BR112012020846B1 - Método e aparelho para a produção de negro de fumo - Google Patents

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Abstract

MÉTODOS PARA PRODUÇÃO DE NEGRO DE FUMO UTILIZANDO CARGA DE ALIMENTAÇÃO PRÉ- AQUECIDA E APARELHO PARA A MESMA. Métodos para produção de negro de fumo são fornecidos os quais empregam carga de alimentação em temperatura alta, as temperaturas excedendo cerca de 300°C com controle de incrustação. Um aparelho para produção de negro de fumo também é provido de acordo com esses métodos.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
O presente pedido reivindica o benefício de acordo com 35 U.S.C. §119(e) do Pedido de Patente Provisional US número 61/306.092, depositado em 19 de fevereiro de 2010, que é incorporado ao presente documento na íntegra a título de referência.
A presente invenção se refere aos métodos para a produção de negro de fumo utilizando carga de alimentação pré-aquecida com controle de incrustação. A presente invenção também se refere a um aparelho para produção de negro de fumo utilizando carga de alimentação pré-aquecida com controle de incrustação. A presente invenção também se refere ao negro de fumo resultante dos processos da presente invenção.
Negros de fumo são amplamente utilizados, por exemplo, como pigmentos em composições de tinta, tintas e similares, como cargas e pigmentos de reforço na composição e preparação de composições de borracha e composições de plástico, e para uma variedade de outras aplicações. Negros de fumo são genericamente produzidos em um reator do tipo forno por reagir uma carga de alimentação de hidrocarboneto com gases de combustão quentes para produzir produtos de combustão contendo negro de fumo em partículas. Na literatura de negro de fumo, essa reação entre os gases de combustão e a carga de alimentação de hidrocarboneto é genericamente mencionada como pirólise.
Uma variedade de métodos para a produção de negros de fumo é genericamente conhecida. Em um tipo de reator de forno de negro de fumo, como mostrado na Patente US número 3.401.020 de Kester e outros ou Patente US número 2.785.964 de Pollock, um combustível, como combustível hidrocarbonáceo, e um oxidante, como ar, são injetados em uma primeira zona e reagem para formar gases de combustão quentes. Uma carga de alimentação hidrocarbonácea em forma gasosa, vapor ou líquida também é injetada na primeira zona após início da reação da carga de alimentação hidrocarbonácea. A mistura de gás de combustão resultante, na qual a reação está ocorrendo, passa então para dentro de uma zona de reação onde ocorre a conclusão da reação que forma negro de fumo. Em outro tipo de reator de forno de negro de fumo, um combustível líquido ou gasoso é reagido com um oxidante, como ar, na primeira zona para formar gases de combustão quentes. Esses gases de combustão quentes passam da primeira zona, à jusante através do reator, para dentro de uma zona de reação e além. Para produzir negros de fumo, uma carga de alimentação hidrocarbonácea é injetada em um ou mais pontos no percurso da corrente de gás de combustão quente. Genericamente a carga de alimentação hidrocarbonácea é um óleo de hidrocarboneto ou gás natural. A primeira zona (ou combustão) e a zona de reação podem ser divididas por um estrangulador ou zona de diâmetro limitado que é menor em seção transversal do que a zona de combustão ou a zona de reação. A carga de alimentação pode ser injetada na trajetória dos gases de combustão quentes à montante de, à jusante de, e/ou na zona de diâmetro limitado. A carga de alimentação de hidrocarboneto pode ser introduzida em forma atomizada e/ou não atomizada, de dentro da corrente de gás de combustão e/ou a partir do exterior da corrente de gás de combustão. Reatores de forno de negro de fumo desse tipo são mostrados, por exemplo, na Patente de reedição US número 28.974, para Morgan e outros, e Patente US números 3.922.335 para Jordan e outros.
Em processos e reatores genericamente conhecidos, os gases de combustão quentes estão em uma temperatura suficiente para efetuar a reação da carga de alimentação hidrocarbonácea injetada na corrente de gás de combustão. Em um tipo de reator, como a patente US número 3.401.020 de Kester e outros, acima indicada, carga de alimentação é injetada em um ou mais pontos, na mesma zona onde gases de combustão estão sendo formados. Em processos ou reatores de outro tipo, a injeção da carga de alimentação ocorre, em um ou mais pontos, após a corrente de gás de combustão ter sido formada. A mistura de carga de alimentação e gases de combustão na qual a reação está ocorrendo é às vezes mencionada a seguir, em todo o pedido, como “a corrente de reação”. O tempo de permanência da corrente de reação na zona de reação do reator é suficiente para permitir a formação de negros de fumo desejados. Em qualquer tipo de reator, uma vez que a corrente de gás de combustão quente está fluindo para baixo através do reator, a reação ocorre à medida que a mistura de carga de alimentação e gases de combustão passam através da zona de reação. Após negros de fumo que apresentam as propriedades desejadas serem formados, a temperatura da corrente de reação é diminuída para uma temperatura de tal modo que a reação seja parada, e o produto de negro de fumo possa ser recuperado.
Outras patentes, como Patentes US números 3.922.335 de Jordan e outros; 4.826.669 de Casperson; 6.348.181 de Morgan; e 6.926.877 de Green, também mostram os processos para a produção de negro de fumo, incluindo temperaturas de carga de alimentação. Temperaturas de carga de alimentação típicas no ponto de entrada no reator, como mostrado na Patente US número 4.826.669, podem variar, por exemplo, de 250°F a 500°F (121°C a 260°C).
Os presentes pesquisadores reconheceram que temperaturas de carga de alimentação hidrocarbonácea na produção de negro de fumo que se aproximam ou excedem aproximadamente 300°C no ponto, ou antes, do ponto de entrada no reator criariam um risco elevado de níveis disruptivos de incrustação termicamente induzidos das tubulações de fornecimento de carga de alimentação e equipamento. Além disso, os presentes pesquisadores acreditam que métodos e sistemas para produção de negro de fumo que podem tolerar tais cargas de alimentação quentes não foram anteriormente desenvolvidos, nem apresentam os benefícios possíveis de utilização de operação da carga de alimentação quente como anteriormente sendo totalmente realizados ou obteníveis, até o desenvolvimento dos presentes métodos e disposições para a produção de negro de fumo.
SUMÁRIO DA PRESENTE INVENÇÃO
Por conseguinte, uma característica da presente invenção é fornecer temperaturas de pré-aquecimento de carga de alimentação aumentadas na produção de negro de fumo com controle de incrustação termicamente induzida das tubulações de carga de alimentação nas temperaturas de carga de alimentação aumentadas.
Características e vantagens adicionais da presente invenção serão expostas em parte na descrição que segue, e em parte serão evidentes a partir da descrição, ou podem ser aprendidas por prática da presente invenção. Os objetivos e outras vantagens da presente invenção serão realizados e obtidos por meio dos elementos e combinações particularmente indicados na descrição e reivindicações apensas.
Para obter essas e outras vantagens e de acordo com as finalidades da presente invenção, como incorporado e amplamente descrito aqui, a presente invenção se refere, em parte a um método para produzir negro de fumo incluindo pré-aquecer carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C para fornecer carga de alimentação rendendo negro de fumo pré- aquecida nessa faixa de temperatura. A carga de alimentação pode ser aquecida a uma temperatura de pelo menos 450°C, ou de aproximadamente 360°C a aproximadamente 850°C, ou outras temperaturas que excedem 300°C. A carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecido pode ser fornecida pelo menos em uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação para pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação para o reator. A carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida é introduzida através de pelo menos um ponto de introdução no reator para combinar com uma corrente(s) de gás aquecido para formar uma corrente de reação no qual negro de fumo é formado no reator. O negro de fumo na corrente de reação pode ser resfriado bruscamente para recuperação. O presente método inclui uma ou mais abordagens para diminuir o risco de incrustação termicamente induzida pelas tubulações de fornecimento de carga de alimentação na temperatura aumentada de carga de alimentação. Essas abordagens podem minimizar formação de incrustação (por exemplo, reduzir depósito de coque), remoção de depósitos superficiais de incrustação (por exemplo, aumento de remoção de coque) ou uma combinação de ambos, nas paredes internas da linha ou tubulações de fornecimento de carga de alimentação para manter as tubulações de fornecimento de carga de alimentação em condição operável enquanto transporta a carga de alimentação pré-aquecida para o reator. Essas abordagens de controle de incrustação podem incluir uma ou mais (ou qualquer combinação) de: - alimentação da carga de alimentação rendendo negro de fumo em uma velocidade de pelo menos aproximadamente 0,2 m/s (ou, por exemplo, pelo menos aproximadamente 1 m/s, ou pelo menos aproximadamente 1,1 m/s, ou pelo menos aproximadamente 1,6 m/s, ou pelo menos aproximadamente 2 m/s, ou outras velocidades maiores do que aproximadamente 0,2 m/s) através de pelo menos um aquecedor que aquece a carga de alimentação rendendo negro de fumo para obter pré-aquecimento. - pressurização da carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão maior do que aproximadamente 1.000 kPa antes de entrar pelo menos em um aquecedor para pré-aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo (ou, por exemplo, maior do que aproximadamente 2.000 kPa, ou maior do que aproximadamente 3.000 kPa, ou maior do que aproximadamente 4.000 kPa, ou de aproximadamente 2.000 a aproximadamente 18.000 kPa, ou de aproximadamente 3.000 a aproximadamente 18.000 kPa, ou outras pressões maiores do que aproximadamente 1.000 kPa), - fornecimento de um tempo de permanência de carga de alimentação total da carga de alimentação rendendo negro de fumo pelo menos em um aquecedor para pré-aquecimento e a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida na tubulação de fornecimento de carga de alimentação antes da introdução no reator menor do que aproximadamente 120 minutos (ou, por exemplo, de aproximadamente 1 s a aproximadamente 120 minutos, ou aproximadamente 1 a aproximadamente 60 minutos, ou outros tempos de permanência menores do que aproximadamente 120 minutos), - pré-aquecimento da carga de alimentação pelo menos em um aquecedor que opera em um fluxo de calor médio (de superfície interna de tubo) maior do que aproximadamente 10 kW/m2 (ou, por exemplo, maior do que aproximadamente 20 kW/m2, ou de aproximadamente 20 a aproximadamente 200 kW/m2, ou outros fluxos médios de calor maiores do que aproximadamente 10 kW/m2), - fornecimento de uma superfície não catalítica a craqueamento térmico ou polimerização de hidrocarbonetos nas paredes internas contatando a carga de alimentação da tubulação de fornecimento de carga de alimentação, - fornecimento periódico de pelo menos um gás de purga (por exemplo, vapor, ar, oxigênio, CO2) incluindo um oxidante para carbono, através da tubulação de fornecimento de carga de alimentação ou quaisquer combinações dos mesmos.
O controle de incrustação fornecido pela presente invenção pode permitir pelo menos uma porção do pré- aquecimento da carga de alimentação seja realizada por aquecer a carga de alimentação com calor gerado pelo reator nas temperaturas de reação elevadas. As condições de pré- aquecimento de carga de alimentação e desenhos tornados exeqüíveis pela presente invenção podem fornecer vantagens e benefícios, como, por exemplo, recuperação aperfeiçoada de energia, economia em custos de matéria prima, aumentos em quantidades de negro de fumo, redução de emissões de dióxido de carbono, redução em emissões de SOx e/ou NOx, produção estável ou contínua de negro de fumo por durações de tempo industrialmente úteis em condições elevadas de temperatura de carga de alimentação, ou quaisquer combinações dos mesmos. O processo da presente invenção pode ser considerado um processo “mais verde” em comparação com processos convencionais devido a uma ou mais dessas vantagens ambientais mencionadas aqui.
A presente invenção também se refere a um aparelho para realizar métodos, como os descritos acima. O aparelho inclui pelo menos um reator para combinar uma corrente de gás aquecido e pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo em temperatura elevada para formar uma corrente de reação no qual negro de fumo é formado no reator. Também é incluído pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação com incrustação controlada para fornecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação no reator para combinar a carga de alimentação com a corrente de gás aquecido, e pelo menos um aquecedor de carga de alimentação operável para pré-aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo fornecido pelo menos em uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C. O aparelho inclui ainda pelo menos uma bomba a) operável para pressurizar a carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão maior do que aproximadamente 1.000 kPa antes da carga de alimentação ser pré-aquecida a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C, ou b) fornecer uma velocidade de carga de alimentação através de pelo menos um aquecedor de carga de alimentação que pré- aquece a carga de alimentação rendendo negro de fumo de pelo menos aproximadamente 0,2 m/s, ou c) ambos. Um resfriador brusco para resfriar o negro de fumo na corrente de reação pode ser incluído. O reator é operável para fornecer um tempo de permanência de carga de alimentação pelo menos em um aquecedor de carga de alimentação e pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação antes da introdução no reator para a carga de alimentação pré-aquecida a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C que é menor do que aproximadamente 120 minutos. Pelo menos uma porção do pré-aquecimento de carga de alimentação pode ser realizado no aparelho, por exemplo, por aquecer direta ou indiretamente a carga de alimentação com calor exotérmico gerado por ou no reator. O aparelho pode ter o aquecedor de carga de alimentação disposto, por exemplo, no reator na corrente de reação, disposto em contato com uma parede aquecida do reator, disposto em contato com gás residual de reator, disposto fora do reator para permutar calor com fluido aquecido recebido de um trocador de calor localizado no reator, ou qualquer combinação desses arranjos utilizando uma ou mais tubulações de fornecimento de carga de alimentação. O aquecedor de carga de alimentação pode ser um ou mais aquecedores queimados com gás residual (de reatores de negro de fumo iguais e/ou diferentes) ou qualquer combustível baseado em hidrocarboneto, e/ou pode ser um aquecedor elétrico.
Para fins da presente invenção, a “tubulação de fornecimento” ou “pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação” pode ser qualquer conduto, tubo, tubagem de trocador de calor, canal de trocador de calor, ou outra estrutura apropriada para transporte de carga de alimentação de vapor ou líquido, ou combinações dos mesmos, através dos quais a carga de alimentação é transportada para o reator na temperatura pré-aquecida. A “tubulação de fornecimento” pode ser de qualquer diâmetro e/ou comprimento. Por exemplo, se carga de alimentação for pré- aquecida a uma temperatura de 300°C durante passagem através de tubagem ou bobinas de um trocador de calor e então é alimentada do trocador de calor para o reator via tubulação separada, a “pelo menos uma tubulação de fornecimento” incluiria a porção da tubagem de trocador de calor que estende entre o local ao longo da tubagem dentro do trocador de calor no qual a temperatura de carga de alimentação atingiu 300°C e a extremidade de descarga da tubagem de trocador de calor, e também a tubulação após o trocador de calor através da qual a carga de alimentação pré-aquecida desloca para atingir o reator. “Controle”, com relação à coqueificação associada à carga de alimentação, se refere à pelo menos reduzir (ou evitar ou diminuir) o nível de coqueificação que ocorre sem a(s) etapa(s) preventiva(s).
Deve ser entendido que tanto a descrição geral acima como a descrição detalhada que segue são exemplares e explanatórias somente e pretendem fornecer uma explicação adicional da presente invenção, como reivindicado.
Os desenhos em anexo, que são incorporados e constituem uma parte desse pedido, ilustram aspectos da presente invenção e juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da presente invenção. Identificadores de numeral similares utilizados nas figuras se referem a aspectos similares.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 é um diagrama esquemático de uma porção de um tipo de reator de negro de fumo de forno que pode ser utilizado em um processo da presente invenção para produzir negros de fumo. Esse reator de negro de fumo é somente ilustrativo dos reatores que podem ser utilizados na presente invenção.
A figura 2 é um diagrama esquemático de uma porção de outro tipo de reator de negro de fumo de forno que pode ser utilizado em um processo da presente invenção para produzir negros de fumo. Esse reator de negro de fumo é somente ilustrativo dos reatores que podem ser utilizados na presente invenção.
A figura 3 é um diagrama esquemático de uma porção ainda de outro modo tipo reator de negro de fumo de forno que pode ser utilizado em um processo da presente invenção para produzir negros de fumo. Esse reator de negro de fumo é somente ilustrativo dos reatores que podem ser utilizados na presente invenção.
A figura 4 é um diagrama esquemático de uma porção de um tipo adicional de reator de negro de fumo de forno que pode ser utilizado em um processo da presente invenção para produzir negros de fumo. Esse reator de negro de fumo é somente ilustrativo dos reatores que podem ser utilizados na presente invenção.
A figura 5 é um diagrama esquemático de um esquema de processo que pode ser utilizado em um processo da presente invenção para produzir negros de fumo. Esse esquema de reator de negro de fumo é utilizado nos exemplos, porém é somente ilustrativo dos reatores que podem ser utilizados na presente invenção.
A figura 6 é um gráfico de capacidade de calor de carga de alimentação (kJoule/kg.°C) em relação à temperatura de carga de alimentação (°C) utilizada para cálculos de economia de matéria prima em modelagem descrita nos exemplos.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA PRESENTE INVENÇÃO
A presente invenção se refere ao uso de temperaturas de pré-aquecimento de carga de alimentação aumentadas maiores do que aproximadamente 300°C na produção de negro de fumo não impedida por problemas de incrustação da carga de alimentação. A presente invenção pode ser aplicável à produção de negro de fumo em escala industrial, ou outras escalas de produção.
A presente invenção se refere em parte a um método para produzir negro de fumo. O método pode incluir introduzir uma corrente de gás aquecido em um reator de negro de fumo. O método inclui ainda fornecer pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tendo uma primeira temperatura abaixo da temperatura de pré- aquecimento a ser obtida, como abaixo de 300°C ou abaixo de 275°C (por exemplo, de 40°C a 274°C, de 50°C a 270°C, de 70°C a 250°C, de 60°C a 200°C, de 70°C a 150°C, e similares) a pelo menos um aquecedor (por exemplo, pelo menos dois aquecedores, pelo menos três aquecedores, e similares onde os aquecedores podem ser iguais ou diferentes entre si). A temperatura da carga de alimentação que entra pelo menos um aquecedor está abaixo da temperatura ou faixa de temperatura de pré-aquecimento alvejada. A carga de alimentação antes de ser pré-aquecida pode deslocar como opção, em uma primeira velocidade de pelo menos aproximadamente 0,2 m/s (por exemplo, pelo menos aproximadamente 0,4 m/s, pelo menos aproximadamente 0,6 m/s, pelo menos aproximadamente 0,8 m/s, pelo menos aproximadamente 1 m/s, pelo menos aproximadamente 1,1 m/s, pelo menos aproximadamente 1,6 m/s, como de 0,2 m/s a 4 m/s, de 1,1 a 3 m/s e similar). Outras velocidades podem ser utilizadas com a condição de que outras condições de processamento sejam selecionadas para controlar incrustação e/ou coqueificação no(s) aquecedor(es) e tubulações de fornecimento para o reator.
O método inclui pré-aquecer pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pelo menos em um aquecedor a uma segunda temperatura maior do que aproximadamente 300°C (por exemplo, pelo menos 350°C, pelo menos 360°C, pelo menos 400°C, pelo menos 450°C, pelo menos 500°C, como 300°C a 850°C, ou de 360°C a 800°C, de 400°C a 750°C, de 450°C a 700°C e similar) para fornecer uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tem uma velocidade pelo menos em um aquecedor que é pelo menos 0,2 m/s, onde a velocidade é calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C a 1 atm (101,33 kPa) e com base na área em seção transversal menor de uma tubulação de carga de alimentação presente pelo menos em um aquecedor. Uma vez que pode ser muito difícil medir a velocidade de uma carga de alimentação em tal temperatura elevada, para fins da presente invenção, a velocidade como mencionada no presente documento se baseia nessas condições de medição específica. Qualquer que seja o diâmetro menor ou área em seção transversal menor presente no aquecedor efetivo, essa área em seção transversal mínima é utilizada para determinar velocidade como mencionado no presente documento para fins da presente invenção. Muitos aquecedores têm o mesmo diâmetro em todo aquecedor, porém no evento de que vários diâmetros ou áreas em seção transversal estejam presentes no(s) aquecedor(es), essa condição é fornecida. A velocidade se baseia em área em seção transversal mínima. A velocidade efetiva através do aquecedor de carga de alimentação pode ser genericamente mais rápida do que a velocidade medida a 60°C em 1 atm (101,33 kPa).
No método, a carga de alimentação rendendo negro de fumo pode ter um primeiro tempo de permanência de carga de alimentação no aquecedor menor do que aproximadamente 120 minutos (por exemplo, menor do que 100 minutos, menor do que 80 minutos, menor do que 60 minutos, menor do que 40 minutos, menor do que 30 minutos, menor do que 20 minutos, menor do que 10 minutos, como 1 segundo a 119 minutos, 5 segundos a 115 minutos, 10 segundos a 110 minutos, 30 segundos a 100 minutos, 1 minuto a 60 minutos, 5 minutos a 30 minutos e similares). Por exemplo, ao se referir às figuras, o primeiro tempo de permanência de carga de alimentação seria, por exemplo, o tempo que a carga de alimentação passa no aquecedor 19 na figura 1 ou aquecedor 22 na figura 2.
O método pode incluir fornecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação para o reator de negro de fumo (por exemplo, pelo menos um ou dois ou três ou quatro pontos de introdução de carga de alimentação), onde a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida tem um segundo tempo de permanência de carga de alimentação medido ao sair do(s) aquecedor(es) até pouco antes do ponto de introdução no reator de negro de fumo menor do que aproximadamente 120 minutos (por exemplo, menor do que 100 minutos, menor do que 80 minutos, menor do que 60 minutos, menor do que 40 minutos, menor do que 30 minutos, menor do que 20 minutos, menor do que 10 minutos, como de 1 segundo a 119 minutos, de 5 segundos a 115 minutos, de 10 segundos a 110 minutos, de 30 segundos a 100 minutos, de 1 minuto a 60 minutos, de 5 minutos a 30 minutos e similar). O primeiro tempo de permanência de carga de alimentação e o segundo tempo de permanência de carga de alimentação combinados são preferivelmente 120 minutos ou menos (por exemplo, menor do que 100 minutos, menor do que 80 minutos, menor do que 60 minutos, menor do que 40 minutos, menor do que 30 minutos, menor do que 20 minutos, menor do que 10 minutos, como de 1 segundo a 119 minutos, de 5 segundos a 115 minutos, de 10 segundos a 110 minutos, de 30 segundos a 100 minutos, de 1 minuto a 60 minutos, de 5 minutos a 30 minutos e similar). Por exemplo, com referência às figuras, o segundo tempo de permanência de carga de alimentação seria, por exemplo, o tempo que a carga de alimentação sai do aquecedor 19 na figura 1 ou aquecedor 22 na figura 2 para o ponto de introdução no reator, mostrado como ponto de introdução 16 na figura 1 e figura 2. A combinação do primeiro tempo de permanência de carga de alimentação e segundo tempo de permanência de carga de alimentação seria o tempo de permanência de carga de alimentação total.
O método pode incluir combinação da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos um ponto(s) de introdução no reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação na qual negro de fumo é formado no reator de negro de fumo.
O método pode incluir resfriamento brusco do negro de fumo na corrente de reação. Outras etapas pós- resfriamento brusco que são convencionais na fabricação de negro de fumo podem ser utilizadas nos métodos da presente invenção.
Como opção, se a tubulação de carga de alimentação para o aquecedor for aproximadamente a mesma seção transversal que a tubulação de fornecimento através do aquecedor, a carga de alimentação rendendo negro de fumo pode ter uma velocidade no(s) aquecedor(es) que é aproximadamente igual ou maior (por exemplo, pelo menos 1% maior, pelo menos 2% maior, pelo menos 3% maior, pelo menos 5% maior, pelo menos 7% maior, pelo menos 10% maior, pelo menos 100% maior, pelo menos 200% maior, como de 1% a 200% maior ou de 20% a 100% maior e similar) do que a primeira velocidade na entrada para o(s) aquecedor(es).
O método da presente invenção pode incluir pressurizar a(s) carga(s) de alimentação que fornece negro de fumo. O método pode incluir pressurizar ou utilizar uma pressão para a(s) carga(s) de alimentação que fornece negro de fumo de tal modo que o pré-aquecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo evita a formação de película de vapor pelo menos em um aquecedor, ou antes, de fornecer ao reator de negro de fumo. O método da presente invenção pode incluir pressurizar a(s) carga(s) de alimentação que fornece negro de fumo para ter uma pressão, por exemplo, maior do que aproximadamente 1.000 kPa antes de entrar pelo menos em um aquecedor que pré-aquece a carga de alimentação rendendo negro de fumo. Essa pressão pode ser pelo menos 1.500 kPa, pelo menos 2.000 kPa, pelo menos 3.000 kPa, pelo menos 4.000 kPa, como de 1.000 kPa a 18.000 kPa ou mais, de 1.500 kPa a 15.000 kPa, de 2.000 kPa a 12.500 kPa, de 2.500 kPa a 10.000 kPa.
Na presente invenção, um método para produzir negro de fumo pode incluir introduzir uma corrente de gás aquecido em um reator de negro de fumo. O método inclui ainda fornecer carga de alimentação rendendo negro de fumo tendo uma primeira temperatura abaixo da temperatura de carga de alimentação pré-aquecida alvo, como abaixo de 300°C ou abaixo de 275°C (por exemplo, de 40°C a 274°C, de 50°C a 270°C, de 70°C a 250°C, de 60°C a 200°C, de 70°C a 150°C e similar) para aquecedor(es) em uma primeira pressão maior do que 1.000 kPa. Essa pressão pode ser pelo menos 1.500 kPa, pelo menos 2.000 kPa, pelo menos 3.000 kPa, pelo menos 4.000 kPa, como 1.000 kPa a 18.000 kPa ou mais, de 1.500 kPa a 15.000 kPa, de 2.000 kPa a 12.500 kPa, de 2.500 kPa a 10.000 kPa.
O método pode incluir pré-aquecer pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo no(s) aquecedor(es), (por exemplo, pelo menos dois aquecedores, pelo menos três aquecedores, e similar, onde os aquecedores podem ser iguais ou diferentes entre si) a uma segunda temperatura maior do que aproximadamente 300°C (por exemplo, pelo menos 350°C, pelo menos 360°C, pelo menos 400°C, pelo menos 450°C, pelo menos 500°C, como 300°C a 850°C, ou 360°C a 800°C, de 400°C a 750°C, de 450°C a 700°C e similar) para fornecer uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) a carga de alimentação rendendo negro de fumo tem uma segunda pressão pelo menos em um aquecedor que é aproximadamente igual ou mais baixa (por exemplo, pelo menos 1% mais baixa, pelo menos 2% mais baixa, pelo menos 3% mais baixa, pelo menos 5% mais baixa, pelo menos 7% mais baixa, pelo menos 10% mais baixa, pelo menos 15% mais baixa, pelo menos 20% mais baixa, como de 1% a 75% mais baixa ou de 3% a 20% mais baixa e similar) do que a primeira pressão e (b) a carga de alimentação rendendo negro de fumo tem um primeiro tempo de permanência de carga de alimentação no aquecedor menor do que aproximadamente 120 minutos (por exemplo, menor do que 100 minutos, menor do que 80 minutos, menor do que 60 minutos, menor do que 40 minutos, menor do que 30 minutos, menor do que 20 minutos, menor do que 10 minutos, como de 1 segundo a 119 minutos, de 5 segundos a 115 minutos, de 10 segundos a 110 minutos, de 30 segundos a 100 minutos, de 1 minuto a 60 minutos, de 5 minutos a 30 minutos e similar).
O método pode incluir fornecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação para o reator de negro de fumo, onde a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida tem um segundo tempo de permanência de carga de alimentação de sair de pelo menos um aquecedor para o ponto de introdução ao reator de negro de fumo menor do que aproximadamente 120 minutos (por exemplo, menor do que 100 minutos, menor do que 80 minutos, menor do que 60 minutos, menor do que 40 minutos, menor do que 30 minutos, menor do que 20 minutos, menor do que 10 minutos, como de 1 segundo a 119 minutos, de 5 segundos a 115 minutos, de 10 segundos a 110 minutos, de 30 segundos a 100 minutos, de 1 minuto a 60 minutos, de 5 minutos a 30 minutos e similar); e onde o primeiro tempo de permanência de carga de alimentação e o segundo tempo de permanência de carga de alimentação combinados correspondem a 120 minutos ou menos (por exemplo, menor do que 100 minutos, menor do que 80 minutos, menor do que 60 minutos, menor do que 40 minutos, menor do que 30 minutos, menor do que 20 minutos, menor do que 10 minutos, como de 1 segundo a 119 minutos, de 5 segundos a 115 minutos, de 10 segundos a 110 minutos, de 30 segundos a 100 minutos, de 1 minuto a 60 minutos, de 5 minutos a 30 minutos e similar).
O método pode incluir combinar a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através do(s) ponto(s) de introdução no reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação na qual negro de fumo é formado no reator de negro de fumo. O método pode incluir resfriar bruscamente o negro de fumo na corrente de reação.
A presente invenção pode se referir a um método para produzir negro de fumo que inclui introduzir uma corrente de gás aquecido em um reator de negro de fumo. O método inclui ainda fornecer pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tendo uma primeira temperatura que está abaixo da temperatura de carga de alimentação pré-aquecida alvo, como abaixo de 300°C ou abaixo de 275°C (por exemplo, de 40°C a 274°C, de 50°C a 270°C, de 70°C a 250°C, de 60°C a 200°C, de 70°C a 150°C, e similares) a pelo menos um aquecedor (por exemplo, pelo menos dois aquecedores, pelo menos três aquecedores, e similares onde os aquecedores podem ser iguais ou diferentes entre si) em uma primeira pressão maior do que 1.000 kPa. Como opção, a velocidade que entra no aquecedor pode ser uma primeira velocidade de pelo menos aproximadamente 0,2 m/s (por exemplo, pelo menos aproximadamente 0,4 m/s, pelo menos aproximadamente 0,6 m/s, pelo menos aproximadamente 0,8 m/s, pelo menos aproximadamente 1 m/s, pelo menos aproximadamente 1,1 m/s, pelo menos aproximadamente 1,6 m/s, como de 0,2 m/s a 2 m/s, de 0,4 a 1,8 m/s e similar).
O método inclui pré-aquecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo no(s) aquecedor(es) a uma segunda temperatura maior do que aproximadamente 300°C (por exemplo, pelo menos 350°C, pelo menos 360°C, pelo menos 400°C, pelo menos 450°C, pelo menos 500°C, como 300°C a 850°C, ou de 360°C a 800°C, de 400°C a 750°C, de 450°C a 700°C e similar) para fornecer uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tem uma velocidade no(s) aquecedor(es) que é pelo menos 0,2 m/s, onde a velocidade é calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C a 1 atm e a área em seção transversal menor de uma tubulação de carga de alimentação presente pelo menos em um aquecedor, e (b) onde pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tem uma segunda pressão no(s) aquecedor(es) que é aproximadamente igual ou mais baixa (por exemplo, pelo menos 1% mais baixa, pelo menos 2% mais baixa, pelo menos 3% mais baixa, pelo menos 5% mais baixa, pelo menos 7% mais baixa, pelo menos 10% mais baixa, pelo menos 15% mais baixa, pelo menos 20% mais baixa, como de 1% a 25% mais baixa ou de 3% a 20% mais baixa e similar) do que a primeira pressão, onde a pressão pode ser calculada com base em assumir a mesma área em seção transversal que a carga de alimentação se desloca durante a primeira pressão e segunda pressão (embora em operação efetiva, a área em seção transversal possa ser igual ou diferente). Esse modo de determinação pode ser utilizado para comparar adequadamente pressão, embora não seja obrigatório.
O método pode incluir provisão da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação para o reator de negro de fumo e combinar pelo menos a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através do(s) ponto(s) de introdução no reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação na qual negro de fumo é formado no reator de negro de fumo. O método pode incluir resfriar bruscamente o negro de fumo na corrente de reação.
Na presente invenção, para qualquer método, as temperaturas de pré-aquecimento alvo mencionadas são preferivelmente uma temperatura média da carga de alimentação antes da introdução no reator de negro de fumo. As temperaturas de pré-aquecimento mencionadas da carga de alimentação podem ser uma temperatura máxima da carga de alimentação ou uma temperatura mínima da carga de alimentação antes da introdução no reator de negro de fumo.
Na presente invenção, para qualquer método, a pressão alvo mencionada é preferivelmente uma pressão média da carga de alimentação. A pressão mencionada da carga de alimentação pode ser uma pressão máxima da carga de alimentação ou uma pressão mínima da carga de alimentação.
Na presente invenção, para qualquer método, a velocidade alvo mencionada é preferivelmente uma velocidade média da carga de alimentação. A velocidade mencionada da carga de alimentação pode ser uma velocidade máxima da carga de alimentação ou uma velocidade mínima da carga de alimentação.
Na presente invenção, para qualquer método, a carga de alimentação rendendo negro de fumo pode ser ou incluir óleo de decantação, produto de alcatrão de hulha, incrustação de craqueador de etileno, óleo contendo asfalteno, ou qualquer hidrocarboneto líquido com uma gravidade específica de aproximadamente 0,9 a aproximadamente 1,5 ou mais elevada (como de 0,9 a 1,3, ou de 1 a 1,2 e similar) ou qualquer combinação dos mesmos. A carga de alimentação rendendo negro de fumo pode ter um ponto de ebulição inicial de aproximadamente 160°C a aproximadamente 600°C, como de 160°C a aproximadamente 500°C ou 200°C a aproximadamente 450°C ou 215°C a aproximadamente 400°C ou similar.
O pré-aquecimento pode ocorrer em qualquer número de modos e nenhuma limitação é destinada a ser colocada no modo para obter isso. O pré-aquecimento pode ocorrer pelo menos em um aquecedor (por exemplo, um, dois, três ou mais). A fonte do calor para pelo menos um aquecedor pode ser qualquer fonte, como de um ou mais reatores de negro de fumo, calor elétrico, calor de plasma, calor de gases residuais, calor de combustão de gás residual, combustíveis e/ou calor de outros processos industriais e/ou outras formas de calor, e/ou qualquer combinação dos mesmos. O pré-aquecimento pode ocorrer onde pelo menos um aquecedor aquece parcial ou totalmente a carga de alimentação até a temperatura de pré-aquecimento alvo para introdução no reator. Um aquecedor pode obter o pré-aquecimento parcial ou total ou dois ou mais aquecedores podem ser utilizados em seqüência ou outros arranjos para obter o pré- aquecimento (total ou parcial). Se pré-aquecimento parcial for obtido pelo menos por um aquecedor, então o pré- aquecimento restante é realizado por uma fonte de calor adicional ou secundária ou aquecedores adicionais para finalmente obter a temperatura de pré-aquecimento alvo.
Por exemplo, o preaquecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pode incluir ou ser realizado por aquecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo pelo menos em um aquecedor que tenha um trocador de calor. O trocador de calor pode estar operando em um fluxo médio de calor maior do que aproximadamente 10 kW/m2 (como maior do que aproximadamente 10 kW/m2 ou maior do que aproximadamente 20 kW/m2 ou maior do que aproximadamente 30 kW/m2 ou maior do que aproximadamente 40 kW/m2, como de aproximadamente 10 kW/m2 a aproximadamente 150 kW/m2 e similar).
Como opção, pelo menos uma porção do pré- aquecimento (ou pré-aquecimento completo) ocorre pelo menos em um aquecedor que tenha calor pelo menos parcialmente (ou totalmente) fornecido por calor gerado pelo reator de negro de fumo que está recebendo a carga de alimentação pré- aquecida ou outro reator(es) de negro de fumo ou ambos. Pelo menos um aquecedor pode estar em permuta de calor com pelo menos uma porção do reator de negro de fumo que esteja recebendo a carga de alimentação pré-aquecida ou um reator(es) de negro de fumo diferente(s) ou ambos. Por exemplo, pelo menos um aquecedor pode contatar a corrente de reação em um reator de negro de fumo, por exemplo, à jusante de um resfriador brusco, onde pelo menos um aquecedor pode ter um trocador de calor com paredes aquecidas pela corrente de reação em um primeiro lado (por exemplo, parede externa) do mesmo e contatar a carga de alimentação rendendo negro de fumo em um lado oposto (por exemplo, parede interna) do mesmo. Como opção, pelo menos um aquecedor pode incluir um trocador de calor que permuta calor com a corrente de reação em um reator de negro de fumo, onde um portador de calor fluível que flui através do trocador de calor é aquecido, e o portador de calor passa através de pelo menos um aquecedor posicionado externo ao reator e operável para transferir calor do portador de calor para a carga de alimentação rendendo negro de fumo. Pelo menos um aquecedor pode ser pelo menos parcialmente (ou totalmente) fornecido com calor com gás residual de negro de fumo (por exemplo, calor do gás residual ou calor gerado por gás residual que queima) do reator de negro de fumo ou um reator(es) de negro de fumo diferente(s) ou ambos, para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo. O pré-aquecimento pode ser parcial ou totalmente obtido utilizando um ou mais aquecedores de plasma ou outros aquecedores ou fontes de calor.
A introdução da corrente de gás aquecido no reator pode incluir aquecer por plasma um fluxo de gás aquecível por plasma em um aquecedor de plasma para fornecer pelo menos uma porção da corrente de gás aquecido.
Um reator de plasma de negro de fumo pode ser utilizado para receber a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida. Por utilizar a carga de alimentação pré-aquecida, e, opcionalmente, gás portador pré-aquecido (como N2 opcional com O2 para controlar reatividade), o método de aquecimento no reator pode ser um tipo não combustão e combinar o uso de pré-aquecimento indireto de reagentes e aquecimento de plasma na temperatura de processo exigido para formar negro de fumo. O gás portador pode ser pré-aquecido utilizando tecnologia de aquecedor de ar convencional e/ou uma das montagens de aquecedor descritas no presente documento para pré-aquecer a carga de alimentação. Uma montagem similar pode ser utilizada para o gás portadora como uma opção. Esse método reduz consumo elétrico em comparação com aquecimento de plasma sozinho, e pode reduzir custos de matéria prima, reduzir emissões de CO2 e/ou consumo de água.
Na presente invenção, uma superfície não catalítica pode ser utilizada em algumas ou todas as paredes contatando carga de alimentação rendendo negro de fumo de pelo menos um aquecedor e/ou paredes internas de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré- aquecida ao(s) reator(es) de negro de fumo. A superfície pode ser não catalítica para craqueamento (por exemplo, craqueamento térmico) ou polimerização de hidrocarbonetos.
Na presente invenção, o fornecimento pode incluir ou ser usado na alimentação da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece ao(s) reator(es) de negro de fumo, e o método pode ainda opcionalmente incluir periodicamente alimentar um gás(es) de purga que pode ser um oxidante para carbono através de pelo menos uma linha(s) de fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo. A tubulação de fornecimento de carga de alimentação que sai pelo menos de um aquecedor que pré-aquece a carga de alimentação pode ter uma área em seção transversal (por exemplo, diâmetro) que é igual ou diferente da tubulação de fornecimento que alimenta a carga de alimentação pelo menos em um aquecedor (por exemplo, pode ter uma área em seção transversal menor ou maior).
Na presente invenção, o fornecimento pode incluir alimentar a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece ao(s) reator(es) de negro de fumo, e o método pode incluir injetar a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré- aquecida no reator de negro de fumo com inflamação pelo menos parcial (ou total) (por exemplo, evaporação de carga de alimentação, por exemplo, obtida por diminuir a pressão) da carga de alimentação rendendo negro de fumo.
Com a presente invenção, utilizando uma ou mais etapas de prevenção de retirada de incrustação ou limpeza descritas aqui, a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida e a corrente de gás aquecido no reator de negro de fumo podem ser combinadas de modo a formarem continuamente negro de fumo no reator por pelo menos aproximadamente 12 horas (por exemplo, por pelo menos 24 horas, por pelo menos 48 horas, por pelo menos 72 horas, por pelo menos uma semana, duas vezes, um ou mais meses).
Os presentes pesquisadores reconheceram que cargas de alimentação hidrocarbonáceas aquecidas a temperaturas que excedem aproximadamente 300°C em produção de negro de fumo estão em grande risco de incrustação orgânica (por exemplo, coqueificação e/ou polimerização) de tubulações de fornecimento de carga de alimentação e/ou aquecedor(es) que pré-aqueceriam a carga de alimentação. As tubulações de fornecimento de carga de alimentação podem ser construções de tubo de aço ou outro metal que podem ser suscetíveis a incrustação orgânica em suas superfícies internas. As incrustações, se deixadas sem verificação, podem levar à capacidade de fluxo significativamente reduzida nas tubulações de fornecimento de carga de alimentação, e eventualmente tubos e/ou injetores de reator obstruídos.
As incrustações foram identificadas no desenvolvimento da presente invenção como uma barreira técnica principal para uso de cargas de alimentação de temperatura elevada em produção de negro de fumo. Sem desejar estar limitado por qualquer teoria específica, incrustações orgânicas podem ser causadas em carga de alimentação de negro de fumo em temperaturas de carga de alimentação elevadas devido a pelo menos dois mecanismos de incrustação: ebulição de filme e coqueificação induzida por asfalteno. Nas incrustações de ebulição de filme, acredita- se que carga de alimentação evapore e forme uma película de vapor que possa bloquear transferência de calor (isto é, fluxo de calor crítico), onde a película de vapor superaquece e faz com que coque se forme em reações de pirólise de fase de vapor. Asfaltenos são constituintes que ocorrem normalmente em óleos brutos, e também transporte pelo menos em parte em uma variedade de cargas de alimentação de negro de fumo em concentrações variáveis que apresentariam riscos de incrustações em uso em temperatura elevada (por exemplo, >300°C). Na coqueificação induzida por asfalteno, acredita-se que asfaltenos em carga de alimentação possam ser submetidos à pirólise de fase líquida onde os asfaltenos se tornam termicamente desestabilizados para formas radicais quando expostos a temperaturas de craqueamento térmico e combinam para formar coque insolúvel, com elevado peso molecular. Temperaturas de carga de alimentação elevadas, por exemplo, podem fazer com que moléculas de cadeia longa na carga de alimentação craqueiem, formando compostos altamente reativos que polimerizam e incrustam. Deixados não verificados, temperaturas de carga de alimentação mais elevadas podem tender a fazer com que os asfaltenos na carga de alimentação aglomerem e precipitem para fora sobre o aquecedor de carga de alimentação e superfícies de tubulação de fornecimento. Outros mecanismos de incrustações orgânicas podem ser promovidos por operação de carga de alimentação em temperatura elevada, como coqueificação catalítica que pode ser causada por reações de craqueamento térmico catalisadas por níquel ou ferro, de hidrocarbonetos, dependendo do material de tubulação de fornecimento de carga de alimentação. A polimerização de olefinas conjugadas de carga de alimentação (por exemplo, promovido por metal, como ferro, níquel e similar, na superfície interna do tubo) também se acredita ser uma causa potencial de coqueificação, dependendo da química de carga de alimentação. Coque insolúvel ou outros meios de incrustações orgânicas como descrito acima, se permitidos ocorrerem em um esquema de produção de negro de fumo, depositariam a partir da carga de alimentação sobre paredes internas das tubulações de fornecimento de carga de alimentação e injetores de reator e acumulariam para obstruir linhas, e desse modo interromper a produção de negro de fumo para manutenção e/ou reparos. A presente invenção combina abordagens anti-incrustações com operação de carga de alimentação em temperatura elevada para diminuir o disco de tal resíduo induzido termicamente das tubulações de carga de alimentação que de outro modo evitariam produção de negro de fumo mantida, estável.
Como determinado pela presente invenção, um sinal de coqueificação ocorre quando há uma queda rápida de pressão na pressão que sai do aquecedor durante o pré- aquecimento da carga de alimentação em comparação com a pressão na entrada de aquecedor. Tipicamente, há uma queda de pressão normal ao comparar a pressão na entrada de aquecedor para a pressão da carga de alimentação que sai do aquecedor devido à fricção da carga de alimentação nas linhas. Entretanto, como foi visto no desenvolvimento da presente invenção, uma queda de pressão fugitiva é um sinal de que coqueificação é altamente provável ou ocorrerá. Em mais detalhe, após operação de estado constante ocorrer e carga de alimentação estar fluindo através do aquecedor nos parâmetros/taxa desejadas, uma pressão consistente ou relativamente consistente para a carga de alimentação que sai do aquecedor é estabelecida e, como mencionado acima, essa pressão é tipicamente abaixo da pressão de entrada de aquecedor devido a forças friccionais com a carga de alimentação. Entretanto, quando a formação de película de vapor está ocorrendo e/ou coqueificação está começando a ocorrer, uma queda de pressão fugitiva ou rápida ocorre para a pressão de saída de aquecedor para a carga de alimentação que sai da saída de aquecedor. Uma alteração de 2% ou mais na queda de pressão, após operação de estado constante ocorre, pode ser um sinal de que vapor está se formando e que isso levará à coqueificação. Uma queda de pressão fugitiva de 2% ou mais, 3% ou mais, 5% ou mais, 7% ou mais, 10% ou mais, 15% ou mais, 20% ou mais, como 2% a 20% ou mais, é um sinal de que vapor está se formando e que isso levará, em toda probabilidade, a coqueificação. Como exemplo mais específico, pode-se ter uma pressão de entrada de aquecedor de X para a carga de alimentação que entra no aquecedor e após operação de estado constante ter sido atingida, a pressão de saída de aquecedor (a saber, a pressão da carga de alimentação que sai do aquecedor) pode ter uma pressão de X a (0,8) X, e essa pressão, durante operações de não coqueificação, será essencialmente mantida nessa pressão mais baixa durante operações de estado constante. Se os parâmetros do processo de fabricação de negro de fumo forem alterados, então, evidentemente, a pressão pode novamente alterar devido a uma alteração em parâmetros. Entretanto, no exemplo, operações de estado constante foram atingidas, e, portanto a pressão que sai do aquecedor será essencialmente mantida com pouca flutuação (+/- 0% a 1,9%). Durante operações de estado constante, se a pressão da carga de alimentação que sai do aquecedor (ou pressão antes de entrar no reator de negro de fumo) cair em mais de 2%, como as quedas de percentagem indicadas acima, essa seria uma queda de pressão fugitiva, o que significa que vapor está se formando na tubulação de carga de alimentação e que coqueificação resultará mais provavelmente. Os métodos da presente invenção fornecem métodos para produzir negro de fumo que evita a formação de película de vapor (por exemplo, evita a formação de película de vapor que bloqueia a transferência) e/ou uma queda de pressão fugitiva, e uma indicação clara de evitar a formação de película de vapor é evitar uma queda de pressão fugitiva como indicado aqui. Como exemplo adicional, uma queda de pressão fugitiva durante operações de estado constante pode ser uma alteração de pressão de 2% ou mais, que pode ocorrer em um quadro de tempo de 15 segundos a 1 hora, ou 30 segundos a 30 minutos, ou 1 minuto a 10 minutos, e isso é evitado pelos métodos da presente invenção.
As estratégias de controle de incrustação aplicadas à fabricação de negro de fumo da presente invenção podem reduzir ou evitar a taxa de depósito de coque ou outro meio de incrustação em paredes internas da tubulação de fornecimento de carga de alimentação, remover coque ou outro meio de incrustação depositada, ou ambos. Taxas de incrustação em tubulações de fornecimento de carga de alimentação que contêm cargas de alimentação aquecidas a mais de aproximadamente 300°C podem ser reduzidas ou evitadas por uma ou mais das seguintes abordagens: utilizar uma pressão de carga de alimentação mais elevada, utilizar uma velocidade de carga de alimentação mais elevada, diminuir capacidade de fluxo de calor de um aquecedor de carga de alimentação, revestir tubulações de fornecimento de carga de alimentação (inclusive daquelas em um aquecedor de carga de alimentação) com uma camada superficial de material não catalítico, diminuir tempo de permanência da carga de alimentação em seções de temperatura elevada, ou quaisquer combinações dessas abordagens. Como indicado, a remoção de coque das tubulações de fornecimento de carga de alimentação pode ser utilizada como outra abordagem ou abordagem adicional para controle de incrustação na presente invenção. Depósitos de coque, caso ocorram na tubulação de fornecimento, podem ser removidos, por exemplo, por purgação periódica das tubulações de carga de alimentação com um fluido ou gás de purgação, como um oxidante para carbono. As tubulações de carga de alimentação podem ser fragmentadas ou mecanicamente limpas para remoção de coque.
Para qualquer combinação dessas abordagens anti- incrustações que são utilizadas, um objetivo pode ser minimizar a taxa de incrustações líquida que ocorre na tubulação de fornecimento de carga de alimentação (isto é, a taxa de depósito de coque menos a taxa de qualquer decoqueificação (remoção de coque) implementada). A carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida pode ser continuamente introduzida em um reator para formar negro de fumo no reator em um modo estável sem ruptura (por exemplo, sem incrustações que obstruem tubulações de fornecimento de carga de alimentação) por uma duração, por exemplo, de pelo menos aproximadamente 12 horas, ou pelo menos 18 horas, ou pelo menos aproximadamente 24 horas, ou pelo menos aproximadamente 30 horas ou mais (por exemplo, 12 horas a 8 meses ou mais, 12 horas a 6 meses, 12 horas a 3 meses, 20 horas a 1 mês). Economia estimada de custo de matéria prima para o processo da presente invenção, como baseado em modelagem mostrada nos exemplos, está em excesso de 10% quando carga de alimentação é pré-aquecida a 500°C e em excesso de 20% quando carga de alimentação é pré-aquecida a 700°C, no modo de operação estável fornecida sem incrustações de carga de alimentação em comparação com uma temperatura de carga de alimentação convencional (abaixo de 300°C). Existem também dois benefícios adicionais da presente invenção. Um é um mecanismo de aumento de rendimento devido à pré-formação de sementes no processo de pirólise. Um segundo mecanismo de aumento de rendimento é devido à auto-evaporação instantânea da carga de alimentação no reator de negro de fumo sem resfriar gás em volta. Além disso, as estratégias anti-incrustações da presente invenção não exigem aditivos químicos, o que pode ser não econômico e/ou incompatível com os produtos ou processamento de negro de fumo.
Como indicado, a carga de alimentação pode ser aquecida a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C, ou outras temperaturas excedendo 500°C utilizando as presentes abordagens de controle de incrustações. A temperatura de carga de alimentação, devido aos avanços da presente invenção, pode ser, por exemplo, pelo menos 310°C, pelo menos 350°C, pelo menos 375°C, pelo menos 400°C, pelo menos 425°C, pelo menos aproximadamente 450°C, ou pelo menos aproximadamente 500°C, ou pelo menos aproximadamente 550°C, ou pelo menos aproximadamente 600°C, ou pelo menos aproximadamente 650°C, ou pelo menos aproximadamente 700°C, ou pelo menos aproximadamente 750°C, ou pelo menos aproximadamente 800 °C, pelo menos 850°C, ou de aproximadamente 305° C a aproximadamente 850°C, ou de aproximadamente 350° C a aproximadamente 850°C, ou de aproximadamente 450° C a aproximadamente 750°C, ou de aproximadamente 450° C a aproximadamente 700°C, ou de aproximadamente 500° C a aproximadamente 750°C, ou de aproximadamente 500° C a aproximadamente 700°C . essa temperatura de carga de alimentação é a temperatura da carga de alimentação que forma negro de fumo logo após sair do(s) aquecedor(es) utilizado(s) para pré-aquecer a carga de alimentação e/ou antes, de ser introduzida no reator de negro de fumo. A temperatura de carga de alimentação nesse aspecto pode ser medida ou sentida em um ou mais pontos ao longo da tubulação de fornecimento de carga de alimentação a partir do ponto no qual a temperatura de carga de alimentação foi elevada até um valor que excede aproximadamente 300°C até a extremidade de descarga da tubulação de fornecimento onde carga de alimentação é introduzida no reator. Essa tubulação de fornecimento de carga de alimentação inclui qualquer comprimento de tubagem em um aquecedor de carga de material em e após o que a temperatura de carga de alimentação foi elevada a um valor que excede aproximadamente 300°C e antes do transporte em uma porção de tubulação de fornecimento adicional que estende a partir do aquecedor de carga de alimentação até o reator. Como opção, a temperatura de carga de alimentação pré-aquecida pode ter um valor mínimo absoluto na tubulação de fornecimento de carga de alimentação pré-aquecida não menor do que 301°C, e/ou como opção, uma variabilidade máxima da temperatura na tubulação de fornecimento de carga de alimentação pré-aquecida pode ser, por exemplo, ±20%, ou ±10%, ou ±5% ou ±2,5% ou ±1% ou ± 0,5%, considerando todos os pontos ao longo da tubulação de fornecimento de carga de alimentação. Essas temperaturas de carga de alimentação indicadas podem ser utilizadas em combinação com as várias variáveis de processo de controle de incrustações indicadas aqui.
O controle de incrustações utilizando a velocidade de carga de alimentação mencionada, pelo menos em parte, pode incluir alimentar a carga(s) de alimentação nessa velocidade para o aquecedor e/ou através do aquecedor que pré-aquece a carga de alimentação e/ou através da tubulação de fornecimento de carga de alimentação para o reator. A velocidade pode ser, por exemplo, pelo menos aproximadamente 0,2 m/s, ou pelo menos aproximadamente 0,5 m/s, ou pelo menos aproximadamente 1 m/s, ou pelo menos aproximadamente 1,6 m/s, ou pelo menos aproximadamente 2 m/s, ou pelo menos aproximadamente 3 m/s, ou de aproximadamente 0,2 m/s a aproximadamente 10 m/s, ou de aproximadamente 1 m/s a aproximadamente 7 m/s, ou de aproximadamente 1,5 m/s a 3 m/s, ou de aproximadamente 2 m/s a aproximadamente 6 m/s, ou de aproximadamente 3 m/s a aproximadamente 5 m/s. a velocidade de carga de alimentação é uma velocidade linear em relação ao eixo geométrico longitudinal do tubo ou outra estrutura de tubulação de fornecimento. A velocidade de carga de alimentação (primeira velocidade) é medida no ponto de ser introduzida no aquecedor que pré-aquece a carga de alimentação. A velocidade de carga de alimentação através do(s) aquecedor(es) e/ou após sair do(s) aquecedor(es) pode ser igual ou diferente da primeira velocidade e, por exemplo, pode ser maior (por exemplo, pelo menos 1% maior, pelo menos 2% maior, pelo menos 3% maior, pelo menos 5% maior, pelo menos 7% maior, pelo menos 10% maior, pelo menos 100% maior, pelo menos 200% maior, como de 1% a 300% maior ou de 50% a 200% maior e similar). A velocidade é medida ou calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C em 1 atm (101,33 kPa) e com base na área em seção transversal menor presente na tubulação de carga de alimentação sendo medida. Essa tubulação de fornecimento de carga de alimentação pode incluir qualquer comprimento de tubagem em um aquecedor de carga de alimentação em e/ou após o que a temperatura de carga de alimentação foi elevada a um valor que excede aproximadamente 300°C e antes do transporte em uma porção de tubulação de fornecimento adicional estendendo a partir do aquecedor de carga de alimentação para o reator. Por exemplo, a velocidade de carga de alimentação pode ter um valor mínimo absoluto na tubulação de fornecimento de carga de alimentação não menor do que 0,2 m/s, e/ou como opção, uma variabilidade máxima da velocidade de carga de alimentação na tubulação de fornecimento de carga de alimentação pode ser, por exemplo, ±20%, ou ±10%, ou ±5%, ou ±1%%, ou ±0,5%, considerando todos os pontos ao longo da tubulação de fornecimento de carga de alimentação.
O controle de incrustações utilizando pressurização de carga de alimentação, pelo menos em parte, pode incluir pressurizar a carga de alimentação rendendo negro de fumo, por exemplo, em uma pressão maior do que aproximadamente 1.000 kPa, ou maior do que aproximadamente 2.000 kPa, ou maior do que aproximadamente 3.000 kPa, ou maior do que aproximadamente 4.000 kPa, ou maior do que aproximadamente 5.000 kPa, ou de aproximadamente 1.000 a aproximadamente 18.000 kPa, ou de aproximadamente 2.000 a aproximadamente 18.000 kPa, ou de aproximadamente 4.000 a aproximadamente 18.000 kPa, ou de aproximadamente 5.000 a aproximadamente 18.000 kPa ou mais. As pressões de carga de alimentação da presente invenção são fornecidas como pressões absolutas. A pressão (primeira pressão) é a pressão medida no ponto antes da introdução no aquecedor para pré-aquecimento. A pressão através do(s) aquecedor(es) que pré-aquece a carga de alimentação e/ou posteriormente ao(s) ponto(s) de introdução no reator pode ser igual ou diferente da primeira pressão, como mais baixa do que a primeira pressão (por exemplo, pelo menos 1% mais baixa, pelo menos 2% mais baixa, pelo menos 3% mais baixa, pelo menos 5% mais baixa, pelo menos 7% mais baixa, pelo menos 10% mais baixa, pelo menos 15% mais baixa, pelo menos 20% mais baixa, como de 1% a 25% mais baixa ou de 3% a 20% mais baixa e similar). As medições de pressão de manômetro devem ser ajustadas em valores absolutos em um modo conhecido para fazer comparações com as faixas mostradas aqui. A pressão de carga de alimentação pode ser medida ou sentida em um ou mais pontos ao longo da tubulação de fornecimento de carga de alimentação a partir do ponto no qual a temperatura de carga de alimentação foi elevada até um valor que excede aproximadamente 300°C até a extremidade de descarga da tubulação de fornecimento onde a carga de alimentação é introduzida no reator. Essa tubulação de fornecimento de carga de alimentação pode incluir qualquer extensão de tubagem em um aquecedor de carga de alimentação em e após o que a temperatura da carga de alimentação foi elevada a um valor que excede aproximadamente 300°C e antes do transporte em uma porção de tubulação de fornecimento adicional estendendo a partir do aquecedor de carga de alimentação até o reator. A pressão pode tender diretamente com a temperatura de carga de alimentação para controle de incrustações. Por exemplo, uma pressão de carga de alimentação de 1.000 kPa pode ser adequada para controlar incrustações em uma temperatura de carga de alimentação de 300°C, ao passo que uma pressão aumentada maior do que 1.000 kPa, como 2.000 kPa ou mais, pode ser mais útil para fornecer o mesmo nível de controle de incrustações se a temperatura de carga de alimentação for aumentada para 500°C, todas as outras coisas iguais.
O controle de incrustações utilizando um tempo de permanência de carga de alimentação total baixo pode ser utilizado. O tempo de permanência de carga de alimentação total pode ser o tempo combinado gasto pelo menos em um aquecedor para pré-aquecimento incluindo o tempo onde a carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida gasta antes de introdução no reator. O tempo de permanência total pode ser, por exemplo, menor do que aproximadamente 120 minutos, ou menor do que aproximadamente 90 minutos, ou menor do que aproximadamente 60 minutos, ou menor do que aproximadamente 45 minutos, ou menor do que aproximadamente 30 minutos, ou menor do que aproximadamente 15 minutos ou menor do que 10 minutos, ou menor do que 5 minutos, ou menor do que 4 minutos, ou menor do que 3 minutos, ou menor do que 2 minutos, ou menor do que 1 minuto, ou menor do que 30 segundos, ou menor do que 15 segundos, ou de aproximadamente 1/60 minuto a aproximadamente 120 minutos, ou de aproximadamente 0,5 minuto a aproximadamente 120 minutos, ou de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 90 minutos, ou de aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 60 minutos, ou de aproximadamente 3 minutos a aproximadamente 45 minutos, ou de aproximadamente 4 minutos a aproximadamente 30 minutos, ou de 5 a 30 minutos, ou de 5 a 40 minutos, ou de 10 a 30 minutos, ou de aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 15 minutos. o tempo de permanência pode ser um valor médio ou um valor máximo ou um valor mínimo. O tempo de permanecia de carga de alimentação pode ser determinado do ponto no qual a temperatura de carga de alimentação foi elevada até um valor que excede aproximadamente 300°C até o ponto onde carga de alimentação é introduzida no reator. O tempo de permanência pode tender inversamente com a temperatura de carga de alimentação. Por exemplo, um tempo de permanência de carga de alimentação de até aproximadamente 120 minutos pode ser tolerado sem problemas de incrustações em uma temperatura de carga de alimentação de 310°C, ao passo que o tempo de permanência pode ser preferivelmente reduzido para menos do que 120 minutos para fornecer o mesmo nível de controle de incrustações se a temperatura de carga de alimentação for aumentada para 500°C, todas as outras coisas iguais.
O controle de incrustações durante pré-aquecimento da carga de alimentação, por exemplo, em um aquecedor de carga de alimentação, pode incluir uso de um aquecedor que opera em um fluxo de calor médio, por exemplo, maior do que aproximadamente 10 kW/m2, ou maior do que aproximadamente 20 kW/m2, ou maior do que aproximadamente 30 kW/m2, ou maior do que aproximadamente 50 kW/m2, ou maior do que aproximadamente 100 kW/m2, ou de aproximadamente 10 kW/m2 a aproximadamente 150 kW/m2 (ou mais), ou de aproximadamente 20 a aproximadamente 150 kW/m2, ou de aproximadamente 30 a aproximadamente 100 kW/m2, ou de aproximadamente 40 a aproximadamente 75 kW/m2, ou de aproximadamente 50 a aproximadamente 70 kW/m2. A operação em um fluxo de calor mais elevado pode ser vista como uma medida de controle de incrustações, porque o fluxo de calor mais elevado resulta na carga de alimentação rendendo negro de fumo para aquecimento mais rápido e/ou permite um tempo de permanência mais curto no aquecedor uma vez que menos tempo é necessário para atingir a temperatura de pré-aquecimento alvo.
O controle de incrustações utilizando uma superfície não catalítica a craqueamento (por exemplo, craqueamento térmico) e/ou polimerização de hidrocarbonetos em paredes internas contatando a carga de alimentação da tubulação de fornecimento de carga de alimentação, pelo menos em parte, pode incluir, por exemplo, uma ou mais camada(s) de revestimento de proteção, como um revestimento cerâmico (por exemplo, sílica, alumina, óxido de cromo).
O controle de incrustações utilizando alimentação periódica na tubulação de um gás de purgação através da tubulação de fornecimento de carga de alimentação pode incluir injetar um oxidante para carbono (por exemplo, CO2, oxigênio, vapor, misturas de ar e vapor) na tubulação de fornecimento de carga de alimentação em um ponto ou pontos acessíveis ao longo da tubulação de carga de alimentação. O gás de purgação pode ser introduzido em uma temperatura de 150°C ou mais elevada ou excedendo 300°C à jusante de qualquer meio de bombeamento de carga de alimentação líquida. A velocidade de vapor através da tubulação de purgação pode ser, por exemplo, pelo menos aproximadamente 6 m/s. Quaisquer água parada da carga de alimentação pode ser eliminada de modo que a purgação imediatamente sopre toda a carga de alimentação no reator. O gás de purgação pode ser introduzido à montante de um aquecedor de carga de alimentação para assegurar adicionalmente todas as tubulações de fornecimento expostas a temperaturas de processo que excedem 300°C são tratadas.
Como indicado, o controle de incrustações por remoção de coque a partir das tubulações de carga de alimentação pode incluir, por exemplo, fragmentação ou raspagem mecânica. Fragmentação, por exemplo, pode envolver resfriamento de uma tubulação em linha revestida com coque de modo que pelo menos algum do coque depositado no lado interno do tubo descasca ou de outro modo se liberta das paredes internas do tubo visto que o tubo contrai em tamanho durante resfriamento. O coque frouxo pode ser retirado por lavagem para fora do tubo, e o tubo fragmentado está pronto para uso novamente. Durante fragmentação, a carga de alimentação pode ser desviada do tubo a ser fragmentado, como utilizando válvulas, através de uma tubulação de alimentação ou tubulações de alimentação on-line alternadas para o reator fornecido no aparelho. Após ser limpo, o tubo fragmentado está pronto para uso novamente. Outro método de limpar coque depositado para fora dos tubos de carga de alimentação pode envolver mover um raspador mecânico através do tubo para remover mecanicamente o coque a partir do interior dos tubos. Durante raspagem mecânica, a carga de alimentação pode ser desviada, como utilizando válvulas, através de uma tubulação de alimentação ou tubulações de alimentação online alternadas para o reator fornecido no aparelho, durante o tempo onde o tubo retirado off-line para limpeza está temporariamente fora de serviço. Fragmentação e/ou raspagem mecânica, se utilizado, pode ser realizado periodicamente nas tubulações de fornecimento de carga de alimentação.
A carga de alimentação rendendo negro de fumo que pode ser processada em temperaturas elevadas com controle de incrustações utilizando a presente invenção pode incluir genericamente quaisquer cargas de alimentação de óleo ou líquido de hidrocarboneto úteis para produção de negro de fumo. Cargas de alimentação de líquido apropriadas incluem, por exemplo, hidrocarbonetos insaturados, hidrocarbonetos saturados, olefinas, aromáticos e outros hidrocarbonetos como querosenes, naftalenos, terpenos, alcatrões de etileno, alcatrões de hulha, resíduos de craqueador, e materiais de ciclo aromático, ou quaisquer combinações dos mesmos. As cargas de alimentação podem ser, por exemplo, óleo de decantação, produto de alcatrão de hulha, resíduos de craqueador de etileno, óleo contendo asfalteno, ou quaisquer combinações dos mesmos. O tipo de carga de alimentação pode afetar comportamento das incrustações. As químicas podem variar entre os tipos diferentes de carga de alimentação e/ou em um tipo de carga de alimentação. Com base em experiência e teste de laboratório, óleo de decantação, óleo de coqueificador, alcatrões de hulha, e resíduos de craqueador de etileno, por exemplo, todos podem incrustar em várias temperaturas acima de aproximadamente 300°C. Resíduos de craqueador de etileno (ECR), por exemplo, podem ser relativamente elevados em asfaltenos. Outros tipos de carga de alimentação também podem conter asfaltenos e/ou ter químicas sujeitas a outros mecanismos de resíduos.
O teor de asfalteno da carga de alimentação pode ser, por exemplo, de 0% a aproximadamente 30% em peso, ou pelo menos aproximadamente 0,5% em peso, ou pelo menos aproximadamente 1% em peso, ou pelo menos aproximadamente 2% em peso, ou pelo menos aproximadamente 3% em peso, ou de aproximadamente 1% a aproximadamente 10% em peso ou de aproximadamente 2% a aproximadamente 7,5% em peso, ou de aproximadamente 2,5% a aproximadamente 5% em peso, com base no peso total de carga de alimentação. A carga de alimentação pode ter um ponto de ebulição inicial, por exemplo, de aproximadamente 160°C a aproximadamente 500°C, ou de aproximadamente 180°C a aproximadamente 450°C, ou de aproximadamente 200°C a aproximadamente 400°C, ou de 225°C a aproximadamente 350°C. O ponto de ebulição inicial se refere à temperatura na qual o primeiro componente de carga de alimentação (da carga de alimentação) evapora. A carga de alimentação pode ter um ponto de ebulição de faixa média, por exemplo, de aproximadamente 380°C a aproximadamente 800°C, ou de aproximadamente 400°C a aproximadamente 500°C, ou de aproximadamente 425°C a aproximadamente 475°C, ou de 440°C a aproximadamente 460°C. o ponto de ebulição de faixa média se refere à temperatura na qual 50% de componentes de carga de alimentação evaporaram. A carga de alimentação pode ter um ponto de ebulição final, por exemplo, de aproximadamente 600°C a aproximadamente 900°C, ou de aproximadamente 625°C a aproximadamente 725°C, ou de aproximadamente 650°C a aproximadamente 700°C, ou de 670°C a aproximadamente 690°C. o ponto de ebulição final se refere à temperatura na qual 100% de componentes de carga de alimentação evaporaram. Outros pontos de ebulição inicial, de faixa média e/ou final podem se aplicar, dependendo da escolha e química da carga de alimentação. Faixas exemplares de combinações das variáveis de processo de controle de incrustações são dadas na tabela 1. Tabela 1
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(1) Carga de alimentação pré-aquecida antes do reator (2) Através do aquecedor com base em condições de teste de 60°C a 1 atm (3) Antes do aquecedor
Em vista da orientação acima descrita e outra fornecida aqui, combinações apropriadas de variáveis de processo para fornecer controle de incrustações para as tubulações de fornecimento de carga de alimentação pré- aquecida podem ser determinadas em um modo direto por uma pessoa versada.
Os métodos da presente invenção podem ser utilizados com reatores de negro de fumo de forno com adaptações e modificações como relacionado aqui. Os métodos da presente invenção podem ser postos em prática, por exemplo, em um reator de negro de fumo de forno modular, também mencionado como “em estágios”. Reatores de forno em estágio que podem ser adaptados ou modificados para pôr em prática a presente invenção são mostrados, por exemplo, nas Patentes US números 3.922.335; 4.383.973; 5.190.739; 5.877.250; 5.904.762; 6.153.684; 6.156.837; 6.403.695; e 6.485.693 B1, todos os quais são incorporados na íntegra a título de referência aqui. O controle de incrustações fornecido pela presente invenção pode permitir como opção, pelo menos uma porção do pré-aquecimento de carga de alimentação a ser realizada por aquecimento da carga de alimentação com calor gerado pelo reator de forno de um ou mais locais do reator. Esse benefício é ilustrado nas discussões seguintes com referência a várias figuras.
A presente invenção também se refere a um aparelho para produzir negro de fumo. O aparelho ou sistema inclui: um reator para combinar uma corrente de gás aquecido e pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo para formar uma corrente de reação na qual negro de fumo é formado no reator; pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação para fornecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação ao reator para combinar a carga de alimentação com a corrente de gás aquecido; pelo menos um aquecedor de carga de alimentação operável para pré-aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo fornecida em pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos aproximadamente 300°C; pelo menos uma bomba operável para pressurizar a carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão maior do que aproximadamente 1.000 kPa antes da carga de alimentação ser pré-aquecida a pelo menos aproximadamente 300°C e para fornecer uma velocidade de carga de alimentação no aquecedor de carga de alimentação de pelo menos aproximadamente 0,2 m/s, ou ambos; e um resfriador brusco para resfriar o negro de fumo na corrente de reação.
O aparelho é operável para fornecer um tempo de permanência de carga de alimentação pelo menos em um aquecedor de carga de alimentação e pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação antes da introdução ao reator para a carga de alimentação pré- aquecida a pelo menos aproximadamente 300°C que é menor do que aproximadamente 120 minutos.
O pelo menos um aquecedor de carga de alimentação pode ser como mencionado acima e pode ser ou incluir um trocador de calor operável para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo em um fluxo de calor médio maior do que aproximadamente 10 kW/m2.
O pelo menos um aquecedor de carga de alimentação pode ser posicionado no reator a ser contatável pela corrente de reação operável para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C, como pelo menos 370°C. Pelo menos um aquecedor de carga de alimentação pode ser posicionado em contato (direta ou indiretamente) com pelo menos uma porção do reator operável para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C, como pelo menos 370°C. Pelo menos um aquecedor de carga de alimentação pode ser ou incluir um trocador de calor posicionado no reator à jusante do resfriador brusco, onde o trocador de calor inclui paredes adaptadas para serem aquecidas pela corrente de reação em um primeiro lado da mesma e adaptado para ser contatado por carga de alimentação em um lado oposto do mesmo antes da carga de alimentação ser fornecida a pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação, onde a carga de alimentação é aquecível a uma temperatura de pelo menos 300°C, como pelo menos 370°C no trocador de calor. O aparelho pode incluir pelo menos um trocador de calor para um portador de calor em fluxo posicionado no reator a ser contatado pela corrente de reação, e pelo menos um aquecedor de carga de alimentação é externa ao reator e operável para permutar calor do portador de calor em fluxo que saiu do trocador de calor com a carga de alimentação no aquecedor de carga de alimentação para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C, como pelo menos 370°C. Pelo menos um aquecedor de carga de alimentação pode ser operável para permutar calor de um fluxo de gás residual de um reator (um reator que recebe a carga de alimentação de pré-aquecimento ou uma diferente) para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C, como pelo menos 370°C. O aparelho pode incluir um aquecedor de plasma operável para aquecer um fluxo de gás aquecível a plasma para fornecer pelo menos uma porção da corrente de gás aquecido. O aparelho pode incluir superfície não catalítica em algumas ou todas as paredes contatando carga de alimentação do aquecedor de carga de alimentação e/ou paredes internas contatando a carga de alimentação de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação, onde a superfície é não catalítica a craqueamento térmico ou polimerização de hidrocarbonetos. O aparelho pode incluir revestimento cerâmico não catalítico nas paredes contatando carga de alimentação do aquecedor de carga de alimentação e/ou paredes internas contatando a carga de alimentação de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação. O aparelho pode incluir pelo menos uma fonte de gás de purgação, como um oxidante para carbono e pelo menos um ponto de introdução de gás de purgação pelo menos em uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação operável para purgar periodicamente pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação com o gás de purgação. O reator pode ser operável para combinar carga de alimentação e corrente de gás aquecido para formar continuamente negro de fumo no reator por pelo menos aproximadamente 12 horas.
Como exemplo, a figura 1 mostra uma porção de um tipo de reator de negro de fumo de forno que pode ser utilizado em um processo da presente invenção para fornecer negros de fumo onde pelo menos uma porção do pré- aquecimento inclui aquecer uma carga de alimentação rendendo negro de fumo com a corrente de reação no reator para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C. Uma ou mais das abordagens de controle de incrustações indicadas é aplicada ao esquema de processo mostrado na figura 1 para suportar o uso de tal carga de alimentação pré-aquecida.
Com referência à figura 1, o negro de fumo da presente invenção pode ser produzido em um reator de negro de fumo de forno 2, tendo uma zona de combustão 10, que tem uma zona opcional de diâmetro convergente, 11, uma zona(s) de injeção de carga de alimentação 12, e uma zona(s) de reação 13. Uma primeira zona de resfriamento brusco 14 segue a zona de reação 13. Diâmetros e comprimentos úteis dessas várias zonas que podem ser utilizadas podem ser selecionados com referência às patentes acima indicadas incorporadas a título de referência. Para produzir os negros de fumo, gases de combustão quentes são gerados na zona de combustão 10, por reagir um combustível gasoso ou líquido com um oxidante apropriado como ar, oxigênio, misturas de ar e oxigênio ou similar. Entre os combustíveis apropriados para uso na reação com o fluxo de oxidante na zona de combustão 10, para gerar os gases de combustão quentes são incluídos quaisquer dos fluxos de gás, vapor e/ou líquido prontamente combustíveis como gás natural, hidrogênio, monóxido de carbono, metano, acetileno, alcoóis ou querosene. É genericamente preferido, entretanto, utilizar combustíveis tendo um teor elevado de componentes contendo carbono e, em particular, hidrocarbonetos. A razão estequiométrica de ar para gás natural utilizada para produzir os negros de fumo da presente invenção pode ser de aproximadamente 0,6:1 até infinito ou de aproximadamente 1:1 (razão estequiométrica) até infinito. Para facilitar a geração de gases de combustão quentes, o fluxo oxidante pode ser pré-aquecido. A corrente de gás de combustão quente flui à jusante das zonas 10 e 11 para dentro das zonas 12 e 13 e então 14. A direção do fluxo de gases de combustão quentes é mostrada na figura 1 pela seta. Carga de alimentação rendendo negro de fumo 15 é introduzida no ponto 16 localizado na zona 12. A carga de alimentação pode ser introduzida através de uma sonda(s), radialmente para dentro através de uma pluralidade de aberturas posicionadas na parede da zona 12 no ponto 16, ou uma combinação dos dois. A carga de alimentação pode ser introduzida axial ou radialmente através de uma sonda(s) axialmente inserida(s) através do queimador em qualquer lugar nas zonas 11, 12 e/ou 13 (operação "stinger"). Apropriadas para uso no presente documento como os tipos de cargas de alimentação de hidrocarboneto que fornecem negro de fumo, que podem ser prontamente volatilizáveis sob as condições da reação, incluem as cargas de alimentação anteriormente indicadas. Pontas de queimador/reator podem ser mais suscetíveis a erosão em temperaturas de carga de alimentação elevadas. Materiais como liga de metal STELLITE® 6, por exemplo, podem ser utilizados para estender a vida da ponta.
Como mostrado na figura 1, a carga de alimentação rendendo negro de fumo 15 é pré-aquecida a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C antes de ser introduzida no reator 2. A carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida é fornecida pelo menos em uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação 17 para pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação 16 no reator 2. Após introdução, a carga de alimentação combina com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação ao qual negro de fumo é formado no reator. O negro de fumo na corrente de reação pode ser saturado em uma ou mais zonas. Por exemplo, no local de resfriamento brusco 18 da zona de resfriamento brusco 14, fluido de resfriamento brusco é injetado que pode incluir água, e que pode ser utilizado para completamente ou essencialmente completamente parar a pirólise da carga de alimentação rendendo negro de fumo, ou somente parcialmente resfriar a carga de alimentação sem parar a pirólise seguido por um resfriamento brusco secundário (não mostrado) utilizado para parar a pirólise da carga de alimentação rendendo negro de fumo.
Como também mostrado na figura 1, o aquecedor de carga de alimentação pode incluir um trocador de calor 19 (HXR), que pode ter paredes de aquecedor (não mostradas), como utilizado em desenhos de trocador de calor conhecidos, aquecidas pela corrente de reação em um primeiro lado da mesma e contatando carga de alimentação em um lado oposto da mesma antes da carga de alimentação ser fornecida a pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação. Como indicado, a carga de alimentação é aquecida no trocador de calor a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C. Embora mostrado disposto à jusante de um resfriador brusco, o trocador de calor de carga de alimentação pode ser localizado à montante do resfriador brusco na corrente de reação, com a condição de que o aquecedor tenha uma construção que possa tolerar e operar em temperaturas de pré-resfriamento brusco mais elevadas no reator. O aquecedor de carga de alimentação pode ser disposto para estar em contato físico com pelo menos uma porção do reator, por exemplo, como uma bobina ou tubagem alojada em e ou contra e em contato com uma parede ou paredes aquecidas do reator, para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C. Embora não mostrado na figura 1, o trocador de calor pode aquecer opcionalmente a carga de alimentação a uma temperatura intermediária (por exemplo, acima de 250°C ou 50°C a 350°C, ou outras temperaturas abaixo da temperatura pré-aquecida objetivo) ou ser utilizado para obter a temperatura de pré-aquecimento acima de 300°C, e então um trocador de calor adicional ou aquecedor externo ou interno ao reator pode ser utilizado para aquecer até a temperatura de pré-aquecimento final.
A corrente de reação no reator pode ter uma temperatura em resfriamento brusco, por exemplo, de aproximadamente 600°C a aproximadamente 2.000°C, ou de aproximadamente 800°C a aproximadamente 1.800°C, ou de aproximadamente 1.000°C a aproximadamente 1.500°C, ou outras temperaturas elevadas que refletem uma reação exotérmica extrema que é gerada no reator de forno. A presente invenção pode fornecer permuta de calor de carga de alimentação com o calor exotérmico elevado gerado pelas reações no reator sem problemas de incrustações originando nas tubulações de fornecimento de carga de alimentação. A presente invenção desse modo pode tornar exeqüível aperfeiçoar recuperação de energia e poupar custos de matéria prima em comparação com produção de negro de fumo convencional que opera em temperaturas de carga de alimentação muito mais baixas.
Como também mostrado na figura 1, pelo menos uma bomba 20 pode ser instalada em linha na tubulação de carga de alimentação à montante do aquecedor de carga de alimentação 19 utilizada para elevar a temperatura de carga de alimentação a um valor que excede 300°C. a bomba pode ser utilizada para pressurizar a carga de alimentação antes de entrar no aquecedor de carga de alimentação. Desse modo, a carga de alimentação já pode ser pressurizada no momento onde a temperatura de carga de alimentação é aumentada para valores elevados onde os problemas de incrustações na tubulação de fornecimento de carga de alimentação de outro modo poderiam originar na ausência da pressurização ou outras abordagens de controle de incrustações indicadas. Como a carga de alimentação normalmente pode experimentar uma queda de pressão durante passagem através do aquecedor de carga de alimentação sob condições de operação normal (por exemplo, uma queda de pressão de 0 a aproximadamente 2.000 kPa), dependendo, por exemplo, do desenho do trocador de calor e modo de operação, qualquer pressurização aplicada à carga de alimentação como medida de controle de incrustações deve compensar qualquer queda de pressão que possa ocorrer ou ser esperada ocorrer em um trocador de calor de carga de alimentação, bem como qualquer outra queda de pressão que ocorre ou pode ser esperada ocorrer nos tubos de tubulação de fornecimento ou outros condutos utilizados para transportar a carga de alimentação pré- aquecida para o reator, particularmente se necessário para manter a pressão de carga de alimentação em um valor de faixa pré-alvo. Embora somente uma única tubulação de fornecimento de carga de alimentação e ponto de injeção de carga de alimentação no reator seja ilustrada na figura 1, e em outras figuras aqui, para fins de simplificar as ilustrações, entende-se que múltiplas tubulações de fornecimento de carga de alimentação e pontos de injeção no reator podem ser utilizadas às quais os controles de incrustações indicados também podem ser aplicados.
Após a mistura de gases de combustão quentes e carga de alimentação rendendo negro de fumo ser resfriada bruscamente, os gases resfriados passam à jusante em quaisquer etapas de resfriamento e separação convencionais pelo que o negro de fumo é recuperado. A separação do negro de fumo da corrente de gás pode ser prontamente realizada por dispositivos convencionais como precipitador, separador de ciclone ou filtro de saco. Com relação a resfriamento brusco total das reações para formar o produto de negro de fumo final, qualquer processo convencional para resfriar bruscamente a reação à jusante da introdução da carga de alimentação rendendo negro de fumo pode ser utilizado e é conhecido por aqueles versados na técnica. Por exemplo, um fluido de resfriamento brusco pode ser injetado que pode ser água ou outros fluidos apropriados para parar a reação química.
A figura 2 mostra uma porção de outro tipo de reator de negro de fumo de forno que pode ser utilizado em um processo da presente invenção para produzir negros de fumo onde pelo menos uma porção do pré-aquecimento inclui contatar um trocador de calor 21 com a corrente de reação no reator onde um meio de calor em fluxo ou portador 28, como vapor ou nitrogênio, fluindo através do trocador de calor é aquecido no reator, e o vapor aquecido (por exemplo, vapor superaquecido) então passa para fora do trocador de calor e reator e é canalizado através de um aquecedor de carga de alimentação separado 22 posicionado externo ao reator onde operável para permutar calor com a carga de alimentação no aquecedor de carga de alimentação para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C, como 370°C ou maior.
A figura 3 mostra uma porção de outro tipo de reator de negro de fumo de forno que pode ser utilizado em um processo da presente invenção para produzir negros de fumo onde pelo menos uma porção do pré-aquecimento inclui contatar um aquecedor de carga de alimentação 23 com gás residual que saiu do reator para aquecer a carga de alimentação no aquecedor de carga de alimentação a uma temperatura maior do que aproximadamente 300°C (ou pelo menos parcialmente até a temperatura alvo).
A figura 4 mostra outro tipo de reator de negro de fumo de forno que pode ser utilizado em um processo da presente invenção onde a corrente de gás aquecido inclui ainda pelo menos em parte ou totalmente um gás aquecido 24 que foi aquecido pelo menos em parte ou totalmente utilizando um aquecedor de plasma 25. O aquecimento de plasma do gás pode ser realizado, por exemplo, de acordo com métodos conhecidos por aqueles versados na técnica. Um maçarico de plasma pode ser utilizado, por exemplo, como mostrado na Patente US número 5.486.674, cuja revelação integral é pelo presente incorporado a título de referência, e pode-se fazer referência a aquecimento de plasma mostrado nas Patentes US números 4.101.639 e 3.288.696, cujas revelações integrais são pelo presente incorporados a título de referência.
Como também mostrado na figura 4, a carga de alimentação pode ser indiretamente aquecida por um meio de aquecimento (por exemplo, vapor) que permutou calor com a corrente de reação no trocador de calor 26 no reator, ou alternativamente, a carga de alimentação pode ser diretamente aquecida no trocador de calor 26 no reator como mostrado pelas linhas tracejadas.
O projeto do trocador de calor utilizado para pré- aquecer a carga de alimentação, em ou fora do reator, nesses vários esquemas de processo da presente invenção pode ter qualquer desenho de trocador de calor convencional, como invólucro e tubo, invólucro e bobina, placa e armação, e similar. Onde o trocador de calor tem uma configuração de bobina em linha, tubo de relação 80 e joelhos podem ser utilizados, por exemplo, ara a bobina em linha para evitar problemas de erosão/corrosão. Além disso, um passo constante entre tubos pode ser utilizado na construção da tubulação de bobina em linha e a bobina pode utilizar a seção transversal inteira do coletor de gás combustível. Coeficientes de transferência de calor para bobinas em linha podem variar significativamente para tipos diferentes e usinas diferentes.
Além disso, quaisquer das cargas de alimentação para os esquemas de processo e métodos, descritos, podem conter materiais ou composições adicionais que são comumente utilizadas para fazer negro de fumo convencional. O método da presente invenção pode incluir ainda introduzir pelo menos uma substância que é ou que contém pelo menos um elemento do Grupo IA e/ou Grupo IIA (ou íon do mesmo) da Tabela periódica. A sustância contendo pelo menos um elemento do Grupo Ia e/ou grupo IIa (ou íon do mesmo contém pelo menos um metal alcalino ou metal alcalino terroso. Os exemplos incluem lítio, sódio, potássio, rubídio, césio, frâncio, cálcio, bário, estrôncio, ou rádio ou combinações dos mesmos. Quaisquer misturas de um ou mais desses componentes podem estar presentes na substância. A substância pode ser um sólido, solução, dispersão, gás ou quaisquer combinações dos mesmos. Mais de uma substância tendo o metal de Grupo IA e/ou Grupo IIa igual ou diferente (ou íon do mesmo) pode ser utilizada. Se múltiplas substâncias forem utilizadas, as substâncias podem ser adicionadas juntas, separadamente, seqüencialmente, ou em locais de reação diferentes. Para fins da presente invenção, a substância pode ser o próprio metal (ou íon de metal), um composto contendo um ou mais desses elementos, incluindo um sal contendo um ou mais desses elementos e similares. A substância pode ser capaz de introduzir um metal ou íon de metal na reação que é contínua para formar o produto de negro de fumo. Para fins da presente invenção, a substância contendo pelo menos um metal do Grupo IA e/ou grupo IIa (ou íon do mesmo), se utilizada, pode ser introduzida em qualquer ponto no reator, por exemplo, antes do resfriamento brusco total. Por exemplo, a substância pode ser adicionada em qualquer ponto antes do resfriamento brusco total, incluindo antes da introdução da carga de alimentação rendendo negro de fumo em um primeiro estágio de reação; durante a introdução da carga de alimentação rendendo negro de fumo em um primeiro estágio de reação; após a introdução da carga de alimentação rendendo negro de fumo em um primeiro estágio de reação; antes de, durante ou imediatamente após a introdução de qualquer segunda carga de alimentação rendendo negro de fumo; ou qualquer etapa após a introdução de uma segunda carga de alimentação rendendo negro de fumo, porém antes do resfriamento brusco total. Mais de um ponto de introdução da substância pode ser utilizado.
A quantidade do metal de Grupo IA e/ou grupo IIA (ou íon do mesmo) contendo substância, se utilizada, pode ser qualquer quantidade desde que um produto de negro de fumo possa ser formado. As substâncias podem ser adicionadas em uma quantidade tal que 200 ppm ou mais do elemento ou íon do Grupo IA e/ou elemento do Grupo IIA (ou íon do mesmo) estejam presentes no produto de negro de fumo finalmente formado. Outras quantidades incluem aproximadamente 200 ppm a aproximadamente 20000 ppm ou mais e outras faixas podem ser de aproximadamente 500 ppm a aproximadamente 20.000 ppm, ou de aproximadamente 1.000 ppm a aproximadamente 20.000 ppm, ou de aproximadamente 5.000 ppm a aproximadamente 20.000 ppm, ou de aproximadamente 10.000 ppm a aproximadamente 20.000 ppm, ou de aproximadamente 300 ppm a aproximadamente 5.000 ppm, ou de aproximadamente 500 ppm a aproximadamente 3.000 ppm, ou de aproximadamente 750 ppm a aproximadamente 1.500 ppm, do elemento do Grupo IA e/ou Grupo IIA (ou íon do mesmo) presente no produto de negro de fumo que é formado. Esses níveis podem ser com relação à concentração de íon de metal. Essas quantidades do elemento de grupo IA e/ou grupo IIA (ou íon do mesmo) presentes no produto de negro de fumo que é formado podem ser com relação a um elemento ou mais de um elemento do Grupo IA e/ou grupo IIA (ou íon do mesmo) e seriam, portanto uma quantidade combinada dos elementos de grupo IA e/ou grupo IIA (ou íons do mesmo) presentes no produto de negro de fumo que é formado. Portanto, essas quantidades podem aplicar-se ao elemento/íon do grupo IA ou teor de elemento/íon de grupo IIA individualmente. A substância pode ser adicionada em qualquer modo. A substância pode ser adicionada do mesmo modo que uma carga de alimentação rendendo negro de fumo é introduzida. A substância pode ser adicionada como um gás, líquido ou sólido ou qualquer combinação dos mesmos. A substância pode ser adicionada em um ponto ou vários pontos e pode ser adicionada como um fluxo único ou uma pluralidade de fluxos. A substância pode ser misturada com a carga de alimentação, combustível e/ou oxidantes antes de ou durante sua introdução.
Um método pelo qual uma substância que contém pelo menos um elemento do Grupo IA e/ou Grupo IIA (ou íon do mesmo) tal como, por exemplo, potássio pode ser introduzida na carga de alimentação é pela incorporação da substância à carga de alimentação. Em outro método, a substância é introduzida no reator separadamente a partir da carga de alimentação, tal como por utilização de uma varinha de injeção que se estende para dentro do reator. Adição de uma solução de potássio à carga de alimentação de alta temperatura, por exemplo, pode criar um risco de entupimento da ponta, tal como resultante da cintilação de potássio. A injeção de íons de potássio ou outro grupo IA e/ou II (ou seus íons) com uma varinha no queimador pode ser usada para atenuar este risco. Além disso, a utilização de uma varinha para a introdução de potássio em outros metais dos Grupos IA e/ou IIA (ou íons de metais dos mesmos) no reator, que apresenta aberturas maiores que as aberturas padrão pode ser feita para reduzir o risco de entupimento ou fornecer a limpeza de uma varinha na carga. Para reduzir o risco de danos ao forro do queimador quando se realiza algumas classificações elevadas de íon potássio do negro de fumo, a temperatura de carga de alimentação pode precisar ser reduzida a um valor mais baixo ainda na faixa > 300°C, de modo que os íons de potássio podem ser injetados no óleo. Para pré-aquecimento da carga de alimentação a > 300°C, uma forma solúvel em óleo alternativa de potássio pode ser usada, tal como, CATALYST® 460 HF, material da OM Group, que pode ser injetado diretamente na carga de alimentação. O material de CATALYST® 460 HF é um sal orgânico de potássio (neodecanoato de potássio), que é solúvel em carga de alimentação, portanto, não deve ser submetido ao mesmo risco de problemas de cintilação como com as soluções aquosas. Por conseguinte, os esquemas de processo da presente invenção com base na carga de alimentação de temperatura elevada e estratégias antiincrustações combinadas podem ser adaptados para serem compatíveis com o uso de modificadores de negro de fumo em processo, tais como aditivos de controle de estrutura (por exemplo, potássio ou outras fontes de metal alcalino/íon).
As condições de pré-aquecimento da carga de alimentação e projetos que se tornaram plausíveis pela presente invenção podem prover vantagens e benefícios, tais como, por exemplo, recuperação de energia melhorada, economias de custos das matérias-primas, aumentos no negro de fumo, redução das emissões de dióxido de carbono, produção de negro e fumo estável ou contínua, produção para períodos de tempo industrialmente úteis em condições de temperatura de carga de alimentação elevada, ou quaisquer combinações dos mesmos. O aumento do pré-aquecimento da carga de alimentação a mais de 300°C pode ser esperado para reduzir os níveis de emissão de enxofre e NOx com base em uma taxa de massa em condições de produção constantes. A taxa de emissão por kg de negro de fumo deverá diminuir sob todas as condições operacionais. A concentração de emissão depende das condições de operação específicas escolhidas.
Além dos benefícios e vantagens previamente indicados, outros benefícios em potencial da carga de alimentação pré-aquecida podem ser obtidos de acordo com a presente invenção. Um mecanismo de aumento de rendimento pode resultar da pré-formação de sementes no processo de pirólise. Embora não desejando ser ligado a uma teoria específica, a carga de alimentação pode ser submetido as reações de desidrogenação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH) e abstração de grupos não aromáticos durante a fase de pré-aquecimento. Espera-se que PAHs desidrogenados formem sementes mais rapidamente que o material original. Pressão elevada foi mostrada nos exemplos para controlar a taxa de desidrogenação. Pressão, tempo de residência, e/ou controle de temperatura, tal como detalhados no presente documento podem controlar a formação de moléculas de PAH grandes, que potencialmente seriam capazes de fornecer um mecanismo de controle para a produção de sementes de negro de fumo. Como indicado, a desvantagem de uma pirólise de carga de alimentação de alta temperatura é o potencial para a formação de coque e grânulos, que é atenuado ou prevenido na presente invenção, onde as condições de temperatura alta da carga de alimentação são combinadas com as abordagens de controle de incrustações no local. Um segundo mecanismo para aumento do rendimento pode ser, por exemplo, por evaporação flash da carga de alimentação pré-aquecida no reator de negro de fumo, sem resfriamento brusco do gás circundante. Evaporação de cintilação instantânea da carga de alimentação evitaria a necessidade de uso de gás de combustão do queimador para a atomização de carga de alimentação. Quando injetado em pressão próxima da atmosférica, no reator de negro de fumo, a carga de alimentação pré-aquecida para temperaturas excedendo o 300°C pode apresentar energia interna suficiente para autoevaporar e se misturar com os gases de combustão do queimador.
Qualquer tipo de classificação ASTM grau (por exemplo, N100 para N1000) ou outras classificações de negro de fumo podem ser feitas pela presente invenção. O negro de fumo obtido pelos processos da presente invenção pode ter uma ou mais propriedades únicas (ou propriedades benéficas) e/ou parâmetros devido à utilização de temperaturas de carga de alimentação de pré-aquecimento elevadas e/ou outros parâmetros do processo mencionados no presente documento. O negro de fumo obtido pelos métodos e disposições de equipamento da presente invenção pode ser usado em qualquer aplicação de utilização final, onde os negros de carbono convencionais são utilizados, por exemplo, tintas, pigmentos, produtos plásticos, vedantes, adesivos, revestimentos, produtos elastoméricos, toners, células de combustível, pneumáticos ou suas partes, peças moldadas, componentes eletrônicos, cabos, fios, ou suas partes, e semelhantes, usando quantidades convencionais ou inferiores.
Uma vantagem que pode ser alcançada com a presente invenção é a formação de negros de fumo comercialmente aceitáveis tendo a mesma morfologia e/ou outros parâmetros como negro de fumo obtido de uma maneira convencional. Com a presente invenção, os negros de fumo comercialmente aceitáveis apresentam a mesma morfologia e/ou outros parâmetros são capazes de ser obtidos usando os processos da presente invenção. Como uma opção, uma vantagem pode ser obtida com a presente invenção é a formação de negros de carbono que têm uma quantidade muito menor de PAH. Uma quantidade de PAH inferior nos negros de carbono não altera o desempenho do negro de fumo e, geralmente, uma quantidade elevada de PAH é indesejável para uma variedade de razões. Com a presente invenção, um negro de fumo selecionado pode ser obtido apresentando a mesma morfologia ou essencialmente a mesma morfologia (isto é, um valor de morfologia dentro de uma variação de mais ou menos 5% em uma ou mais propriedades de morfologia ou essencialmente a mesma morfologia, tal como, OAN, COAN e semelhantes), como o negro de fumo selecionado obtido por um método convencional utilizando as mesmas condições do reator e cargas de alimentação (porém onde não ocorre o pré- aquecimento da carga de alimentação a temperaturas superiores a 300°C antes de fornecimento de carga de alimentação ao reator de negro de fumo). Os níveis de PAH de um negro de fumo selecionado da presente invenção podem ser reduzidos, em uma base de peso ppm, de 10% a 50%, de 20% a 50%, ou 30% a 100% ou mais com base em níveis de ppm, quando em comparação com o negro de fumo selecionado apresentando a mesma morfologia, porém preparado onde nenhum pré-aquecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo para mais de 300°C ocorre antes da entrada no reator de negro de fumo para formar o negro de fumo e usando as mesmas condições de reator e carga de alimentação. Além disso, os níveis de PAH no negro de fumo podem ser separados em três categorias de peso molecular (MW): PAHs de MW alto (superior ao peso médio de 250 MW); PAHs de MW médio (200 a 250 de peso médio MW); e PAHs de MW baixo (inferior a peso médio de 250 MW). A presente invenção tem a capacidade de reduzir um ou mais das quantidades de PAH de MW elevado e/ou médio de 10% a 50%, de 20% a 50%, ou a partir de 30% a 100% ou mais com base em níveis de ppm, quando comparado a um negro de fumo tendo a mesma morfologia, mas preparado onde nenhum pré-aquecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo para mais de 300°C antes da entrada no reator de negro de fumo para formar negro de fumo e usar as mesmas condições de reator e carga de alimentação. Além disso, a presente invenção tem a capacidade de reduzir muito a percentagem de PAHs MW alta (considerado o mais indesejável) a partir da quantidade total de PAH de um selecionado de negro de fumo, quando comparado com o negro de fumo selecionado tendo a mesma morfologia, mas preparado onde nenhum pré-aquecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo superior a 300°C ocorre antes da entrada no reator de negro de fumo para formar negro de carbono e usando as mesmas condições de reator e carga e alimentação. A porcentagem de PAHs de MW elevado da quantidade de PAH total pode ser reduzida em quantidades de 10% a 50%, de 20% a 50%, ou a partir de 30% a 100% ou mais com base nos níveis de ppm um negro de fumo selecionado, quando comparado ao negro de fumo selecionado tendo a mesma morfologia, porém preparado onde nenhum pré- aquecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo para mais de 300°C ocorre antes da entrada no reator de negro de fumo para formar negro de fumo e usando as mesmas condições de reação e carga de alimentação. As determinações acima foram feitas com base nos experimentos que compararam negros de fumo selecionados fabricados usando a presente invenção aos negros de fumo selecionados onde nenhum pré-aquecimento da carga e alimentação rendendo negro de fumo para mais de cerca de 300°C ocorre antes da entrada no reator de negro de fumo para formar negro de fumo, porém usando as mesmas condições de reação e carga de alimentação. Esta é uma vantagem significativa que pode ser obtida com a presente invenção.
A presente invenção inclui os seguintes aspectos/modalidades em qualquer ordem e/ou em qualquer combinação: 1. A presente invenção se refere a um método para a produção de negro de fumo compreendendo: introdução de uma corrente de gás aquecido ao reator de negro de fumo; fornecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo a pelo menos um aquecedor; pré-aquecimento da dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito, pelo menos, um aquecedor a uma segunda temperatura superior a cerca de 300°C para proporcionar uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresenta uma velocidade no dito pelo menos um aquecedor que é pelo menos de 0,2 m/s e a velocidade é calculada com base na densidade de carga de alimentação medida a 60°C em 1 atm e a menor área de seção transversal de uma tubulação de carga de alimentação presente no dito pelo menos um aquecedor e (b) pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresenta um primeiro tempo de residência de carga de alimentação no dito aquecedor de pelo menos cerca de 120 minutos; fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a pelo menos um ponto de introdução de negro de fumo para o reator de negro de fumo, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida apresenta um segundo tempo de residência saindo do dito pelo menos um aquecedor para imediatamente antes do ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo de menos de cerca de 120 minutos; e onde o dito primeiro tempo de residência de carga de alimentação e dito segundo tempo de residência de carga de alimentação combinados são de 120 minutos ou menos; combinação de pelo menos a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos um ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação na qual o negro de fumo é formado no dito reator de negro de fumo; e recuperação (por exemplo, resfriamento brusco) do negro de fumo na corrente de reação. 2. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a apresentar uma pressão superior a cerca de 1.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 3. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a apresentar uma pressão superior a cerca de 2.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 4. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão entre cerca de 2.000 kPa a cerca de 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 5. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde a dita velocidade é pelo menos cerca de 1 m/s. 6. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde a dita velocidade é de pelo menos cerca de 1,6 m/s. 7. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende óleo de decantação, produto de alcatrão de hulha, resíduos de craqueamento de etileno, óleo contendo asfalteno, ou qualquer combinação destes. 8. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo tem um ponto de ebulição inicial de cerca de 160°C a cerca de 500°C. 9. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pré- aquecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende aquecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito aquecedor que tem um trocador de calor operando a um fluxo de calor médio superior a cerca de 10 kW/m2. 10. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde pelo menos uma porção do dito pré-aquecimento ocorre no dito, pelo menos, um aquecedor que tem seu calor fornecido, pelo menos parcialmente, pelo calor gerado pelo dito reator de negro de fumo ou outro reator de negro de fumo ou ambos. 11. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde o dito primeiro tempo de residência e segundo tempo de residência combinados são inferiores a 60 minutos. 12. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor troca calor com pelo menos uma porção do dito reator de negro de fumo. 13. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor contata dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo a jusante de um resfriador brusco, onde o dito pelo menos um aquecedor compreende um trocador de calor, com paredes aquecidas pela dita corrente de reação em um primeiro lado da mesma e contatando dita carga de alimentação rendendo negro de fumo em um lado oposto da mesma. 14. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor inclui um trocador de calor que troca calor com dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo, onde um transportador de calor escoável que flui através do trocador de calor é aquecido, e o transportador de calor aquecido escoável passa através do dito pelo menos um aquecedor posicionado externo ao reator e operável para troca de calor do transportador de calor escoável com a carga de alimentação para aquecer a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo. 15. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor é pelo menos parcialmente aquecido com gás residual de negro de fumo a partir do dito reator de negro de fumo ou um reator de negro de fumo diferente, ou ambos, para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo. 16. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde a introdução da corrente de gás aquecido compreende o aquecimento por plasma de uma corrente de gás aquecida por plasma em um aquecedor de plasma para fornecer pelo menos uma porção da corrente de gás aquecido. 17. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, provisão de uma superfície não catalítica nas paredes contatando a carga de alimentação rendendo negro de fumo do dito pelo menos um aquecedor e paredes internas de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao dito reator de negro de fumo, onde a superfície é não catalítica ao craqueamento ou polimerização de hidrocarbonetos. 18. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde o dito fornecimento compreende a provisão da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e dito método compreende ainda alimentação periódica de um gás de purga compreendendo um oxidante para carbono através do pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo. 19. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, onde o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e dito método compreende ainda injeção da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao reator de negro de fumo com cintilação pelo menos parcial da carga de alimentação rendendo negro de fumo. 20. O método de qualquer modalidade/característica/ aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, combinação da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida e da corrente de gás aquecido no reator de negro de fumo para formar continuamente negro de fumo no reator durante pelo menos cerca de 12 horas. 21. Um método para produção de negro de fumo compreendendo: introdução de uma corrente de gás aquecido em um reator de negro de fumo; fornecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresentando uma primeira temperatura abaixo de 360°C a pelo menos um aquecedor; pré-aquecimento da dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito, pelo menos, um aquecedor para uma segunda temperatura de desde cerca de 360°C a cerca de 850°C para proporcionar uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tem uma velocidade no dito pelo menos um aquecedor que é pelo menos de 0,2 m/s, e a velocidade é calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C a 1 atm e a menor área da seção transversal de uma tubulação de carga de alimentação presente no dito, pelo menos, um aquecedor, e (b) a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui um primeiro tempo de residência de carga de alimentação no dito aquecedor inferior a cerca de 120 minutos; fornecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida em pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação do reator de negro de fumo, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida possui um segundo tempo de residência de carga de alimentação desde que sai do dito pelo menos um aquecedor para imediatamente antes do ponto de introdução ao referido reator de negro de fumo de menos de cerca de 120 minutos, e onde o dito primeiro tempo de residência de carga de alimentação e dito segundo tempo de residência de carga de alimentação combinados são de cerca de 10 segundos a cerca de 120 minutos; combinação de pelo menos dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos um ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar um corrente de reação onde o negro de fumo é formado no dito reator de negro de fumo; e recuperação de (por exemplo, por resfriamento brusco) o negro de fumo na corrente de reação. 22. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a apresentar uma pressão superior a cerca de 2.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 23. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a apresentar uma pressão superior a cerca de 3.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 24. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão entre cerca de 3.000 kPa cerca de 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 25. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a dita velocidade é pelo menos cerca de 1 m/s. 26. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a dita velocidade é de pelo menos cerca de 1,6 m/s. 27. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende óleo de decantação, produto de alcatrão de hulha, resíduos de craqueamento de etileno, óleo contendo asfalteno, ou qualquer combinação destes. 28. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo tem um ponto de ebulição inicial de cerca de 160°C a cerca de 500°C. 29. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pré-aquecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende aquecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito aquecedor que tem um trocador de calor operando a um fluxo de calor médio superior a cerca de 20 kW/m2. 30. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde pelo menos uma porção do dito pré-aquecimento ocorre no dito, pelo menos, um aquecedor que tem seu calor fornecido, pelo menos parcialmente, pelo calor gerado pelo dito reator de negro de fumo ou outro reator de negro de fumo ou ambos. 31. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito primeiro tempo de residência e segundo tempo de residência combinados são inferiores a 60 minutos. 32. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor troca calor com pelo menos uma porção do dito reator de negro de fumo. 33. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor contata dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo a jusante de um resfriador brusco, onde o dito pelo menos um aquecedor compreende um trocador de calor, com paredes aquecidas pela dita corrente de reação em um primeiro lado da mesma e contatando dita carga de alimentação rendendo negro de fumo em um lado oposto da mesma antes da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo. 34. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor inclui um trocador de calor que troca calor com dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo, onde um transportador de calor escoável que flui através do trocador de calor é aquecido, e o transportador de calor aquecido escoável passa através do dito pelo menos um aquecedor posicionado externo ao reator e operável para troca de calor do transportador de calor escoável com a carga de alimentação para aquecer a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo. 35. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor é pelo menos parcialmente aquecido com gás residual de negro de fumo a partir do dito reator de negro de fumo ou um reator de negro de fumo diferente, ou ambos, para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo. 36. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a introdução da corrente de gás aquecido compreende o aquecimento por plasma de uma corrente de gás aquecida por plasma em um aquecedor de plasma para fornecer pelo menos uma porção da corrente de gás aquecido. 37. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, provisão de uma superfície não catalítica nas paredes contatando a carga de alimentação rendendo negro de fumo do dito pelo menos um aquecedor e paredes internas de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao dito reator de negro de fumo, onde a superfície é não catalítica ao craqueamento ou polimerização de hidrocarbonetos. 38. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito fornecimento compreende a provisão da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e dito método compreende ainda alimentação periódica de um gás de purga compreendendo um oxidante para carbono através do pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo. 39. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e dito método compreende ainda injeção da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao reator de negro de fumo com cintilação pelo menos parcial da carga de alimentação rendendo negro de fumo. 40. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, combinação da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida e da corrente de gás aquecido no reator de negro de fumo para formar continuamente negro de fumo no reator durante pelo menos cerca de 12 horas. 41. Um método para a produção de negro de fumo compreendendo: introdução de uma corrente de gás aquecido em um reator de negro de fumo; fornecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresentando uma primeira temperatura abaixo de 450°C a pelo menos um aquecedor; pré-aquecimento da dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito, pelo menos, um aquecedor a uma segunda temperatura superior a cerca de 450°C para proporcionar uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tem uma velocidade no dito pelo menos um aquecedor que é pelo menos de 0,2 m/seg, e a velocidade é calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C a 1 atm (101,33 kPa) e a menor área da secção transversal de uma tubulação de carga de alimentação presente no dito, pelo menos, um aquecedor, e (b) a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresenta um primeiro tempo de residência de carga de alimentação no dito aquecedor de desde 10 segundos a cerca de 120 minutos; fornecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação ao reator de negro de fumo, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré- aquecida tem um segundo tempo de residência de carga de alimentação desde que sai do dito pelo menos um aquecedor para imediatamente antes do ponto de introdução para o dito reator de negro de fumo de menos de cerca de 120 minutos, e onde o dito primeiro tempo de residência da carga de alimentação e dito segundo tempo de residência da carga de alimentação combinados são de 120 minutos ou menos; combinação de pelo menos dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos o ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação onde o negro de fumo é formado no dito reator de negro de fumo; e recuperação (por exemplo, resfriamento brusco) o negro de fumo na corrente de reação. 42. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a apresentar uma pressão de cerca de 2.000 kPa a cerca de 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 43. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a apresentar uma pressão de cerca de 3.000 kPa a cerca de 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 44. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão entre cerca de barra de 4.000 kPa a cerca de 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor. 45. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a dita velocidade é pelo menos cerca de 1 m/s. 46. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a dita velocidade é de pelo menos cerca de 1,6 m/s. 47. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende óleo de decantação, produto de alcatrão de hulha, resíduos de craqueamento de etileno, óleo contendo asfalteno, ou qualquer combinação destes. 48. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo tem um ponto de ebulição inicial de cerca de 160°C a cerca de 500°C. 49. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pré-aquecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende aquecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito aquecedor que tem um trocador de calor operando a um fluxo de calor médio de cerca de 20 kW/m2 a cerca de 150 kW/m2. 50. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde pelo menos uma porção do dito pré-aquecimento ocorre no dito, pelo menos, um aquecedor que tem seu calor fornecido, pelo menos parcialmente, pelo calor gerado pelo dito reator de negro de fumo ou outro reator de negro de fumo ou ambos. 51. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito primeiro tempo de residência e o segundo tempo de residência combinados são inferiores a 60 minutos. 52. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor troca calor com pelo menos uma porção do dito reator de negro de fumo. 53. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor contata dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo a jusante de um resfriador brusco, onde o dito pelo menos um aquecedor compreende um trocador de calor, com paredes aquecidas pela dita corrente de reação em um primeiro lado da mesma e contatando dita carga de alimentação rendendo negro de fumo em um lado oposto da mesma antes da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo. 54. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor inclui um trocador de calor que troca calor com a dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo, onde um transportador de calor escoável que flui através do trocador de calor é aquecido, e o transportador de calor aquecido escoável passa através do dito pelo menos um aquecedor posicionado externo ao reator e operável para troca de calor do transportador de calor escoável com a carga de alimentação para aquecer a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo. 55. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pelo menos um aquecedor é pelo menos parcialmente aquecido com gás residual de negro de fumo a partir do dito reator de negro de fumo ou um reator de negro de fumo diferente, ou ambos, para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo. 56. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde a introdução da corrente de gás aquecido compreende o aquecimento por plasma de uma corrente de gás aquecida por plasma em um aquecedor de plasma para fornecer pelo menos uma porção da corrente de gás aquecido. 57. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, provisão de uma superfície não catalítica nas paredes contatando a carga de alimentação rendendo negro de fumo do dito pelo menos um aquecedor e paredes internas de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao dito reator de negro de fumo, onde a superfície é não catalítica ao craqueamento ou polimerização de hidrocarbonetos. 58. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito fornecimento compreende a provisão da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e dito método compreende ainda alimentação periódica de um gás de purga compreendendo um oxidante para carbono através do pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo. 59. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e dito método compreende ainda injeção da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao reator de negro de fumo com cintilação pelo menos parcial da carga de alimentação rendendo negro de fumo. 60. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, combinação da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida e da corrente de gás aquecido no reator de negro de fumo para formar continuamente negro de fumo no reator durante pelo menos cerca de 12 horas. 61. Um método para a produção de negro de fumo compreendendo: introdução de uma corrente de gás aquecido em um reator de negro de fumo; fornecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresentando uma primeira temperatura abaixo de 300°C a pelo menos um aquecedor a uma primeira pressão superior a 1.000 kPa; pré-aquecimento da dita pelo menos um carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito, pelo menos, um aquecedor para uma segunda temperatura superior a cerca de 300°C para proporcionar uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tem uma segunda pressão no dito pelo menos um aquecedor que é aproximadamente a mesma ou menor que a dita primeira pressão, tal como calculado com base na presunção da mesma área de seção transversal que a da carga de alimentação percorre durante a primeira pressão e segunda pressão e (b) a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresenta um primeiro tempo de residência de carga de alimentação no dito aquecedor inferior a cerca de 120 minutos; fornecimento da dita carga de alimentação de negro de fumo pré-aquecida a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação no reator de negro de fumo, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré- aquecida apresenta um segundo tempo de residência de carga de alimentação desde que sai do dito pelo menos um aquecedor para imediatamente antes do ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo inferior a cerca de 120 minutos, e onde o dito primeiro tempo de residência de carga de alimentação e dito segundo tempo de residência de carga de alimentação combinados são de 120 minutos ou menos; combinação de pelo menos dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos o ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação onde o negro de fumo é formado no dito reator de negro de fumo; e recuperação (por exemplo, resfriamento brusco) do negro de fumo na corrente de reação. 62. Um método para a produção de negro de fumo compreendendo: introdução de uma corrente de gás aquecido em um reator de negro de fumo; fornecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresentando uma primeira temperatura abaixo de 300°C a pelo menos um aquecedor a uma primeira pressão superior a 1.000 kPa; pré-aquecimento da dita pelo menos um carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito, pelo menos, um aquecedor a uma segunda temperatura superior a cerca de 300°C para proporcionar uma carga de alimentação rendendo negro de fumo, onde o carbono, pelo menos, uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresenta i) uma segunda pressão no dito pelo menos um aquecedor que é aproximadamente a mesma ou menor que a dita primeira pressão primeiro e ii) a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo tem uma velocidade no dito pelo menos um aquecedor que é pelo menos de 0,2 m/seg, e a velocidade é calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C a 1 atm e a menor área da secção transversal de uma tubulação de carga de alimentação presente no dito, pelo menos, um aquecedor, e onde i) é calculada com base na mesma área de seção transversal na qual a carga de alimentação se desloca durante a primeira pressão e a segunda pressão; e fornecimento da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação ao reator de negro de fumo, combinação de pelo menos a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos o ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação onde o negro de fumo é formado no dito reator de negro de fumo; e recuperação (por exemplo, resfriamento brusco) do negro de fumo na corrente de reação. 63. Um aparelho para a produção de negro de fumo compreendendo: um reator para a combinação de uma corrente de gás aquecido e, pelo menos, uma carga de alimentação rendendo negro de fumo para formar uma corrente de reação onde o negro de fumo é formado no reator; pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação para o fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação para o reator para combinar a carga de alimentação com a corrente de gás aquecido; pelo menos um aquecedor de carga de alimentação operável para pré-aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo fornecida na tubulação de fornecimento de pelo menos uma carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos cerca de 300°C; pelo menos uma bomba operável para pressurizar a carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão superior a cerca de 1.000 kPa antes da carga de alimentação ser pré-aquecido a pelo menos cerca de 300°C e para proporcionar uma velocidade de carga de alimentação da carga de alimentação fornecida no aquecedor de carga de alimentação, pelo menos, um de pelo menos 0,2 m/s, onde a velocidade é calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C a 1 atm e a menor área da seção transversal de uma tubulação de carga de alimentação presente no dito, pelo menos, um aquecedor; e opcionalmente, um resfriador brusco para o resfriamento brusco do negro de fumo na corrente de reação; onde o dito aparelho é adicionalmente operável para fornecer um tempo de residência de carga de alimentação no pelo menos um aquecedor de carga de alimentação e na pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação antes da introdução no reator da carga de alimentação pré- aquecida a pelo menos cerca de 300°C que é inferior a cerca de 120 minutos. 64. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação compreende um trocador de calor operável para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo em um fluxo de calor em média superior a cerca de 10 kW/m2. 65. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde pelo menos um aquecedor de uma carga de alimentação é posicionado dentro do reator a ser contatado pelo corrente de reação operável para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C. 66. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação está posicionado em contato com pelo menos uma porção do reator operável para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C. 67. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação compreende um trocador de calor colocado no interior do reator a jusante resfriador brusco, onde o dito trocador de calor compreende paredes adaptadas para serem aquecidas pela corrente de reação em seu primeiro lado e adaptadas para serem contatadas por carga de alimentação em um lado oposto das mesmas antes da carga de alimentação ser fornecida à pelo menos uma tubulação de fornecimento, onde a carga de alimentação é aquecida a uma temperatura de pelo menos 300°C no trocador de calor. 68. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, um trocador de calor para um transportador de calor escoável posicionado dentro do reator para ser contável pela corrente de reação, e o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação é externo ao reator e operável para troca de calor do transportador de calor escoável que saiu do trocador de calor com a carga de alimentação no aquecedor de carga de alimentação para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C. 69. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação é operável para trocar calor a partir de uma corrente de gás residual do reator para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C. 70. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, um aquecedor de plasma operável para aquecer uma corrente de gás de plasma que possa ser aquecida para proporcionar pelo menos uma porção da corrente de gás aquecido. 71. Aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, superfície não catalítica sobre as paredes contatando a carga de alimentação do aquecedor de carga de alimentação e paredes internas contatando a carga de alimentação de pelo menos uma tubulação de fornecimento da carga de alimentação, onde a superfície é não-catalítica em relação ao craqueamento ou polimerização de hidrocarbonetos. 72. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, um revestimento cerâmico não catalítico nas paredes contatando a carga de alimentação do aquecedor de carga de alimentação e paredes internas contatando a carga de alimentação de pelo menos uma tubulação de fornecimento da carga de alimentação. 73. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, compreendendo, adicionalmente, pelo menos, uma fonte de gás de purga que compreende um oxidante para carbono e pelo menos um ponto de introdução de gás de purga na pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação, operável para limpar periodicamente a pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação com o gás de purga. 74. O aparelho de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito reator é operável para combinar carga de alimentação e corrente de gás aquecido para formar continuamente negro de fumo no reator durante pelo menos cerca de 12 horas. 75. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pré-aquecimento evita a formação de película de vapor no dito, pelo menos, um aquecedor e/ou antes do fornecimento ao dito reator de negro de fumo. 76. O método de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito pré-aquecimento e/ou o dito fornecimento é realizado na ausência de uma queda de pressão de fuga com base em condições operacionais no estado estacionário. 77. O negro de fumo formado pelo método de qualquer modalidade/característica/aspecto precedente ou que se segue. 78. O negro de fumo de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito negro de fumo apresenta uma quantidade de PAH pelo menos 10% menor em comparação com um negro de fumo com a mesma morfologia fabricado em um método sem pré-aquecimento da carga de alimentação. 79. O negro de fumo de qualquer modalidade/ característica/aspecto precedente ou que se segue, onde o dito negro de fumo apresenta uma percentagem de quantidade alta de PAH MW com base na quantidade total de PAH pelo menos 10% menor em comparação com um negro de fumo com a mesma morfologia fabricado em um método sem o dito pré- aquecimento. 80. Método para a produção de negro de fumo, compreendendo: introdução de uma corrente de gás aquecido ao reator de negro de fumo; fornecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo a pelo menos um aquecedor; pré-aquecimento da dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito, pelo menos, um aquecedor a uma segunda temperatura superior a cerca de 300°C para proporcionar uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresenta uma velocidade no dito pelo menos um aquecedor que é pelo menos de 0,2 m/s e a velocidade é calculada com base na densidade de carga de alimentação medida a 60°C em 1 atm e a menor área de seção transversal de uma tubulação de carga de alimentação presente no dito pelo menos um aquecedor e (b) pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo apresenta um primeiro tempo de residência de carga de alimentação no dito aquecedor de pelo menos cerca de 120 minutos; fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a pelo menos um ponto de introdução de negro de fumo para o reator de negro de fumo, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida apresenta um segundo tempo de residência saindo do dito pelo menos um aquecedor para imediatamente antes do ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo de menos de cerca de 120 minutos; e onde o dito primeiro tempo de residência de carga de alimentação e dito segundo tempo de residência de carga de alimentação combinados são de 120 minutos ou menos; onde o dito pré-aquecimento está em uma pressão suficiente que evita a formação de película de vapor no dito pelo menos um aquecedor ou antes do dito fornecimento ao dito reator de negro de fumo; combinação de pelo menos a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos um ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação na qual o negro de fumo é formado no dito reator de negro de fumo; e recuperação do negro de fumo na corrente de reação.
A presente invenção pode incluir qualquer combinação destas características ou modalidades acima e/ou abaixo conforme estabelecido nas sentenças e/ou parágrafos. Qualquer combinação das características divulgadas na presente invenção é considerada como parte da presente invenção e não pretende limitar as características combináveis.
A presente invenção será melhor esclarecida através dos exemplos que se seguem que se destinam a exemplificar a invenção.
EXEMPLOS Exemplo 1
Uma modelagem com base em computador foi usada para estimar economias de custo em potencial de matérias-primas para duas classificações de negro de fumo (A e B), utilizando temperaturas de carga de alimentação de 215°C, 500°C, e 700°C em um esquema de produção de negro de fumo capaz de operação contínua estável a 500°C e 700°C através das abordagens de controle de incrustações indicadas da presente invenção. O programa de modelagem em computador Aspen Plus foi empregado a modelagem do sistema de processo, utilizando metodologias e premissas para balanços de massa e energia e químicas de reação de acordo com as práticas aceitáveis nas indústrias. O modelo de fluxograma usado para essa modelagem é semelhante ao mostrado na figura 5. A figura 5 mostra o esquema de processo para a Classificação A e uma temperatura pré-aquecida de carga de alimentação de 500°C e esse layout de processo geral de outra forma também se aplica a outras combinações de temperatura de carga de alimentação modelada e Classificações. O esquema do processo mostrado em detalhes na figura 5 é geralmente semelhante ao esquema de processo mostrado na figura 1. Como mostrado na figura 5, a carga de alimentação é aquecida utilizando o calor do fumo do reator de negro de fumo entre um resfriamento brusco inicial e um local de resfriamento brusco secundário. Capacidade de carga de alimentação de calor utilizado no cálculo é mostrada na figura 6. Carga de alimentação foi presumida como sendo não reativo, o efeito de endotermicidade da reação de pirólise não está incluído na capacidade de aquecimento de carga de alimentação. Dois casos com temperaturas pré-aquecidas de carga de alimentação de 500°C e 700°C foram modelados e comparados com os casos de linha de base (215°C pré-aquecimento) para as Classificações A e B.
As cargas de alimentação rendendo carbono líquido aplicáveis às Classificações A e B utilizadas na modelagem foram mistura de óleo de decantação/alcatrão de hulha. As cargas de alimentação líquidas de Classificações A e B tinham as seguintes composições: Óleo de decantação de Classificação A: Valor de aquecimento mais alto [J/kg]: 39.524.446 Análise final [% de massa]: CINZA 0 CARBONO 88,68 HIDROGÊNIO 6,92 NITROGÊNIO 0,31 CLORO 0 ENXOFRE 3,86 OXIGÊNIO 0,23 Classificação B óleo de decantação/alcatrão de hulha Vazão [kg/h]: 3,562 Calor da Formação [J/kg]: 50.692 Valor de Aquecimento mais alto [J/kg]: 39.878.687 Higher Heating Value [J/kg]: 39,878,687 Análise final [% em massa]: CINZA 0 CARBONO 88,62 HIDROGÊNIO 7,40 NITROGÊNIO 0,31 CLORO 0 ENXOFRE 3,44 OXIGÊNIO 0,23 Alcatrão de hulha [% em massa]: 30,0
As tabelas 2 a 7 mostram os dados brutos utilizados para os cálculos de modelagem para cada classificação de negro de fumo em cada temperatura das temperaturas de pré- aquecimento de 500 °C e 700 °C. Os resultados dos cálculos de modelagem são também apresentados nas Tabelas. Tabela 2 Conteúdo energético de matérias-primas e de negro de fumo nos cálculos de em Aspen Plus
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Tabela 3 (CB Classificação A: Temp. 500°C)
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Tabela 4 (CB Classificação A: Temp . 700°C)
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Tabela 5 (CB Classificação B: Temp. 500°C)
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Tabela 6 (CB Classificação B: Temp. 7000°C)
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Tabela 7
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Tal como demonstrado pelos resultados, a economia de custo de matéria-prima superior a 10% pode ser obtida quando a carga de alimentação é pré-aquecida a 500°C e superior a 20% quando a carga de alimentação é pré-aquecida a 700°C em um modo estável sem incrustações de carga de alimentação, em comparação com o processamento a uma temperatura de carga de alimentação convencional inferior de 215°C. O "Rendimento CB" e alguns outros dos na Tabela 7 empregam a temperatura de carga de alimentação convencional de 215°C como a linha de base (100%) e comparando as cargas de alimentação pré-aquecidas de temperatura mais elevada a essa linha de base. Como indicado, as abordagens de controle de incrustação da presente invenção tornam possível o funcionamento em temperaturas de carga de alimentação mais elevadas tais como, incluindo em operações em escala industrial. Na Tabela 7, a eficiência energética do reator (GER) é definida como uma razão entre o valor de aquecimento do material produzido para a entrada de energia combinada, que inclui valores de aquecimento de carga de alimentação (FS) e de combustível do queimador e ETR de energia elétrica = (HHV-CB)/(HHV-carga de alimentação + HHV-Gás Natural + kWh/kg de Energia Elétrica-CB). Na Tabela 7, estequiometria do queimador é definida como uma porcentagem do fluxo de ar do queimador para o fluxo de ar estequiométrico do queimador (fluxo de ar necessário para a combustão completa do combustível do queimador).
Os benefícios estabelecidos neste modelo seriam conseguidos com qualquer negro de fumo, tal como qualquer classificação ASTM, como N100 a N1000 e semelhantes. A modelagem mostrará os mesmos benefícios.
Exemplo 2
Nestes exemplos, nove ensaios foram realizados para demonstrar exemplos de aquecimento da carga de alimentação rendendo de negro de fumo de 70°C a cerca de 500°C usando amostras de cargas de alimentação diferentes, como explicado mais abaixo. Os parâmetros de funcionamento diferentes são apresentados na Tabela 8 e também, o tipo de carga de alimentação utilizada é apresentado na Tabela 8 e os detalhes da carga de alimentação são apresentados na Tabela 9. Como pode ser visto na Tabela 8 seguindo-se a presente invenção, a carga de alimentação rendendo negro de fumo pode ser pré-aquecida a temperaturas na faixa de 500°C ou mais e ainda obter produção bem sucedida e contínua de negro de fumo. No negro de fumo formado a partir dos números de teste 2-5, 8 e 9 foi realizada análise e determinado que o negro de fumo era aceitável para uso comercial como negro de fumo com base na morfologia, pureza e semelhantes. Foi determinado que uma vantagem desses negros de fumo fabricados da presente invenção consistiu nos níveis PAH de negros de fumo que eram da ordem de cerca de 50% menos PAH (em um nível de ppm) que os negros convencionais com a mesma morfologia. Assim, uma vantagem adicional da presente invenção é a capacidade de formar os negros de fumo comercialmente aceitáveis com uma quantidade muito menor de PAH. A determinação do PAH teve como base uma determinação de PAH-20 conforme entendido na técnica.
Como definido adicionalmente na Tabela 8 a seguir, a entrada para "queda na pressão de fuga" indica se a película de vapor e/ou coque se formaram ou estão a ponto de se formarem ou não. Quando uma entrada apresenta "NÃO" isso significa que nenhuma queda de pressão de fuga foi detectada e, de fato, o teste foi considerado um sucesso, uma vez que é produzido negro de fumo comercialmente aceitável, sem coqueificação e nenhuma película de vapor para as tubulações do aquecedor ou tubulações de fornecimento. Quando a entrada para a queda de pressão de fuga apresenta "SIM", esta é uma indicação de que houve uma queda de pressão rápida das condições de funcionamento em estado estacionário durante a fabricação de negro de fumo sendo uma clara indicação de que a película de vapor estava ocorrendo e que a coqueificação no aparelho era inevitável. De fato, no Teste número 1, para confirmar esta compreensão, uma queda de pressão de fuga foi vista no Teste número 1, e, em última forma, na análise das peças do aquecedor de carga de alimentação, o coque foi detectado visualmente nas tubulações de alimentação no aquecedor, o que confirmando a queda de pressão de fuga era uma indicação da formação inevitável de coque.
Os Exemplos 2-5, 8 e 9 mostram claramente que o negro de fumo pode ser fabricado usando cargas de alimentação em alta temperatura e ainda evitar a formação de película de vapor e coque conduzindo a um produto de negro de fumo comercialmente aceitável.
Nos Exemplos 1, 6 e 7, onde a queda de pressão de fuga foi identificada e onde ocorreu coqueificação no Teste número 1, pelo emprego da presente invenção, esses testes podem ser ajustados para evitar uma queda de pressão de fuga e, por conseguinte, a formação de película de vapor e/ou coque, ajustando a pressão de entrada de aquecimento ou elevando a pressão de entrada de aquecimento e/ou aumentando a velocidade de entrada de óleo e/ou reduzindo o tempo de residência no aquecedor. Ao elevar a pressão de entrada do aquecedor, por exemplo, 10% ou mais, isto teria um efeito na não formação de vapores no aquecedor durante o pré-aquecimento da carga de alimentação de negro de fumo pré-aquecida. Essencialmente, qualquer combinação de ajuste da pressão de entrada de aquecimento (normalmente através do aumento da pressão), aumento da velocidade de entrada de óleo, e/ou diminuição do tempo de residência pode reduzir formação de vapor e/ou eliminar a formação de vapor e, portanto, evitar uma queda de pressão de fuga.
Nos exemplos a seguir, nos Exemplos 2-5, 8 e 9, uma melhoria de rendimento de negro de fumo (% em peso) foi alcançada em comparação com negro de fumo fabricado usando uma temperatura de carga de alimentação convencional de 215°C como a linha de base (100%) e comparando-se as cargas de alimentação pré-aquecidas mais altas a essa linha de base. O rendimento de negro de fumo melhorou de 4% a 8% (em peso) nestes exemplos. Além disso, os exemplos da presente invenção forneceram uma economia de energia de 7% a 11% em relação ao negro de fumo fabricado utilizando a temperatura de carga de alimentação convencional de 215°C como a linha de base (100%) e comparando a energia utilizada para as cargas de alimentação pré-aquecidas de temperaturas mais elevadas a essa linha de base. Assim, a presente invenção proporciona um maior rendimento de negro de fumo e utiliza menos energia para obter o mesmo, isso sendo superior aos processos convencionais e também inesperado. Tabela 8
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* Presença de coqueificação confirmada. ** Experimento parou imediatamente para evitar danos ao aquecedor/reator Tabela 9
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Os depositantes incorporam especificamente o conteúdo completo de todas as referências citadas nessa revelação. Além disso, quando uma quantidade, concentração, ou outro valor ou parâmetro for fornecido tanto como uma faixa, faixa preferida ou uma lista de valores mais preferidos e valores menos preferidos, deve ser entendido como especialmente relevando todas as faixas formadas de qualquer par de qualquer limite de faixa superior ou valor preferido e qualquer limite de faixa inferior ou valor preferido, independente se as faixas forem reveladas separadamente. Sempre que uma faixa de valores numéricos for recitada no presente documento, salvo indicação em contrário, a faixa se destina a incluir os pontos de extremidade do mesmo, e todos os inteiros e frações dentro do intervalo. Não se pretende que o âmbito da invenção seja limitado aos valores específicos recitados ao definir uma faixa.
Outras modalidades da presente invenção ficarão claras aos versados na técnica a partir da consideração do presente relatório descritivo e prática da presente invenção revelada no presente documento. Pretende-se que o presente relatório descritivo e os exemplos sejam considerados apenas como exemplares com um verdadeiro âmbito e espírito da invenção sendo indicado pelas reivindicações que se seguem e seus equivalentes.

Claims (67)

1. Método para a produção de negro de fumo caracterizado pelo fato de que compreende: introdução de uma corrente de gás aquecido em um reator de negro de fumo; fornecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo para pelo menos um aquecedor; pré-aquecimento da dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito pelo menos um aquecedor a uma temperatura superior a 300°C para proporcionar uma carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida, onde (a) pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui uma velocidade através do dito pelo menos um aquecedor de cerca de 1,0 m/s ou maior na menor área de seção transversal de uma tubulação de carga de alimentação no dito aquecedor, onde a velocidade é uma velocidade média calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C em 1 atm e (b) pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui um primeiro tempo de residência de carga de alimentação no dito aquecedor inferior a cerca de 120 minutos; fornecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida tendo dita temperatura superior a 300°C a pelo menos um ponto de introdução da carga de alimentação para o reator de negro de fumo, onde a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida tendo dita temperatura superior a 300°C possui um segundo tempo de residência de carga de alimentação, desde que sai do dito pelo menos um aquecedor para o ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo, inferior a cerca de 120 minutos; e onde o dito primeiro tempo de residência de carga de alimentação e o dito segundo tempo de residência de carga de alimentação combinados são de 120 minutos ou menos; pelo que formação de película de vapor é controlada no dito pelo menos um aquecedor e antes do dito fornecimento ao dito reator de negro de fumo; combinação de pelo menos a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através do pelo menos um ponto de introdução ao dito reator de negro de fumo com a corrente de gás aquecido para formar uma corrente de reação na qual o negro de fumo é formado no dito reator de negro de fumo; e recuperação do negro de fumo na corrente de reação, e em que o dito negro de fumo é negro de fumo de forno e o dito reator de negro de fumo é um reator de negro de fumo de forno, e a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo possui um ponto de ebulição inicial de cerca de 160°C a cerca de 600°C.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a possuir uma pressão superior a 1.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a possuir uma pressão superior a 2.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão de cerca de 2.000 kPa a 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita velocidade é de pelo menos 1,6 m/s.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende óleo de decantação, produto de alcatrão de hulha, resíduos de craqueamento de etileno, óleo contendo asfalteno, ou qualquer combinação destes.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pré-aquecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende o aquecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito aquecedor que possui um trocador de calor operando a um fluxo de calor médio superior a cerca de 10 kW/m2.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção do dito pré-aquecimento ocorre no dito pelo menos um aquecedor que possui calor fornecido, pelo menos parcialmente, pelo calor gerado pelo dito reator de negro de fumo ou outro reator de negro de fumo ou ambos.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro tempo de residência e o dito segundo tempo de residência combinados são inferiores a 60 minutos.
10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor está em troca de calor com pelo menos uma porção do dito reator de negro de fumo.
11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor contata a dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo a jusante de um resfriador brusco, em que o dito pelo menos um aquecedor compreende um trocador de calor que possui paredes aquecidas pela dita corrente de reação em um primeiro lado da mesma e contatando a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo em um lado oposto da mesma.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor inclui um trocador de calor que troca calor com a dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo, onde um transportador de calor escoável que flui através do trocador de calor é aquecido, e o transportador de calor aquecido escoável passa através do dito pelo menos um aquecedor posicionado externo ao reator e operável para a troca de calor do transportador de calor escoável com a carga de alimentação para aquecer a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo.
13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor é pelo menos parcialmente aquecido com gás residual de negro de fumo do dito reator de negro de fumo ou de um reator de negro de fumo diferente, ou ambos, para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo.
14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a provisão de uma superfície não catalítica nas paredes que contatam a carga de alimentação rendendo negro de fumo do dito pelo menos um aquecedor e nas paredes internas de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao dito reator de negro de fumo, em que a superfície é não catalítica ao craqueamento ou à polimerização de hidrocarbonetos.
15. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e dito método compreende ainda alimentação periódica de um gás de purga compreendendo um oxidante para carbono através da pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo.
16. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e o dito método compreende ainda a injeção da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao reator de negro de fumo com cintilação pelo menos parcial da carga de alimentação rendendo negro de fumo.
17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a combinação da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida e da corrente de gás aquecida no reator de negro de fumo para formar continuamente negro de fumo no reator durante pelo menos cerca de 12 horas.
18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pré-aquecimento e o dito fornecimento são na ausência de uma queda de pressão de fuga com base nas condições operacionais no estado estacionário.
19. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui uma primeira temperatura abaixo de 360°C ao fornecer ao dito pelo menos um aquecedor; e dito pré-aquecimento da dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito pelo menos um aquecedor ser a dita segunda temperatura de 360°C a 850°C e a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui dito primeiro tempo de residência de carga de alimentação e dito segundo tempo de residência de carga de alimentação combinados no dito aquecedor de cerca de 10 segundos a cerca de 120 minutos.
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a possuir uma pressão superior a 2.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
21. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a possuir uma pressão superior a cerca de 3.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
22. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão de cerca de 3.000 kPa a cerca de 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
23. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a dita velocidade é de pelo menos cerca de 1,6 m/s.
24. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende óleo de decantação, produto de alcatrão de hulha, resíduos de craqueamento de etileno, óleo contendo asfalteno, ou qualquer combinação destes.
25. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito pré-aquecimento da pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende aquecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito aquecedor que possui um trocador de calor operando a um fluxo de calor médio superior a cerca de 20 kW/m2.
26. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção do dito pré-aquecimento ocorre no dito pelo menos um aquecedor que possui calor fornecido, pelo menos parcialmente, pelo calor gerado pelo dito reator de negro de fumo, ou outro reator de negro de fumo, ou ambos.
27. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro tempo de residência e o dito segundo tempo de residência combinados são inferiores a 60 minutos.
28. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor está em troca de calor com pelo menos uma porção do dito reator de negro de fumo.
29. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor contata a dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo a jusante de um resfriador brusco, em que o dito pelo menos um aquecedor compreende um trocador de calor possuindo paredes aquecidas pela dita corrente de reação em um primeiro lado da mesma e contatando a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo em um lado oposto da mesma antes da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo.
30. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor inclui um trocador de calor que troca calor com a dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo, em que um transportador de calor escoável que flui através do trocador de calor é aquecido, e o transportador de calor aquecido escoável passa através do dito pelo menos um aquecedor posicionado externo ao reator e operável para troca de calor do transportador de calor escoável com a carga de alimentação para aquecer a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo.
31. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor é pelo menos parcialmente aquecido com gás residual de negro de fumo a partir do dito reator de negro de fumo, ou um reator de negro de fumo diferente, ou ambos, para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo.
32. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, provisão de uma superfície não catalítica nas paredes contatando a carga de alimentação rendendo negro de fumo do dito pelo menos um aquecedor e nas paredes internas de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao dito reator de negro de fumo, onde a superfície é não catalítica ao craqueamento ou à polimerização de hidrocarbonetos.
33. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e o dito método compreende ainda a alimentação periódica de um gás de purga compreendendo um oxidante para carbono através da pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo.
34. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e o dito método compreende ainda a injeção da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao reator de negro de fumo com cintilação pelo menos parcial da carga de alimentação rendendo negro de fumo.
35. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a combinação da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida e da corrente de gás aquecido no reator de negro de fumo para formar continuamente negro de fumo no reator durante pelo menos cerca de 12 horas.
36. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui uma primeira temperatura abaixo de 450°C ao fornecer ao dito pelo menos um aquecedor; e o dito pré-aquecimento da dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito pelo menos um aquecedor ser a dita segunda temperatura superior a 450°C e a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui o dito primeiro tempo de residência de carga de alimentação no dito aquecedor de 10 segundos a cerca de 120 minutos.
37. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a possuir uma pressão de cerca de 2.000 kPa a cerca de 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
38. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo de modo a possuir uma pressão de cerca de 3.000 kPa a cerca de 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
39. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a pressurização da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão de 4.000 kPa a 18.000 kPa antes de entrar no dito pelo menos um aquecedor.
40. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que a dita velocidade é de pelo menos cerca de 1,6 m/s.
41. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende óleo de decantação, produto de alcatrão de hulha, resíduos de craqueamento de etileno, óleo contendo asfalteno, ou qualquer combinação destes.
42. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o dito pré-aquecimento de pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo compreende o aquecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo no dito aquecedor que possui um trocador de calor operando a um fluxo de calor médio de cerca de 20 kW/m2 a cerca de 150 kW/m2.
43. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção do dito pré-aquecimento ocorre no dito pelo menos um aquecedor que possui calor, pelo menos parcialmente, fornecido pelo calor gerado pelo dito reator de negro de fumo, ou outro reator de negro de fumo, ou ambos.
44. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro tempo de residência e o dito segundo tempo de residência combinados são inferiores a 60 minutos.
45. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor está em troca de calor com pelo menos uma porção do dito reator de negro de fumo.
46. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor contata a dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo a jusante de um resfriador brusco, em que o dito pelo menos um aquecedor compreende um trocador de calor, possuindo paredes aquecidas pela dita corrente de reação sobre um primeiro lado da mesma e contatando a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo em um lado oposto da mesma antes da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo.
47. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor inclui um trocador de calor que troca calor com dita corrente de reação no dito reator de negro de fumo, onde um transportador de calor escoável que flui através do trocador de calor é aquecido, e o transportador de calor aquecido escoável passa através do dito pelo menos um aquecedor posicionado externo ao reator e operável para a troca de calor do transportador de calor escoável com a carga de alimentação para aquecer a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo.
48. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um aquecedor é pelo menos parcialmente aquecido com gás residual de negro de fumo a partir do dito reator de negro de fumo, ou de um reator de negro de fumo diferente, ou ambos, para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo.
49. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a provisão de uma superfície não catalítica nas paredes contatando a carga de alimentação rendendo negro de fumo do dito pelo menos um aquecedor e nas paredes internas de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que fornece a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida ao dito reator de negro de fumo, em que a superfície é não catalítica ao craqueamento ou à polimerização de hidrocarbonetos.
50. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e o dito método compreende ainda a alimentação periódica de um gás de purga que compreende um oxidante para carbono através da pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo.
51. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o dito fornecimento compreende a alimentação da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida através de pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação que alimenta o dito reator de negro de fumo, e o dito método compreende ainda a injeção da carga de alimentação rendendo de negro de fumo pré-aquecida no reator de negro de fumo com cintilação pelo menos parcial da carga de alimentação rendendo negro de fumo.
52. Método, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a combinação da carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida e da corrente de gás aquecido no reator de negro de fumo para formar continuamente negro de fumo no reator durante pelo menos cerca de 12 horas.
53. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito fornecimento de dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo a dito pelo menos um aquecedor é em uma primeira pressão superior a 1.000 kPa e possui dita primeira temperatura abaixo de 400°C; e onde (a) a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui uma segunda pressão no dito pelo menos um aquecedor que é aproximadamente a mesma ou inferior a dita primeira pressão, tal como calculado com base na presunção da mesma área de seção transversal que a da carga de alimentação percorre durante a primeira pressão e a segunda pressão.
54. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui dita primeira temperatura inferior a 300°C ao fornecer a dito pelo menos um aquecedor em uma primeira pressão superior a 1.000 kPa; e em que a pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo possui i) uma segunda pressão no dito pelo menos um aquecedor que é cerca da mesma ou menor que a dita primeira pressão e em que i) é calculada com base na mesma área de seção transversal na qual a carga de alimentação se desloca durante a primeira pressão e a segunda pressão; e em que o dito fornecimento da dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a uma temperatura superior a 300 °C na dita pressão controla formação de película de vapor no dito pelo menos um aquecedor e antes do dito fornecimento ao dito reator de negro de fumo.
55. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo pré-aquecida a uma temperatura superior a 300 °C está em uma pressão suficiente para controlar formação de película de vapor no dito pelo menos um aquecedor e antes do dito fornecimento ao dito reator de negro de fumo.
56. Aparelho para a produção de negro de fumo através do método conforme definido na reivindicação 1, o aparelho caracterizado pelo fato de que compreende: um reator para a combinação de uma corrente de gás aquecido e pelo menos uma carga de alimentação rendendo negro de fumo para formar uma corrente de reação em que o negro de fumo é formado no reator; pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação para o fornecimento de carga de alimentação rendendo negro de fumo a pelo menos um ponto de introdução de carga de alimentação para o reator para combinar a carga de alimentação com a corrente de gás aquecido; pelo menos um aquecedor de carga de alimentação operável para pré-aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo fornecida na pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos cerca de 300°C; pelo menos uma bomba operável para pressurizar a carga de alimentação rendendo negro de fumo a uma pressão superior a cerca de 1.000 kPa antes da carga de alimentação ser pré-aquecida a pelo menos cerca de 300°C e para proporcionar uma velocidade de carga de alimentação da carga de alimentação fornecida no pelo menos um aquecedor de carga de alimentação de cerca de 1,0 m/s ou maior, em que a velocidade é calculada com base em uma densidade de carga de alimentação medida a 60°C a 1 atm e na menor área da seção transversal de uma tubulação de carga de alimentação presente no dito pelo menos um aquecedor; e um resfriador brusco para o resfriamento do negro de fumo na corrente de reação; em que o dito aparelho é adicionalmente operável para fornecer um tempo de residência de carga de alimentação, no pelo menos um aquecedor de carga de alimentação e na pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação antes da introdução no reator da carga de alimentação pré-aquecida a pelo menos cerca de 300°C, que é inferior a cerca de 120 minutos, em que o dito pré-aquecimento evita formação de película de vapor no dito pelo menos um aquecedor, e em que o dito negro de fumo é negro de fumo de forno e o dito reator de negro de fumo é um reator de negro de fumo de forno, e a dita carga de alimentação rendendo negro de fumo possui um ponto de ebulição inicial de cerca de 160°C a cerca de 600°C.
57. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que pelo menos um aquecedor de carga de alimentação compreende um trocador de calor operável para aquecer a carga de alimentação rendendo negro de fumo em um fluxo de calor médio superior a cerca de 10 kW/m2.
58. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação é posicionado dentro do reator para ser contatado pela corrente de reação operável para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C.
59. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação está posicionado em contato com pelo 18/20 menos uma porção do reator operável para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C.
60. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação compreende um trocador de calor posicionado no interior do reator a jusante do resfriador brusco, em que o dito trocador de calor compreende paredes adaptadas para serem aquecidas pela corrente de reação em um primeiro lado das mesmas e adaptadas para serem contatadas pela carga de alimentação em um lado oposto das mesmas antes da carga de alimentação ser fornecida à pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação, em que a carga de alimentação é aquecida a uma temperatura de pelo menos 300°C no trocador de calor.
61. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um trocador de calor para um transportador de calor escoável posicionado dentro do reator para ser contatável pela corrente de reação, e o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação é externo ao reator e operável para troca de calor do transportador de calor escoável que saiu do trocador de calor com a carga de alimentação no aquecedor de carga de alimentação para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C.
62. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um aquecedor de carga de alimentação é operável para trocar calor a partir de uma corrente de gás residual do reator para aquecer a carga de alimentação a uma temperatura de pelo menos 300°C.
63. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um aquecedor de plasma operável para aquecimento de uma corrente de gás aquecida por plasma para proporcionar pelo menos uma porção da corrente de gás aquecido.
64. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, uma superfície não catalítica nas paredes contatando a carga de alimentação do aquecedor de carga de alimentação e nas paredes internas contatando a carga de alimentação da pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação, em que a superfície é não-catalítica ao craqueamento ou à polimerização de hidrocarbonetos.
65. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um revestimento cerâmico não catalítico nas paredes contatando a carga de alimentação do aquecedor de carga de alimentação e nas paredes internas contatando a carga de alimentação da pelo menos uma tubulação de fornecimento da carga de alimentação.
66. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, pelo menos uma fonte de gás de purga que compreende um oxidante para carbono e pelo menos um ponto de introdução de gás de purga na pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação operável para periodicamente purgar a pelo menos uma tubulação de fornecimento de carga de alimentação com o gás de purga.
67. Aparelho, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que o dito reator é operável para combinar carga de alimentação e corrente de gás aquecido para formar continuamente negro de fumo no reator durante pelo menos 12 horas.
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