comprende un recipiente hueco, un orificio de entrada
destinado a introducir la corriente de fluido en el interior del
recipiente y un orificio de salida para que la corriente de fluido
salga del recipiente. Orificios de salida utilizables incluyen un
espacio anular, un chorro, una pluralidad de chorros, o mezclas de
los mismos. Con preferencia, se utiliza un espacio anular o una
pluralidad de chorros como orificio de salida para permitir que la
corriente de fluido salga del recipiente al reactor. El recipiente
puede ser generalmente anular (con forma de anillo) o de otras
formas. El espacio anular puede estar dispuesto concéntricamente a
los diámetros interno y externo del anillo, y/o los chorros de
salida pueden estar dispuestos alrededor de la circunferencia del
anillo. En otra forma de realización posible, los chorros de salida
pueden estar dispuestos en círculos concéntricos desde una sección
interior hasta la periferia externa del recipiente. El orificio de
entrada para la corriente de fluido puede estar dispuesto
radialmente o sustancialmente paralelo al orificio de salida
(espacio anular o chorros) para producir una corriente de fluido
saliente sin turbulencias significativas. Como variante, el
orificio de entrada para la corriente de fluido puede estar
dispuesto tangencialmente, o sustancialmente tangencialmente, al
orificio de salida (espacio anular o chorros), de modo que la
corriente de fluido saliente incluya un componente de velocidad
tangencial suficiente para crear turbulencias.
El procedimiento de la presente invención se
realiza en la práctica con el aparato de la presente invención.
Un aparato preferente es un reactor modular que
comprende: una primera etapa, o de combustión, en la que un oxidante
es puesto en contacto con un combustible para producir una
corriente de gases de combustión a una temperatura suficiente para
someter a pirólisis un material de partida que desprende negro de
carbón; una segunda etapa, o de introducción de material de
partida, en la que un material de partida que desprende negro de
carbón se introduce en los gases de combustión; y una tercera etapa,
o de reacción, en la que la mezcla de gases de combustión y
material de partida entra en reacción para producir negro de
carbón, comprendiendo además el reactor un aparato destinado a
introducir una corriente de fluido en la segunda o tercera etapa del
reactor después del punto de inyección del material de partida.
Una ventaja de la presente invención es que el
procedimiento de introducción de la corriente de fluido reducirá al
mínimo el desgaste del forro refractario generalmente asociado a la
introducción de corrientes de fluido secundarias en un reactor.
Una ventaja adicional de la presente invención es
que el procedimiento para producir negros de carbón de la presente
invención puede utilizarse para producir negros de carbón que
tienen una estructura aumentada, tal y como reflejan los índices de
absorción de DBP aumentados, para un área superficial dada.
Otras ventajas de la presente invención
resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción más
detallada de la invención.
La Figura 1 representa una vista en sección
transversal de una porción de un reactor modular de negro de carbón
de horno que ilustra algunos aspectos de la presente invención.
Las Figuras 2a y 2b representan formas de
realización de un aparato de la presente invención para introducir
una corriente de fluido en un reactor de negro de carbón.
La Figura 3 es una vista en sección transversal
de una porción del reactor modular de negro de carbón de horno que
se ha utilizado en los Ejemplos descritos más adelante.
La presente invención proporciona procedimientos
para revestir una corriente de gases en un reactor, comprendiendo
los procedimientos introducir una corriente de fluido alrededor de
la periferia externa de la corriente de gases. En un procedimiento
de producción de negro de carbón, la corriente de fluido se
introduce alrededor de la periferia externa de la corriente de
efluente. La corriente de fluido se introduce en una dirección
axial, haciendo referencia la dirección axial a una dirección
sustancialmente paralela a la dirección de conjunto de flujo de la
corriente de gases. La corriente de fluido puede introducirse en
una dirección paralela a la dirección de flujo de la corriente de
gases o introducirse en una dirección contracorriente. Con
preferencia, la corriente de fluido se introduce en una dirección
paralela.
La presente invención proporciona también
procedimientos para producir negro de carbón que comprenden
introducir una corriente de fluido en una corriente de tratamiento
de gases para revestir la corriente de tratamiento de gases.
El procedimiento comprende además introducir la
corriente de fluido en una dirección axial, haciendo referencia la
dirección axial a una dirección sustancialmente paralela a la
dirección de conjunto de flujo de una corriente de gases de
combustión/efluente en el reactor. El fluido puede introducirse con
o sin turbulencias y en paralelo o contracorrien-
te.
te.
En un procedimiento de la presente invención, la
corriente de fluido introducida es preferentemente una corriente de
gases que comprende al menos uno de los siguientes componentes: un
oxidante, nitrógeno, hidrógeno, un material hidrocarbonado o
mezclas de los mismos. Un "oxidante", según se usa en este
documento, se refiere a una composición que comprende oxígeno tal
como aire atmosférico, aire enriquecido de oxígeno, productos de
combustión de combustibles de hidrocarburo y aire y/u oxígeno, o
mezclas de estas corrientes. Un "material hidrocarbonado",
según se usa en este documento, se refiere a una composición que
comprende un hidrocarburo tal como un combustible de hidrocarburo,
una corriente de gases que incluye un combustible de hidrocarburo
quemado de forma incompleta, tal como la corriente de gases de
combustión procedente del proceso de producción de negro de carbón,
o mezclas de estas corrientes.
La presente invención proporciona igualmente un
aparato para realizar en la práctica el procedimiento de la
presente invención e introducir una corriente de fluido de manera
axial. Un aparato de la presente invención comprende: un recipiente
hueco, preferentemente un anillo hueco, un orificio de entrada u
orificios de entrada para introducir una corriente de fluido en el
interior del recipiente y al menos un orificio de salida para
permitir que la corriente de fluido salga del recipiente. El
orificio de salida puede comprender un espacio anular o una
pluralidad de espacios anulares. El orificio de salida también
puede comprender un chorro o una pluralidad de chorros.
El orificio de entrada puede estar dispuesto
radialmente o en una dirección axial sustancialmente paralela a la
dirección axial del orificio de salida para producir una corriente
de salida sin turbulencias significativas. Como variante, el
orificio de entrada puede estar dispuesto en una dirección
tangencial a la dirección axial del orificio de salida para
producir una corriente de salida con turbulencias. Más adelante se
exponen detalles complementarios en relación con el procedimiento y
el aparato para introducir una corriente de fluido en un reactor de
negro de carbón, en referencia a los procedimientos y aparato de la
presente invención para producir negros de carbón.
De acuerdo con una forma de realización de un
procedimiento de la presente invención, una corriente de fluido que
comprende un oxidante, nitrógeno, hidrógeno, un material
hidrocarbonado, o mezclas de los mismos, se introduce en el
efluente que circula a través de un reactor de negro de carbón en
una dirección axial. En una forma de realización, la corriente de
fluido comprende aire atmosférico enriquecido o no de oxígeno. En
otra forma de realización, la corriente de fluido comprende una
corriente de gas industrial que comprende hidrocarburos, hidrógeno,
monóxido de carbono, dióxido de carbono y/o vapor de agua. Un
ejemplo de una corriente de gas industrial es gas de cola
procedente de un proceso de producción de negro de carbón.
En un aspecto, un procedimiento de la presente
invención para producir negro de carbón comprende:
a) hacer reaccionar un oxidante, combustible
primario y material de partida de negro de carbón en un reactor para
formar un efluente compuesto de negro de carbón y gases de
combustión;
b) inyectar una corriente de fluido en el
efluente en una dirección axial a la dirección del flujo del
efluente a través del reactor;
c) hacer pasar el efluente resultante a través
del reactor; y
d) enfriar, separar y recuperar el producto de
negro de carbón,
comprendiendo la corriente de
fluido un oxidante, nitrógeno, hidrógeno, un material
hidrocarbonado, o mezclas de los mismos. Preferentemente, la
introducción de la corriente de fluido produce como resultado negros
de carbón que tienen una estructura aumentada, tal y como reflejado
por un índice de absorción de DBP aumentado, para un área
superficial de índice de yodo (I_{2}No) dada, en comparación con
negros de carbón producidos utilizando condiciones de tratamiento
similares en ausencia de introducción de la corriente de
fluido.
El procedimiento de la presente invención se
realiza en un reactor de negro de carbón de tipo modular según la
reivindicación 1, que incluye al menos tres etapas. En referencia a
este tipo de reactor, una forma de realización de procedimiento de
la presente invención para producir negros de carbón comprende:
generar una corriente de gases de combustión en
una primera etapa de un reactor, que tiene una velocidad suficiente
para circular a través de etapas subsiguientes del reactor y una
temperatura suficiente para someter a pirólisis un material de
partida que desprende negro de carbón;
inyectar un material de partida que desprende
negro de carbón en el gas de combustión en una segunda etapa del
reactor para producir un efluente compuesto de negro de carbón y
gases de combustión;
introducir una corriente de fluido en una
dirección axial al flujo del efluente después de la inyección de
material de partida que desprende negro de carbón, haciéndose pasar
el efluente resultante a través de la tercera etapa del reactor;
y
enfriar, separar y recuperar el producto de negro
de carbón.
La corriente de fluido puede comprender un
oxidante, nitrógeno, hidrógeno, un material hidrocarbonado, o
mezclas de los mismos. Preferentemente, la introducción de la
corriente de fluido produce como resultado negros de carbón que
tienen una estructura aumentada, tal y como reflejado por un índice
de absorción de DBP aumentado, para un área superficial de índice
de yodo (I_{2}No) dada, en comparación con los negros de carbón
producidos utilizando condiciones de tratamiento similares en
ausencia de introducción de la corriente de fluido.
En un reactor "por etapas" o "modular",
se hace reaccionar un combustible líquido o gaseoso con un
oxidante, preferentemente aire, en una primera etapa, para formar
gases de combustión calientes. Esta etapa se ha denominado la etapa
de "quemador", la etapa de combustión y/o la zona de
combustión del reactor.
Los gases de combustión calientes pasan, desde la
primera etapa, aguas abajo en etapas de reactor adicionales. Las
etapas de reactor adicionales incluyen al menos una etapa de
inyección de material de partida y una etapa de reacción. La etapa
de inyección de material de partida está ubicada entre la primera
etapa (o de combustión) y la etapa de reacción, y comprende un
estrangulador, o zona de diámetro restringido, cuya sección
transversal es más pequeña que la etapa de combustión o la etapa de
reacción. La zona de diámetro restringido también es conocida como
zona de transición por los expertos en la materia.
En la producción de negros de carbón, se inyecta
un material de partida hidrocarbonado en uno o más puntos en el
trayecto de la corriente de gases de combustión calientes en la
etapa de inyección de material de partida. El material de partida
puede inyectarse en el trayecto de los gases de combustión calientes
aguas arriba de, aguas abajo de y/o en la zona de diámetro
restringido. El material de partida hidrocarbonado puede ser
líquido, gas o vapor, y puede ser el mismo o diferente del
combustible utilizado para formar la corriente de gases de
combustión. Por lo general, el material de partida hidrocarbonado
es un aceite mineral o gas natural. Sin embargo, en la técnica se
conocen otros materiales de partida hidrocarbonados tales como
acetileno.
Siguiendo el punto de introducción de material de
partida, el material de partida se mezcla, se pulveriza y vaporiza
en la corriente de gases de combustión. La mezcla de gases de
combustión y material de partida vaporizado entra entonces en una
etapa del reactor denominada en este documento etapa de reacción.
Aunque la pirólisis comienza con la inyección del material de
partida en la corriente de gases de combustión, la conversión de
material de partida de hidrocarburo vaporizado en partículas
primarias y agregados de negro de carbón continúa en la etapa de
reacción. El período de estancia en la zona de reacción del reactor
del material de partida, los gases de combustión y los negros de
carbón es suficiente para permitir la formación de negros de carbón.
La mezcla de gases de combustión y negros de carbón en la zona de
reacción del reactor se denomina en lo sucesivo, a lo largo de todo
el documento de solicitud, efluente. Tras formarse negros de carbón
que tienen las propiedades deseadas, se desciende la temperatura del
efluente para detener las reacciones principales. Este descenso de
temperatura del efluente para detener las reacciones principales
puede lograrse de cualquier forma conocida, tal como por inyección
de un fluido de enfriamiento, mediante un dispositivo de
enfriamiento, en el efluente. Como es generalmente conocido por el
experto en la materia, las reacciones principales se detienen
cuando se han producido en el reactor los negros de carbón
deseados, según se determina por muestreo del negro de carbón y
ensayo respecto a propiedades analíticas. Después de haberse
detenido las reacciones y de haberse enfriado suficientemente el
efluente por cualquier medio conocido, generalmente se hace pasar
el efluente a través de un filtro de bolsa u otro sistema de
separación para recoger el negro de carbón.
En los dos tipos de procedimientos y reactores
descritos anteriormente, y en otros reactores y procedimientos
generalmente conocidos, los gases de combustión calientes están a
una temperatura suficiente para efectuar la pirólisis del material
de partida hidrocarbonado inyectado en la corriente de gases de
combustión. La temperatura de la corriente de gases de combustión
previa a la inyección de material de partida que desprende negro de
carbón es generalmente al menos 1315ºC (2400ºF). Tras la inyección
del material de partida que desprende negro de carbón, la
temperatura de la corriente de tratamiento aumentará y puede
alcanzar 1648ºC (3000ºF) o superior. A la vista de estas
temperaturas y del calor generado por el proceso de producción de
negro de carbón, los reactores destinados a producir negro de
carbón pueden incluir forros fabricados de materiales refractarios
capaces de soportar las altas temperaturas.
El procedimiento de la presente invención
destinado a producir negros de carbón incluye medios para revestir
la corriente de efluente a medida que pasa a través de al menos una
sección del reactor. A modo de ejemplo, en referencia a un reactor
modular de negro de carbón, un procedimiento de la presente
invención puede comprender:
generar una corriente de gases de combustión en
una primera etapa de un reactor, que tiene una velocidad suficiente
para circular a través de etapas subsiguientes del reactor y una
temperatura suficiente para someter a pirólisis un material de
partida que desprende negro de carbón;
inyectar un material de partida que desprende
negro de carbón en la corriente de gases de combustión en una
segunda etapa del reactor para producir un efluente compuesto de
negro de carbón y gases de combustión;
revestir la corriente de efluente a medida que la
corriente de efluente sale de la segunda etapa del reactor, pasando
la corriente de efluente revestida a través de la tercera etapa del
reactor; y
enfriar, separar y recuperar el producto de negro
de carbón.
La etapa de revestir la corriente de efluente
desviará preferentemente la corriente de efluente de las paredes de
la tercera etapa del reactor, al menos en el punto de revestimiento
inicial. Los medios para revestir la corriente de efluente pueden
comprender introducir una corriente de fluido en una dirección
axial al flujo del efluente para rodear la corriente de efluente
saliente de la segunda etapa del reactor.
En la Figura 1 se representa una vista en sección
transversal de un tipo de reactor en el que pueden realizarse en la
práctica algunos aspectos del procedimiento de la presente
invención. Como se comprenderá, el procedimiento de la presente
invención no requiere modificación alguna del reactor de negro de
carbón, aparte de la provisión de un medio para inyectar la
corriente que contiene oxidante y, por lo tanto, puede ser realizado
en la práctica en otros tipos de reactores de negro de carbón,
tales como los tipos tratados en general en la sección
Antecedentes.
El aparato modular para producir negro de carbón
de la presente invención comprende:
una zona de combustión que tiene un extremo aguas
arriba y un extremo aguas abajo y al menos un orificio para
permitir la introducción de un combustible y un oxidante;
una zona de diámetro convergente que tiene un
extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo y que converge desde
el extremo aguas arriba hacia el extremo aguas abajo, estando el
extremo aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la
zona de combustión;
una zona de transición que tiene un extremo aguas
arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas arriba
conectado con el extremo aguas abajo de la zona de diámetro
convergente, incluyendo la transición al menos un orificio para
permitir la introducción de un material de partida;
un aparato para introducir una corriente de
fluido en el reactor en una dirección axial al flujo de una
corriente de tratamiento en el reactor, teniendo el aparato un
extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo
aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de
transición;
una zona de reacción que comienza con una zona de
diámetro ensanchado y que tiene un extremo aguas arriba y un extremo
aguas abajo, estando el extremo aguas arriba conectado con el
extremo aguas abajo de la zona o zonas de transición;
una zona de enfriamiento que tiene un extremo
aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas
arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de reacción,
incluyendo la zona de enfriamiento al menos un orificio para
permitir la introducción de un fluido de enfriamiento; y
aparato para separar y recoger negro de carbón
conectado con el extremo aguas abajo de la zona o zonas de
enfriamiento.
El aparato destinado a introducir una corriente
de fluido en el reactor en una dirección axial puede comprender un
recipiente hueco, al menos un orificio de entrada, preferentemente
una pluralidad de orificios de entrada, para introducir una
corriente de fluido en el interior del recipiente, y un orificio de
salida para permitir que la corriente de fluido salga del
recipiente. El orificio de salida puede comprender un espacio
anular, una pluralidad de espacios anulares, un chorro o una
pluralidad de chorros. El o los orificios de salida del recipiente
hueco pueden estar dispuestos radialmente o en una dirección axial
sustancialmente paralela a la dirección axial del orificio de salida
para producir una corriente de fluido de salida sin turbulencias
significativas. Como variante, el o los orificios de salida del
recipiente hueco pueden estar dispuestos en una dirección tangencial
a la dirección axial del orificio de salida para producir una
corriente de fluido de salida con turbulencias.
La Figura 1 representa, en vista en sección
transversal, un reactor de negro de carbón de horno, modular,
también denominado "por etapas", del tipo generalmente
desvelado en la patente estadounidense Nº 3.922.335. La Figura 1
ilustra un reactor de negro de carbón de horno 2, que tiene una
primera etapa 10 que tiene una zona de diámetro convergente 11; una
segunda etapa 12; Y una tercera etapa de reactor 18. El material de
partida 30 se inyecta en puntos de inyección de material de partida
32 en la segunda etapa 12 del reactor. El dispositivo de
enfriamiento 40 está ubicado en el punto 42 en la tercera etapa de
reactor 18 para introducir un fluido de enfriamiento 50 en el
reactor.
Un aparato de la presente invención destinado a
introducir una corriente de fluido 70 está ubicado aguas abajo del
punto de inyección de material de partida en el punto 72. El
aparato 70 incluye orificios de entrada 71 y un espacio anular de
salida 73 para introducir una corriente de fluido en una dirección
axial en la tercera etapa de reactor 18. En la forma de realización
representada, orificios de entrada 71 están dispuestos
sustancialmente paralelos al espacio anular de salida 73 para
introducir la corriente de fluido en el reactor sin
turbulencias.
Las Figuras 2a y 2b representan formas de
realización de un aparato de la presente invención destinado a
introducir una corriente de fluido en el reactor. La Figura 2a
representa una vista desde un extremo de una forma de realización
de un aparato 70 de la presente invención destinado a introducir una
corriente de fluido en el reactor. La vista mostrada es el extremo
que incluye un espacio anular de salida 73. En la forma de
realización mostrada en la Figura 2, orificios de entrada 71 están
dispuestos tangencialmente al espacio anular 73. Como resultado, el
espacio anular introducirá la corriente de fluido en el reactor con
turbulencias.
La Figura 2b representa una vista desde un
extremo de una forma de realización alternativa de un aparato 70 de
la presente invención para introducir una corriente de fluido en el
reactor. La vista mostrada es el extremo que incluye una pluralidad
de chorros de salida 72. En la forma de realización mostrada en la
Figura 2, orificios de entrada 71 están dispuestos tangencialmente
a los chorros de salida 72. Como resultado, los chorros de salida
introducirán la corriente de fluido en el reactor con turbulencias.
Asimismo, o como variante, las aberturas de salida para los chorros
de salida 72 pueden estar configuradas para transmitir turbulencia
a la corriente de fluido.
La Figura 3 representa una forma de realización
de un reactor de negro de carbón modular para realizar en la
práctica un procedimiento de la presente invención. La
configuración del reactor representada en la Figura 3 se ha
utilizado en los ejemplos que siguen.
En referencia a la Figura 3, un reactor de negro
de carbón 3 tiene una primera etapa 10, que tiene una zona de
diámetro convergente 11 que incluye una sección escalonada; una
segunda etapa, de inyección de material de partida 12; y una tercera
etapa, de reactor 18. El material de partida 30 es inyectado en
puntos de inyección de material de partida 32 en la segunda etapa
12 del reactor. El dispositivo de enfriamiento 40 está ubicado en
el punto 42 en la tercera etapa de reactor 18 para introducir un
fluido de enfriamiento 50 en el reactor.
El diámetro de la primera etapa, de combustión 10
hasta el punto en el que empieza la zona de diámetro convergente 11
se muestra como D-1; el diámetro en la etapa en la
zona 11 se muestra como D-2, y el diámetro de la
zona 12, como D-3. La longitud de la zona de
combustión de la primera etapa 10, hasta el punto en el que empieza
la zona de diámetro convergente 11 se muestra como
L-1; la longitud de la zona de diámetro convergente
hasta la etapa se muestra como L-2, y desde la etapa
hasta el comienzo de la zona de inyección de material de partida,
como L-3. La longitud total de la zona de inyección
de material de partida se muestra como L-4. La
distancia entre el extremo de la zona 11 y el punto de inyección de
material de partida 32 se representa como F.
El reactor 3 incluye un aparato de la presente
invención destinado a introducir una corriente de fluido 70 ubicada
aguas abajo del punto de inyección de material de partida en el
punto 72. El aparato 70 incluye orificios de entrada 71 y un espacio
anular de salida 73, como se representa en la Figura 2a, para
introducir una corriente de fluido en una dirección axial en la
tercera etapa de reactor 18. En la forma de realización
representada, orificios de entrada 71 están dispuestos radialmente
al espacio anular 73 para introducir la corriente de fluido en el
reactor sin turbulencias. Las dimensiones del aparato 70 se
muestran como L-5 y L-6.
En el reactor representado en la Figura 3, la
entrada a la tercera etapa de reactor 18 incluye una zona de
diámetro de ensanchamiento 19, seguida por una zona escalonada 20,
una zona de diámetro creciente 21 y después una primera zona de
diámetro uniforme 22. Después de una sección en ángulo del reactor
existe una segunda zona de diámetro uniforme 24.
D-4 representa el diámetro
interno del espacio anular 73 utilizado en la introducción de la
corriente de fluido en el reactor. D-5 representa el
diámetro externo del espacio anular 73. El diámetro de la zona 19
en su punto más ancho se muestra como D-6 y la
longitud de la zona 19, como L-7. El diámetro de la
zona 21 en su punto más estrecho se muestra como
D-7 y la longitud de la zona 21, como
L-8. El diámetro de la zona 22 se muestra como
D-8 y la longitud de la zona 22 como
L-9.
La longitud de la zona 23 se muestra como
L-10. La caída en la parte superior del reactor
entre la zona 22 y la zona 24 se muestra como H-1 y
la caída en el fondo del reactor entre la zona 22 y la zona 24 se
muestra como H-2. El diámetro de la zona 24 se
muestra como D-9.
La distancia desde el principio de la tercera
etapa de reactor 18 al punto 42 en el que está ubicado el
dispositivo de enfriamiento se muestra como Q.
En referencia a la Figura 1 o a la Figura 3, para
producir negros de carbón, se generan gases de combustión calientes
en la zona de combustión 10 poniendo en contacto un combustible
líquido o gaseoso con una corriente de oxidante utilizable tal como
aire, oxígeno, mezclas de aire y oxígeno o similares. Entre los
combustibles utilizables para uso en la puesta en contacto con la
corriente de oxidante en la zona de combustión 10, para generar los
gases de combustión calientes, se incluye cualquiera de las
corrientes de gas, vapor o líquido fácilmente combustibles tales
como gas natural, hidrógeno, monóxido de carbono, metano,
acetileno, alcoholes o queroseno. Generalmente se prefiere, no
obstante, utilizar combustibles que tienen alto contenido de
componentes que contienen carbono y, en particular, hidrocarburos.
La proporción de aire a carburante varía con el tipo de combustible
utilizado. Cuando se utiliza gas natural para producir los negros de
carbón de la presente invención, la proporción de aire a
combustible puede ser de aproximadamente 10:1 a aproximadamente
100:1. Para facilitar la generación de gases de combustión
calientes, puede precalentarse la corriente de oxidante.
La corriente de gases de combustión calientes
circula aguas abajo desde las zonas 10 y 11 a las zonas 12 y
después 18. La dirección del flujo de gases de combustión calientes
es mostrada por la flecha en la Figura 1 ó 3. El material de partida
que desprende negro de carbón 30 se introduce en el punto 32. La
distancia desde el extremo de la zona de diámetro convergente 11
aguas abajo hasta el punto 32 se muestra como F. En los ejemplos
descritos en este documento, se inyectó material de partida que
desprende negro de carbón 30 a través de una pluralidad de chorros
que penetran en las regiones internas de la corriente de gases de
combustión calientes, para asegurar una elevada velocidad de
mezclado y cizallamiento de los gases de combustión calientes y del
material de partida que desprende negro de carbón, de forma que se
descomponga rápida y completamente y el material de partida se
convierta en partículas y agregados de negro de carbón.
Son utilizables, para el uso en este documento
como materiales de partida, hidrocarburos que desprenden negro de
carbón que son fácilmente volatilizables bajo las condiciones en el
reactor, los hidrocarburos insaturados tales como acetileno;
olefinas tales como etileno, propileno, butileno; aromáticos tales
como benceno, tolueno y xileno; ciertos hidrocarburos saturados; e
hidrocarburos volatilizados tales como querosenos, naftalenos,
terpenos, alquitranes etilénicos, materiales de ciclo aromático y
similares.
La mezcla de material de partida que desprende
negro de carbón y gases de combustión calientes circula aguas abajo
a través de la zona 12 en la zona de reactor de negro de carbón 18.
Una corriente de fluido, que comprende un oxidante, nitrógeno,
hidrógeno, un material hidrocarbonado, o una mezcla de los mismos se
introduce en la corriente de reacción en una dirección axial a
través del aparato 70 y el espacio anular 73 en la entrada de la
etapa de reactor 18. La corriente de fluido se introduce a una
presión suficiente para que penetre en la región interna de la etapa
de reactor 18.
El dispositivo de enfriamiento 40, ubicado en el
punto 42, que inyecta fluido de enfriamiento 50, se utiliza para
detener las reacciones en el efluente. De acuerdo con el
procedimiento de la presente invención, el dispositivo de
enfriamiento 40 está ubicado en una posición 42 que permite que se
produzcan reacciones en el efluente hasta que se formen negros de
carbón que tienen las propiedades deseadas. Q es la distancia desde
el principio de la zona 18 hasta el punto de enfriamiento 42, y
variará según la posición del dispositivo de enfriamiento.
Después de enfriarse la mezcla de gases de
combustión calientes y material de partida que desprende negro de
carbón, los gases enfriados pasan aguas abajo a cualesquiera
dispositivos convencionales de enfriamiento y separación por los
que se recuperen los negros de carbón. La separación del negro de
carbón respecto de la corriente de gases se logra fácilmente por
medios convencionales tales como un dispositivo precipitador, un
ciclón o un filtro de bolsa. Esto puede estar seguido, pero no
necesariamente, por algún medio de densificación, tal como
peletización y secado.
Las características y ventajas de la presente
invención están ilustradas adicionalmente por los siguientes
ejemplos.
Los siguientes procedimientos de ensayo se usan
en la determinación y evaluación de las propiedades analíticas de
los negros de carbón producidos en los ejemplos. El índice de yodo
(I_{2}No) de los negros de carbón se ha determinado según el
Procedimiento de ensayo ASTM D510. El DBP (índice de absorción de
ftalato dibutílico) de las pastillas de negro de carbón se ha
determinado según el procedimiento expuesto en ASTM
D3493-86.
Se han realizado experimentos en un proceso de
producción de negro de carbón en un reactor sustancialmente tal y
como descrito en este documento y como se representa en la Figura
3, con la geometría expuesta más adelante. En todos los ejemplos, el
combustible primario para la reacción de combustión ha sido gas
natural suministrado al proceso de formación de negro de carbón a
una temperatura ambiente de aproximadamente 298 K (77ºF). Los
materiales de partida líquidos utilizados en todos los ejemplos eran
mezclas de hidrocarburos disponibles en el mercado.
En cada ejemplo, se ha introducido sin
turbulencia a través del aparato 70 y el espacio anular 73 una
corriente de fluido que comprende aire de combustión. La geometría
del reactor y las condiciones de operación eran como sigue:
| Ejemplo | 1 | 2 |
| D-1, cm | 19,0 | 19,0 |
| D-2, cm | 14,0 | 14,0 |
| D-3, cm | 10,9 | 10,9 |
| D-4, cm | 15,2 | 15,2 |
| D-5, cm | 18,7 | 18,7 |
| D-6, cm | 33,3 | 33,3 |
| D-7, cm | 76,2 | 76,2 |
| D-8, cm | 91,4 | 91,4 |
| D-9, cm | 68,6 | 68,6 |
| L-1, cm | 61,0 | 61,0 |
| L-2, cm | 30,5 | 30,5 |
| L-3, cm | 14,0 | 14,0 |
(Continuación)
| Ejemplo | 1 | 2 |
| L-4, cm | 27,6 | 27,6 |
| L-5, cm | 1,9 | 1,9 |
| L-6, cm | 5,0 | 5,0 |
| L-7, cm | 7,6 | 7,6 |
| L-8, cm | 7,6 | 7,6 |
| L-9, cm | 621,0 | 621,0 |
| L-10, cm | 61,0 | 61,0 |
| H-1, cm | 34,3 | 34,3 |
| H-2, cm | 11,4 | 11,4 |
| F, cm | 2,5 | 2,5 |
| Q, m | 10,7 | 10,7 |
| Punto 32, Nº boquillas y tamaño, mm | 6 x 1,32 | 6 x 1,78 |
| Velocidad mater. partida, kg/h | 677 | 728 |
| Temperat. mater. partida, ºC | 176 | 179 |
| Adición K+, ppm de mater. partida | 8 | 8 |
| Aire total, nm^{3}h | 1870 | 1879 |
| Aire de combinac. primario, nm^{3}h | 1832 | 1315 |
| Aire de combinac. primario, Temp.ºC | 402 | 402 |
| Gas natural primario, nm^{3}h | 76 | 54 |
| Gas natur. primario, Temp.ºC | 15 | 15 |
| Proporción de quemado aire/gas | 9,85 | 9,85 |
| Inyección de fluido nm^{3}h | 38 | 564 |
| Relación equivalencia de quemador | 0,40 | 0,40 |
| Proporción equivalencia total | 4,00 | 4,18 |
| % Aire axial | 2 | 30 |
| Propiedades negro de carbón | ||
| I_{2}No, m^{2}/g | 30,1 | 30,0 |
| DBP, cc/100 g | 68 | 74,6 |
Los ejemplos 1 - 2 ilustran el efecto de la
adición de corriente de fluido sobre la estructura de los negros de
carbón producidos por el procedimiento, tal y como reflejado por el
DBP de los negros de carbón. Como se muestra en el Ejemplo 2, el
incremento de la velocidad de adición de fluido en la etapa de
reactor 18 da como resultado un negro de carbón que tiene un DBP
aproximadamente 10% mayor en comparación con el Ejemplo 1.
Evidentemente, se comprenderá que las formas de
la presente invención descritas en este documento son sólo
ilustrativas y no están destinadas a limitar el alcance de la
invención. La presente invención incluye todas las modificaciones
que entren dentro del alcance de la descripción precedente y de las
siguientes reivindicaciones.
Claims (9)
1. Un aparato modular para producir negro de
carbón que comprende:
una zona de combustión (10) que tiene un extremo
aguas arriba y un extremo aguas abajo y al menos un orificio para
permitir la introducción de un combustible y un oxidante;
una zona de diámetro convergente (11) que tiene
un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo y que converge
desde el extremo aguas arriba hacia el extremo aguas abajo, estando
el extremo aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la
zona de combustión (10);
una zona de transición (12) que tiene un extremo
aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas
arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de diámetro
convergente (11), incluyendo la transición al menos un orificio para
permitir la introducción de un material de partida;
un aparato (70) para introducir una corriente de
fluido en el reactor en una dirección axial al flujo de una
corriente de tratamiento en el reactor, teniendo el aparato (70) un
extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo
aguas arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de
transición (12);
una zona de reacción (18) que comienza con una
zona de diámetro de ensanchamiento (19) y que tiene un extremo aguas
arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas arriba
conectado con el extremo aguas abajo de la zona o zonas de
transición;
una zona de enfriamiento que tiene un extremo
aguas arriba y un extremo aguas abajo, estando el extremo aguas
arriba conectado con el extremo aguas abajo de la zona de reacción,
incluyendo la zona de enfriamiento al menos un orificio (40) para
permitir la introducción de un fluido de enfriamiento (50); y
aparato para separar y recoger negro de carbón
conectado con el extremo aguas abajo de la zona o zonas de
enfriamiento.
2. El aparato modular para producir negro de
carbón según la reivindicación 1, en el que el aparato (70)
destinado a introducir una corriente de fluido en el reactor en una
dirección axial comprende un recipiente hueco; al menos un orificio
de entrada (71) para introducir una corriente de fluido en el
interior del recipiente y un orificio de salida (73, 72) para
permitir que la corriente de fluido salga del recipiente.
3. El aparato según la reivindicación 2, en el
que el orificio de salida comprende un espacio anular.
4. El aparato según la reivindicación 2 o la
reivindicación 3, en el que el orificio de entrada del recipiente
hueco está dispuesto radialmente al orificio de salida para
producir una corriente de fluido de salida sin turbulencias
significativas.
5. Un procedimiento para producir negro de carbón
usando el aparato según la reivindicación 1, que comprende generar
una corriente de gases de combustión en una primera etapa de un
reactor, que tiene una velocidad suficiente para circular a través
de etapas subsiguientes del reactor y una temperatura suficiente
para someter a pirólisis un material de partida que desprende negro
de carbón;
inyectar un material de partida que desprende
negro de carbón en los gases de combustión en una segunda etapa del
reactor para producir una corriente de efluente compuesta de negro
de carbón y gases de combustión;
introducir una corriente de fluido para revestir
la corriente de efluente, en una dirección axial al flujo de la
corriente de efluente después de la inyección de material de
partida que desprende negro de carbón, haciéndose pasar la corriente
efluente revestida resultante a través de al menos una porción de
una tercera etapa del reactor; y
enfriar, separar y recuperar el producto de negro
de carbón.
6. El procedimiento según la reivindicación 5, en
el que la corriente de fluido es introducida de manera que revista
la corriente de efluente entrante en la tercera etapa del
reactor.
7. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de fluido es
introducida con turbulencias.
8. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de fluido
comprende una corriente de gases que incluye al menos uno de los
siguientes componentes: un oxidante, nitrógeno, hidrógeno, un
material hidrocarbonado o mezclas de los mismos.
9. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de fluido
comprende gas de cola.
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