PL109636B1 - Method of obtaining carbon black - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywa¬ nia sadzy.

Wynalazek moze byc z powodzeniem stosowany dó otrzymywania aktywnych sadz piecowych sto¬ sowanych jako wypelniacze do mieszanek polime¬ rów.

Znany jest sposób otrzymywania sadzy polega¬ jacy na termicznym rozkladzie surowca weglowo¬ dorowego w strumieniu produktów calkowitego spalania paliwa w powietrzu przy temperaturze 1380—1400°C, hartowaniu otrzymanej gazowej za¬ wiesiny sadzy woda, do temperatury 650—750°C i jej nastepnym studzeniu do temperatury 580—440°C przez wymiane ciepla z powietrzem do¬ prowadzanym dla spalania paliwa. Przy tym po¬ wietrze przepuszcza sie wspólpradowo z gazowa zawiesina sadzy i nagrzewa do temperatury 310—400°C.

Wada znanego sposobu jest niewystarczajaco wysoka temperatura podgrzanego powietrza dopro¬ wadzanego dla spalania paliwa i w zwiazku z tym nieznaczna jest ilosc doprowadzanej do reaktora fizycznej energii cieplnej. W zwiazku z tym wy¬ stepuje zwiekszone zuzycie paliwa lub mala jest ilosc sadzy otrzymywanej z surowca. Tym samym duze jest zuzycie energii potrzebnej do produkcji sadzy i mala jest wydajnosc procesu.

Znany jest równiez sposób otrzymywania sadzy polegajacy na rozkladzie surowca weglowodorowe¬ go w strumieniu produktów spalania paliwa w po¬ wietrzu, hartowaniu gazowej zawiesiny sadzy do temperatury 650—750°C i jej nastepnym studzeniu przez wymiane ciepla z powietrzem doprowadza¬ nym dla spalania paliwa. Studzenie prowadzi sie 5 do temperatury 550—400°C, przy czym powietrze nagrzewa sie do temperatury 300—350°C. Przy sto¬ sowaniu tego sposobu gazowa zawiesina sadzy przeplywa w przeciwpradzie z powietrzem.

Wada wspomnianego sposobu otrzymywania sa- io dzy sa jej slabe wlasciwosci wzmacniajace w mie¬ szankach polimerów oraz duze zuzycie energii po¬ trzebnej do otrzymywania sadzy, spowodowane zbyt wielka temperatura, do której podgrzewane jest powietrze. 15 Slabe wlasciwosci wzmacniajace tlumaczy sie tym, ze przy studzeniu przeoiwpradowym w po¬ czatkowym, w odniesieniu do kierunku przeplywu gazowej zawiesiny sadzy, odcinku wymiennika ciepla, wystepuje mala róznica temperatur pomie- 20 dzy gazowa zawiesina sadzy a powietrzem i w zwiazku z czym mala jest szybkosc studzenia ga¬ zowej zawiesiny sadzy.

Przy temperaturze gazowej zawiesiny sadzy po¬ wyzej 600°C po hartowaniu, jeszcze zachodza reak- 23 cje powierzchni czastek sadzy z gazowymi produk¬ tami reakcji i przemiany termiczne tych czastek.

Przy malej szybkosci studzenia, w wyniku zacho¬ dzenia wspomnianych procesów sadza wykazuje mala aktywnosc powierzchniowa i slabe wlasciwo- 30 sci wzmacniajace w mieszankach polimerów. 109 636109 636 3 Wada znanego sposobu jest równiez mala trwa¬ losc konstrukcji wymiennika ciepla do studzenia gazowej zawiesiny sadzy, co zwiazane jest z wy¬ soka temperatura scian wymiennika ciepla na po¬ czatkowym, w odniesieniu do przeplywu zawiesiny, 5 jego odcinku.

Celem niniejszego wynalazku jest usuniecie wspomnianych wad i opracowanie sposobu popra¬ wienia wzmacniajacych wlasciwosci sadzy i zmniej¬ szenia zuzycia energii przy jej otrzymywaniu, io przez zmiane technologii studzenia gazowej za¬ wiesiny sadzyf) ; Ce/L tejV.osiagnieto] wedlug wynalazku w ten spo¬ sób, ze studzenie gazowej zawiesiny sadzy, prze¬ prowadza sie w dwóch etapach, przy czym w *5 pierwszym studzenie przeprowadza sie do tempe¬ ratury! 600^S5(toC *z szybkoscia 1000^000 stop¬ ni/sek, a w drugim do temperatury 500—400°C z szybkoscia 400—800 stopni/sek.

Stosowanie niniejszego sposobu otrzymywania sa- £3 dzy umozliwia poprawienie wzmacniajacych wlasci¬ wosci sadzy, wskutek czego poprawiaja sie para¬ metry wytrzymalosciowe i odpornosc na scieranie mieszanek gumowych i produktów wulkanizowa¬ nych, w których stosuje sie sadze w charakterze 25 napelniacza. Poza tym przy stosowaniu sposobu wedlug wynalazku zmniejsza sie zuzycie energii potrzebnej do otrzymania sadzy dzieki zwiekszeniu ilosci zawracanej do procesu fizycznej energii ciepl¬ nej gazowej zawiesiny sadzy, obnizeniu wzglednego 30 zuzycia paliwa i zwiekszeniu ilosci otrzymywanej sadzy. Wzrasta przy tym znacznie wydajnosc pro¬ cesu otrzymywania sadzy.

Dla zwiekszenia skutecznosci wymiany ciepla i obnizenia strat energii potrzebnej do otrzymy- 35 wania sadzy o silnych wlasciwosciach wzmacniaja¬ cych korzystne jest dokonywanie studzenia w pierwszym etapie przy przeplywie gazowej zawie¬ siny sadzy we wspólpradzie z powietrzem, a w dru¬ gim etapie w przeciwpradzie. 40 Sposób otrzymywania sadzy wedlug wynalazku jest ponizej opisany w przykladach wykonania w oparciu o rysunek przedstawiajacy technologicz¬ ny schemat procesu.

Zgodnie z rysunkiem, paliwo ze zródla nie po- 45 kazanego na rysunku, pod cisnieniem zgodnie ze strzalka A, a powietrze do spalania zgodnie ze strzalka B, doprowadza sie do palników 1 umiesz¬ czonych w komorze spalania 2 reaktora. Jako pa¬ liwo moga z powodzeniem byc stosowane rózne ro- so dzaje paliwa cieklego lub gazowego, na przyklad gaz ziemny, gazy petrochemicznej lub lekki olej gazowy.

Powstajacy strumien produktów calkowitego spa¬ lania paliwa doprowadza sie do komory reakcyjnej M 3 przylegajacej do komory spalania 2 i umieszczo¬ nej z nia wspólosiowo. Do strumienia produktów spalania paliwa wprowadza sie, zgodnie ze strzal¬ ka C, surowiec weglowodorowy. Surowiec dopro¬ wadza sie z nie pokazanego na rysunku zródla 60 i podgrzewa sie wstepnie w dowolnym urzadzeniu, nadajacym sie do tego celu. Jako surowiec mozna stosowac wysokoaromatyczne produkty przeróbki ropy naftowej, produkty destylacji smoly otrzy¬ manej z wegla kamiennego i ich mieszaniny. & W komorze reakcyjnej 3 pod dzialaniem ciepla produktów spalania paliwa surowiec rozklada sie z wydzieleniem sadzy. Otrzymana gazowa zawiesi¬ ne sadzy hartuje sie do temperatury 650—750°C w koncu komory reakcyjnej 3 przez wprowadzenie zgodnie ze strzalka D czynnika ochladzajacego, na przyklad wody. Gazowa zawiesine sadzy z reaktora doprowadza sie do plaszczowego wymiennika ciep¬ la 4 pierwszego etapu studzenia gazowej zawiesiny sadzy. Gazowa zawiesina sa"dzy przeplywa we¬ wnetrzna rura wymiennika ciepla 4, a do plaszcza doprowadza sie we wspólpradzie zgodnie ze strzal¬ ka E z nie pokazanego na rysunku zródla powietrza pod zwiekszonym cisnieniem. W wymienniku ciepla pierwszego etapu studzenia 4 gazowa zawiesina sadzy ochladza sie do temperatury 6&0—550°C z szybkoscia 1000—4000 stopni/sek. Nastepnie zawie¬ sine zgodnie ze strzalka F doprowadza sie do we¬ wnetrznej rury wymiennika ciepla drugiego etapu studzenia 5. Do plaszcza wymiennika ciepla 5 w przeciwpradzie zgodnie ze strzalka G doprowa¬ dza sie powietrze z wymiennika ciepla 4. W wy¬ mienniku ciepla 5 gazowa zawiesina sadzy ochla¬ dza sie do temperatury 500—400°C z predkoscia 400—800 stopni/sek. Podgrzane do temperatury 400—500°C powietrze z wymiennika ciepla 5 dopro¬ wadza sie zgodnie ze strzalka B do palników 1 reaktora w celu spalania gazu. Ostudzona gazo¬ wa zawiesine sadzy w wymienniku ciepla 5 dopro¬ wadza sie zgodnie ze strzalka H do urzadzen slu¬ zacych do oddzielenia sadzy od gazowych produk¬ tów reakcji i do jej dalszej obróbki.

Granica temperatury (660—550°C) w pierwszym etapie studzenia gazowej zawiesiny sadzy okreslona jest przez fakt, ze zaleznosci termiczne predkosci oddzialywania wzajemnego gazowych produktów reakcji i powierzchni czastek sadzy maja charakter wykladziny i, co ustalono doswiadczalnie, przy ob¬ nizeniu temperatury zawiesiny ponizej 600°C reak¬ cje te ulegaja wyraznemu zwolnieniu i juz nie wywieraja istotnego wplywu na wzmacniajace wlasciwosci sadzy.

Dobór dolnej granicy szybkosci studzenia gazo¬ wej zawiesiny sadzy (1000 stopni/sek) w pierwszym etapie studzenia opiera sie na tym, ze przy jej zmniejszaniu rosnie czas pozostawania sadzy w strefie wysokich temperatur, co powoduje ob¬ nizenie wzmacniajacych wlasciwosci sadzy i obni¬ zenie parametrów wytrzymalosciowych mieszanek polimerów.

Górna granica szybkosci studzenia 4000 stopni/sek tlumaczy sie tym, ze w celu osiagniecia wiekszej szybkosci studzenia nalezy zwiekszac predkosc przeplywu gazowej zawiesiny sadzy i powietrza przez wymiennik ciepla. Rosna przy tym opory hydrodynamiczne aparatury i w zwiazku z tym zwieksza sie zuzycie energii potrzebnej na spre¬ zanie powietrza.

Granice szybkosci studzenia 400—800 stopni/sek w drugim etapie studzenia gazowej zawiesiny sadzy dobrane sa eksperymentalnie ze wzgledu na obni¬ zenie zuzycia energii potrzebnej do otrzymywania sadzy.

Sposób otrzymywania sadzy wedlug wynalazku umozliwia znaczna poprawe wzmacniajacych wlas-109 636 6 10 15 ciwosci sadzy w mieszankach polimerów. Granica wytrzymalosci na rozerwanie gumy zawierajacej w charakterze napelniacza sadze otrzymana spo¬ sobem wedlug wynalazku podwyzsza sie o 3—8°/o.

Scieralnosc zmniejsza sie o 5—20%. * Stosowanie sposobu wedlug wynalazku umozli¬ wia zmniejszenie zuzycia energii w procesie otrzy¬ mywania sadzy. Dzieki wyzszej temperaturze pod¬ grzanego powietrza otrzymywanego przy studzeniu gazowej zawiesiny sadzy, 2—2,5 razy zwieksza sie w stosunku do znanego sposobu, ilosc fizycznej energii cieplnej zawracanej do procesu. W wyniku tego zmniejsza sie jednostkowe zuzycie paliwa i zwieksza sie wydajnosc procesu otrzymywania sadzy.

Studzenie gazowej zawiesiny sadzy dokonywane w dwóch etapach, z Jctórych pierwszy odbywa sie we ws^ólpradzie z przeplywem powietrza, umozli¬ wilo obnizenie temperatury sdan wymiennika ciep-. la. Dzieki temu zwieksza sie trwalosc konstrukcji wymiennika ciepla i czas jego pracy.

Dla lepszego zrozumienia niniejszego wynalazku przytoczono konkretne przyklady realizacji sposobu wedlug wynalazku. 25 Przyklad I. Do komory spalania reaktora po¬ dawane jest paliwo, takie jak mieszanka propano- wo-butanowa w ilosci 85 Nmtygodz. i powietrze do spalania paliwa. Do powstajacego przy spalaniu paliwa, strumienia produktów spalania, wprowadza afr sie rozpylony surowiec weglowodorowy o indeksie korelacji 120 w ilosci 800 kg/godz. wstepnie pod¬ grzany do temperatury 200°C. Surowiec weglo¬ wodorowy przy temperaturze 1450°C ulega roz¬ kladowi w strumieniu produktów spalania, w wy- 35 niku czego powstaje gazowa zawiesina sadzy, któ¬ ra sie hartuje do temperatury 650°C przez wtrys¬ kiwanie wody. Nastepnie gazowa zawiesine sadzy doprowadza sie do rury wewnetrznej wymiennika ciepla pierwszego etapu studzenia, natomiast do 40 plaszcza tego wymiennika ciepla doprowadza sie we wspólpradzie powietrze o temperaturze 20qC w ilosci 3280 Nm3/godz., przy czym Nm3 stanowi metr szescienny sprowadzony do warunków nor¬ malnych. « We wspomnianym wymienniku ciepla odbywa sie studzenie gazowej zawiesiny sadzy z szybkoscia 1000 stopni/sek. Za wymiennikiem ciepla tempera¬ tury zawiesiny i powietrza wynosza odpowiednio 600 i 210°C. Nastepnie gazowa zawiesine sadzy ^ i powietrze doprowadza sie w przeciwpradzie do wymiennika ciepla drugiego etapu studzenia i do¬ konuje studzenia gazowej zawiesiny sadzy z szyb¬ koscia 400 stopni/sek. Za wymiennikiem ciepla drugiego etapu studzenia, temperatury zawiesiny ^ i powietrza wynosza odpowiednio 500 i 410°C.

Powietrze nagrzane do temperatury 410°C do¬ prowadza sie do komory spalania dla spalania pa¬ liwa, a ostudzona gazowa zawiesine sadzy odpro¬ wadza sie do aparatury w celu oddzielenia sadzy «o od gazowych produktów reakcji i jej dalszej ob¬ róbki.

Ilosc fizycznej energii cieplnej zawracanej do procesu wraz z powietrzem do spalania paliwa wynosi 400 000 Kcal/godz, Jednostkowe zuzycie pa- « liwa wynosi 0,212 kg/kg surowca. Wydajnosc sadzy z surowca wynosi 50,5°/o wagowo.

Przyklad II. Do komory spalania reaktora doprowadza sie paliwo takie, jak mieszanka piropa- nowo-butanowa w ilosci 75 Nm3/godz. i powietrze do spalania paliwa. Do strumienia produktów cal¬ kowitego spalania paliwa wprowadza sie rozpylony surowiec weglowodorowy o indeksie korelacji 120 w ilosci 800 kg/godz. wstepnie podgrzany do tem¬ peratury 200°C. Surowiec ulega rozkladowi przy temperaturze 1450°C. Otrzymana gazowa zawiesine sadzy hartuje sie woda do temperatury 750°C i do¬ prowadza do wewnetrznej rury wymiennika ciepla pierwszego etapu studzenia, natomiast do plaszcza tego wymiennika ciepla doprowadza sie we wspól¬ pradzie, powietrze o temperaturze 20°C w ilosci 2900 Nm3/godz.

W wymienniku ciepla odbywa sie studzenie ga¬ zowej zawiesiny sadzy z szybkoscia 1500 stopni/sek.

Za wymiennikiem ciepla temperatury zawiesiny i powietrza wynosza odpowiednio 590 i 230°C.

Nastepnie gazowa zawiesine sadzy i powietrze do¬ prowadza sie w przeciwpradzie do wymiennika ciepla drugiego etapu studzenia i dokonuje studze¬ nia gazowej zawiesiny sadzy z szybkoscia 500 stop¬ ni/sek. Za wymiennikiem ciepla drugiego etapu studzenia, temperatury zawiesiny i powietrza wy¬ nosza odpowiednio 450 i 475°C. Powietrze nagrzane do temperatury 475°C doprowadza sie do komory spalania reaktora dla spalania paliwa, a ostudzona gazowa zawiesine sadzy odprowadza sie do apara¬ tury do oddzielania sadzy od gazowych produktów reakcji i do jej dalszej obróbki.

Ilosc fizycznej energii cieplnej zawracanej do procesu wraz z powietrzem do spalania paliwa wy¬ nosi 420 000 Kcal/godz. Jednostkowe zuzycie paliwa wynosi 0,19 kg/kg surowca. Wydajnosc sadzy z su¬ rowca wynosi 56,6% wagowo.

Przyklad III. Do komory spalania reaktora podawane jest paliwo takie, jak mieszanka propa- nowo-butanowa w ilosci 80 Nmtygodz. i powietrze do spalania paliwa. Do strumienia produktów cal¬ kowitego spalania paliwa wprowadza sie rozpylony surowiec weglowodorowy o indeksie korelacji 120 w ilosci 800 kg/godz. wstepnie podgrzany do temperatury 200°C. Surowiec ulega rozkladowi przy temperaturze 1450°C. Otrzymana gazowa zawiesine sadzy hartuje sie woda do temperatury 700°iC i. do¬ prowadza do wewnetrznej rury wymiennika ciepla pierwszego etapu studzenia, natomiast do plaszcza tego wymiennika ciepla doprowadza sie we wspól¬ pradzie powietrze o temperaturze 20°C w ilosci 2950 NmVgodz.

W wymienniku ciepla odbywa sie studzenie ga¬ zowej zawiesiny sadzy, z szybkoscia 2500 stopni/sek.

Za wymiennikiem ciepla temperatury zawiesiny i powietrza wynosza odpowiednio 580 i 240°C. Na¬ stepnie gazowa zawiesine sadzy i powietrze do¬ prowadza sie w przeciwpradzie do wymiennika ciepla drugiego etapu studzenia i dokonuje studze¬ nia gazowej zawiesiny sadzy z szybkoscia 600 stop¬ ni/sek. Za wymiennikiem ciepla drugiego etapu studzenia, temperatury zawiesiny i powietrza wy¬ nosza odpowiednio 460 i 470°C. Powietrze nagrzane do temperatury 470°C doprowadza sie do komory109 T spalania reaktora dla spalania paliwa, a ostudzona gazowa zawiesina sadzy odprowadzana jest do apa¬ ratury do oddzielania sadzy od gazowych produk¬ tów reakcji i do jej dalszej obróbki.

Ilosc fizycznej energii cieplnej zawracanej do procesu wraz z powietrzem do spalania paliwa wy¬ nosi 420 000 Kcal/godz. Jednostkowe zuzycie paliwa wynosi 0,20 kg/kg surowca. Wydajnosc sadzy z su¬ rowca wynosi 56,5% wagowo.

Przyklad IV. Do komory spalania reaktora podawane jest paliwo takie, jak mieszanka propa- nowo-butanowa w ilosci 72 Nm3/godz. i powietrze do spalania paliwa. Do strumienia produktów cal¬ kowitego, spalania paliwa wprowadza sie rozpylony surowiec weglowodorowy o indeksie korelacji 120 w ilosci 800 kg/godz. wstepnie podgrzany do tem¬ peratury 200°C. Surowiec rozklada sie w komorze reakcyjnej w temperaturze 1450°C. Otrzymana ga¬ zowa zawiesine sadzy hartuje sie woda do tempe¬ ratury 750°C i doprowadza do wewnetrznej rury wymiennika ciepla pierwszego etapu studzenia, na¬ tomiast do plaszcza tego wymiennika ciepla do¬ prowadza sie we wspólpradzie powietrze o tempe¬ raturze 20°C w ilosci 2800 Nm3/godz, W wymienniku ciepla odbywa sie studzenie ga¬ zowej zawiesiny sadzy z szybkoscia 4000 stopni/sek.

Za wymiennikiem ciepla temperatury zawiesiny i powietrza wynosza odpowiednio 550 i 280°C. Na¬ stepnie gazowa zawiesine sadzy i powietrze dopro¬ wadza sie w przeciwpradzie do wymiennika ciepla drugiego etapu studzenia i dokonuje studzenia z szybkoscia 800 stopni/sek. Za wymiennikiem ciepla drugiego etapu temperatury zawiesiny i po¬ wietrza wynosza odpowiednio 400 i 40O°C. Po¬ wietrze nagrzane do temperatury 490°C doprowa-; dza sie do komory spalania dla spalania paliwa, a ostudzona gazowa zawiesine sadzy odprowadza sie do aparatury do oddzielania sadzy od gazowych produktów reakcji i do jej dalszej obróbki.

Ilosc fizycznej energii cieplnej zawróconej do procesu wraz z powietrzem do spalania paliwa wynosi 430 000 Kcal/godz. Jednostkowe zuzycie pa¬ liwa wynosi 0,18 kg/kg surowca. Wydajnosc sadzy z surowca wynosi 57,8%.

Porównanie fizykochemicznych wlasciwosci sadz otrzymanych podczas prób i fizykochemicznych wlasciwosci otrzymanych z ich uzyciem gum, z wlasciwosciami sadzy otrzymanej znanym sposo¬ bem ze wspólpradOiwym studzeniem gazowej zawie¬ siny sadzy w jednym etapie przedstawia tablica.

Mieszanki gumowe sporzadzano na podstawie syntetycznego kauczuku butadienowo-alfametyl- Btyrolowego z zawartoscia sadzy 50% wagowo. 636 S Tablica Wyszczegól-i nieniei parametrów Wlasciwosci sadzy Geometryczna powierzchnia wlasciwa, m2/g Absorpcyjna powierzchnia wlasciwa^ m2/g Adsorpcja fta¬ lami dwubuty- lowegp, ml/lOOg Aktyswnpsc , adsorpcyjna*) powierzchni, kcal/ml Parametry grumy Wytrzymalosc na rozerwanie, kg/cm2 Scieralnosc | cmVKWh Zgod¬ nie ze zna¬ nym sposo¬ bem 104,5 118,1 101,0 10,2 200 Zgodnie ze sposobem wedlug wynalazku przy¬ klad 1 104,0 110,2 103.0 1 10,9 183 przy¬ klad 2 1,03,2 106,2 102,0 12,8 164 przy¬ klad 3 104,5 106,4 104,0 12,9 1|62 przy¬ klad 4 103,8 106,5 101,0 13,0 li60 *) okresla sie przez pomiar róznicowych energii adsorpcji przez sadze butenu-1' (przy stopniu zapelnienia powierzchni 0,02). 35 Zastrzez.enia patentowe 1. Sposób otrzymywania sadzy przez rozklad su¬ rowca weglowodorowego w strumieniu produktów calkowitego spalania paliwa w powietrzu, harto¬ wanie otrzymanej gazowej zawiesiny sadzy, nastep- 4p ne jej studzenie w wyniku wymiany z powietrzem doprowadzanym dla spalania paliwa i wydzielenie produktu koncowego, znamienny tym, ze studzenie gazowej zawiesiny sadzy przeprowadza sie w dwóch etapach, przy czym w pierwszym studzenie prze- 45; prowadza sie do temperatury 600—550°C z szyb¬ koscia 1000—4000 stojpni/sek, a w drugim do tem¬ peratury 500-r400°C z szybkoscia 400—800 stop¬ ni/sek.

% .Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze w w pierwszym etapie studzenie odbywa sie przy przeplywie gazowej zawiesiny sadzy we wspólpra¬ dzie z powietrzem, natomiast w drugim etapie w przeciwpradzie z powietrzem.109 636 4 E D -5 H Fig. 1