BR112012027379B1 - reator de negro de fumo e processo para a fabricação de negro de fumo - Google Patents

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Abstract

REATOR DE NEGRO DE FUMO A presente invenção descreve um reator (100) para a fabricação de negro de fumo, o referido reator inclui (100) meios de orientação de fluxo (110) proporcionados entre um queimador de combustível (106) e uma entrada de ar (108) para resultar em uma mistura entre o combustível e o ar de combustão, deste modo, produzindo gases de combustão quente de temperatura mais elevada que são posteriormente recebidos em uma câmara de reação (104) onde reagem com matéria-prima para produzir negro de fumo. O reator (100) da presente invenção aumenta a produção do negro de fumo em 5-20%. Adicionalmente, o posicionamento dos meios de orientação de fluxo (110) estabiliza a chama a partir do queimador de combustível (106) para manter o mesmo ao longo do eixo do reator, aumentando assim, a vida do revestimento refratário (114).

Description

Campo da Invenção
[001] A presente invenção se refere a um reator para a fabricação de negro de fumo.
[002] Particularmente, a presente invenção se refere a um reator para melhor mistura de matéria-prima de carbono com ar de combustão enquanto se fabrica negro de fumo.
Antecedentes
[003] O processo para a fabricação de negro de fumo compreende tipicamente a execução de pirólise parcial de matéria-prima de carbono, onde a matéria-prima pode ser na forma de gás ou líquido. Embora diversos processos tenham sido usados para se obter negro de fumo, o processo usado com mais frequência é o processo de negro de forno, no qual o negro de fumo é produzido por combustão incompleta de matéria-prima líquida com produtos de petróleo pesado tais como alcatrão FCC, alcatrão de carvão e alcatrão de ruptura de etileno.
[004] No processo de negro de forno, um combustível de hidrocarboneto como gás natural ou óleo combustível é queimado com uma quantidade excessiva de oxigênio tipicamente proporcionada como fluxo de ar ou oxigênio com gás em um espaço com um revestimento de material resistente a fogo para produzir gás de combustão quente. A matéria-prima líquida a ser decomposta termicamente e desidrogenada é pulverizada em um gás de combustão quente para se obter um aerossol com partículas de negro de fumo suspensas no gás. As partículas de negro de fumo na forma de pó suave são separadas do gás e recolhidas. As partículas recolhidas são granuladas através de métodos de granulação convencionais. Este negro de fumo é usado na fabricação de pneus para automóveis e aviões, como carga de reforço para um elastômero como pigmento ou colorante para plástico, tinta e tinta para impressão.
[005] Os reatores usados para o processo de negro de forno compreendem normalmente uma câmara de combustão, uma câmara de mistura e uma câmara de reação, posicionadas ao longo do eixo do reator para formar um percurso de fluido para os meios de reação da câmara de combustão através da câmara de mistura para a câmara de reação. A matéria-prima é normalmente pulverizada na câmara de mistura para atingir uma mistura intensa da matéria-prima líquida com os gases de combustão quente. Esta mistura entra posteriormente na câmara de reação onde ocorre o processo de formação de negro de fumo. Finalmente, a reação é parada a jusante por pulverização de água.
[006] Os fatores que influenciam a formação de negro de fumo são: O excesso de ar/oxigênio nos gases de combustão quente, a temperatura dos gases de combustão quente, a eficiência da combustão do combustível e a reação ou tempo de estadia desde a mistura da matéria-prima nos gases de combustão quente até ao fim da reação. A eficiência da combustão do combustível depende em grande parte da mistura do combustível com o ar/oxigênio. Tipicamente, o ar de combustão é pré-aquecido a uma temperatura entre 800 °C e misturado com combustível na câmara de combustão para se obter os gases de combustão quente. Um aperfeiçoamento na mistura entre o ar de combustão e o combustível resulta em uma eficiência de combustão aumentada e assim a temperatura mais elevada de fases de combustão quente. Em geral, quanto mais alta a temperatura dos gases de combustão quente, menos partículas formadas no negro de fumo.
[007] Várias tentativas foram feitas no passado para proporcionar reatores de negro de fumo que melhoram o processo de negro de forno resultando em maior eficiência, melhor controle do processo e produção de graus de negro de fumo com graus de pureza diferentes. Algumas das referidas descrições são apresentadas na técnica anterior abaixo:
[008] A Patente US No. 7625527 descreve um reator de negro de fumo que aumenta a eficiência de contato entre gases de combustão quente e matéria-prima para aumentar a taxa de conversão da mesma para negro de fumo. O reator de negro de fumo compreende: Uma zona de combustão para geração de gases de combustão quente, uma zona de reação com dois ou mais pontos para introduzir a matéria-prima na mesma para produção de negro de fumo por contato dos gases de combustão com a matéria-prima introduzida em um conjunto de fluxos divididos, uma zona de resfriamento para interromper a reação para injeção de um refrigerante, onde as três zonas são arranjadas lateralmente em ordem. O reator de negro de fumo permite ao negro de fumo apresentar características uniformes, especialmente a distribuição do tamanho de agregação.
[009] A Patente CN No. 2341708 descreve um reator de um leito de oxidação e fluidificação de superfície de negro de fumo. O reator compreende: Um corpo de reator, uma entrada de negro de forno, uma saída de negro de forno, uma placa de distribuição de composto, uma câmara de ar, uma entrada de ar, e uma saída de ar, onde, de três a sete abafadores são arranjados no reator que inclui de quatro a oito câmaras de fluidificação para se obter um fluxo combinado multifásico. O reator é simples de fabricar, tem custo reduzido e produz negro de fumo usado para coloração em várias indústrias.
[0010] A Patente US No. 4590040 descreve um reator de negro de fumo que está adaptado para reduzir a queda de pressão devido a turbulência excessiva na zona de pré-combustão. O reator de negro de fumo compreende: Uma zona de pré-combustão com uma parede cilíndrica com uma extremidade a montante e uma a jusante, uma pluralidade de túneis para transportar os gases de combustão, a abertura dos túneis tangencialmente na zona de pré- combustão através da parede, e uma variedade de rampas semicirculares posicionadas na zona de pré-combustão para definir a extremidade a montante para orientação do fluxo da corrente dos gases de combustão introduzidos tangencialmente. O arranjo previne um impacto turbulento entre outros fluxos de gás introduzidos tangencialmente para reduzir a queda de pressão no mesmo.
[0011] A Patente US No. 4347218 descreve um aparelho para produção de categorias de negro de fumo de diferentes graus de pureza, ao mesmo tempo em que previne particularmente a tensão térmica excessiva do reator na área de admissão de hidrocarboneto e ar. O aparelho compreende: Um reator com uma câmara de reação para formação de negro de fumo, uma variedade de unidades de alimentação desprotegidas para alimentar ar à câmara de reação e pulverizar hidrocarboneto no ar próximo à extremidade de descarga, e um permutador de calor para controle da temperatura dos gases de saída do reator e negro de fumo produzidos no mesmo.
[0012] O pedido de Patente US No. 2004213728 descreve um processo para a produção de negro de forno em um reator de negro de forno com um eixo de fluxo. O processo compreende: Introduzir combustível e ar de combustão em um queimador de gás, proporcionar um jato de vapor de forma axial através do queimador de gás, produzir no mesmo um fluxo de gases de combustão quente, alimentar os gases de combustão quente ao longo do eixo do fluxo a partir de uma câmara de combustão através de um ponto estreito na zona de reação, misturar a matéria-prima de negro de fumo em um fluxo de gases de combustão quente a montante, no interior, ou a jusante do ponto de redução, interrompendo a reação a jusante na zona de reação por pulverização de água. O processo produz negros de forno de cor intensa no reator de forno.
[0013] A técnica anterior acima relacionada descreve reatores de negro de fumo adaptados para proporcionar um processo com maior eficiência, melhor controle de processo ou produzem de negro de fumo de diferentes graus de pureza. A presente invenção proporciona o referido reator de negro de fumo, adaptado principalmente para melhorar a mistura entre a combustão de ar/oxigênio e combustível, para aumentar a eficiência de combustão e proporcionar gases de combustão com uma temperatura superior. Adicionalmente, a presente invenção proporciona um reator de negro de fumo que inclui meios que permitem uma taxa de fluxo de alimentação de matéria-prima superior através do reator, ao mesmo tempo em que mantém os parâmetros de qualidade do negro de fumo.
[0014] Objetivos da Invenção
[0015] Um objetivo da presente invenção é proporcionar um reator para a fabricação de negro de fumo
[0016] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar um reator para mistura aprimorada de ar de combustão e combustível na câmara de combustão durante a fabricação de negro de fumo.
[0017] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar um reator que tenha meios que permitam uma taxa de fluxo de alimentação de matéria-prima mais elevada através do reator sem perda de qualidade.
[0018] Ainda outro objetivo da presente invenção é proporcionar um reator para fabricação de negro de fumo que proporciona produtividade de processo aprimorada e qualidade de produto aprimorada.
Sumário da Invenção
[0019] De acordo com a presente invenção, é descrito um reator para a fabricação de negro de fumo com um processo de negro de forno. O referido reator inclui: Uma câmara de combustão para produção de gases de combustão quente, a referida câmara de combustão compreendendo: Um queimador de combustível ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator; Uma entrada de ar localizada ortogonal ao referido queimador de combustível para receber o ar de combustão. Meios de orientação de fluxo localizados ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator posicionado próximo ao referido queimador e entre o referido queimador de combustível e a referida entrada de ar para que fique no percurso do fluxo do ar de combustão para alterar o percurso de combustível, e Uma câmara de reação localizada ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator subsequentemente à referida câmara de combustão, a referida câmara de reação sendo adaptada para receber os gases de combustão quente da referida câmara de combustão e uma matéria-prima de carbono para efetuar a formação de negro de fumo.
[0020] Tipicamente, de acordo com a presente invenção, os meios de orientação de fluxo são um conjunto de cilindros anelares.
[0021] Alternativamente, de acordo com a presente invenção, os meios de orientação de fluxo são um conjunto de cilindros anelares afunilados.
[0022] Preferivelmente, de acordo com a presente invenção, o meio de orientação de fluxo é pelo menos um selecionado a partir do grupo que consiste em cilindros anelares uniformes, cilindros anelares afunilados, pás, abafadores, aletas e similares.
[0023] Alternativamente, de acordo com a presente invenção, o meio de orientação de fluxo é um conjunto de cilindros anelares proporcionado com pelo menos um meio selecionado entre abafadores, pás e aletas, ao longo do comprimento de operação dos cilindros.
[0024] De acordo com a presente invenção, é descrito um processo para fabricação de negro de fumo que inclui as etapas de: Queimar um combustível em um queimador de combustível localizado ao longo do eixo longitudinal de um reator para fabricação de negro de fumo; Receber ar de combustão através de uma entrada de ar localizada ortogonal ao referido queimador de combustível. Alterar o percurso de ar de combustível através dos meios de orientação de fluxo proporcionados ao longo do eixo longitudinal do referido reator entre o queimador de combustível e a entrada de ar próxima ao referido queimador de combustível; Executar a mistura avançada entre ar de combustão e combustível em uma câmara de combustão para produzir gases de combustão quente com temperatura no intervalo 1000-2000 °C; e Receber os gases de combustão em uma câmara de reação ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator subsequente à referida câmara de combustão, que é alimentado com uma matéria-prima de carbono para a fabricação do negro de fumo.
[0025] Tipicamente, de acordo com a presente invenção, o processo inclui a etapa de fabricar uma categoria de negro de fumo selecionada a partir do grupo de categorias de negro duro e negro macio.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS ANEXOS
[0026] A invenção será agora descrita com a ajuda dos desenhos anexos, nos quais:
[0027] A Figura 1 ilustra um diagrama esquemático do reator de negro de fumo que mostra os meios de orientação de fluxo de acordo com a presente invenção, e
[0028] A Figura 2 ilustra um desenho esquemático das modalidades alternativas dos meios de orientação de fluxo proporcionados no reator de negro de fumo de acordo com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS ANEXOS
[0029] A invenção será agora descrita com referência dos desenhos anexos que não limitam o alcance e o âmbito da invenção. A descrição proporcionada é puramente para exemplo e ilustração.
[0030] A presente invenção proporciona um reator para a fabricação de negro de fumo e um processo de negro de forno integrado. O reator da presente invenção está adaptado para melhorar a mistura entre o ar de combustão e um combustível em uma câmara de combustão para aumentar a eficácia de combustão do combustível e produzir gases de combustão quente com uma temperatura de 1000 - 2200 °C. Os referidos gases de combustão quente são subsequentemente reagidos com a matéria-prima de carbono em uma câmara de reação para se obter o negro de fumo. A presente invenção proporciona até 20% de aumento na produção de negro de fumo.
[0031] Com referência à Figura 1, na mesma está ilustrado um reator de negro de fumo de acordo com a presente invenção, o reator é normalmente representado na Figura 1, pelo número 100. O reator 100 compreende: Uma câmara de combustão 102 com um queimador de combustível 106, uma entrada de ar 108, e meios de orientação do fluxo 110, e uma câmara de reação 104 ao longo do eixo de fluxo longitudinal do reator 100 subsequente à câmara de combustão 102. Na câmara de combustão 102 um combustível de hidrocarboneto como óleo combustível ou gás natural é queimado na presença de uma quantidade excessiva de oxigênio, tipicamente proporcionada como fluxo de ar, referida aqui como ar de combustão, para produzir gases de combustão quente. Na câmara de combustão 102, o queimador de combustível 106 está localizado ao longo do eixo longitudinal de operação do reator 100 e a entrada de ar 108 está tipicamente localizada de forma ortogonal ao queimador de combustível 106. O ar de combustão entra na entrada de ar 108 e atravessa na direção do queimador de combustível 106.
[0032] Os meios de orientação de combustível 110 estão posicionados no percurso do fluxo do ar de combustão entre o queimador de combustível 106 e a entrada de ar 108. Os meios de orientação de combustível 110 estão localizados ao longo do eixo longitudinal de operação do reator 100 para ficarem mais próximos do queimador de combustível 106 do que da entrada de ar 108. O ar de combustão que entra na entrada de ar 108 segue o percurso do fluxo denotado por 112 na Figura 1. O percurso de fluxo 112 do ar de combustão é alterado através dos meios de orientação do fluxo 110 antes de entrar em contato com o combustível no queimador de combustível 106. Devido à modificação no percurso do fluxo 112 do ar de combustão a mistura entre o combustível e o ar de combustão é aprimorada o que resulta em uma eficiência de combustão de combustível aumentada e deste modo proporciona gases de combustão com maior temperatura, tipicamente na gama dos 1000-2200 °C. Os meios de orientação do fluxo 110 ajudam ainda na estabilização da chama do queimador de combustível 106 e na manutenção da chama ao longo do eixo longitudinal de operação do reator 100. Isto ajuda no aumento da vida do revestimento refratário 114 do reator 100.
[0033] O meio de orientação de fluxo 110 é pelo menos um selecionado a partir do grupo que consiste em cilindros anelares uniformes, cilindros anelares afunilados, pás, abafadores, aletas e similares. O meio de orientação de fluxo 110 pode ser um conjunto de cilindros anelares (como mostrado na Figura 1) ou um conjunto de cilindro anelares afunilados (não mostrado na Figura). Adicionalmente, os referidos cilindros anelares podem ser proporcionados com uma variedade de pás, abafadores ou aletas na parede interior, ao longo do comprimento dos cilindros. É mostrado um esquemático do anterior na Figura 2. Ainda, uma pluralidade de cilindros anelares, afunilados ou uniformes, poderá ser proporcionada com uma pluralidade de pás ou aletas no interior do cilindro anelar mais interno. Com referência à Figura 2, as diversas modalidades alternativas dos meios de orientação de fluxo 110 são ilustradas nas Figuras 2a, 2b, 2c e 2f, onde as pás ou aletas 204 são colocadas no interior de cilindros anelares 202. As pás/aletas 204 estão apresentados nas Figuras 2d e 2e.
[0034] Em virtude dos meios de orientação 110, a temperatura dos gases de combustão quente, assim obtida, é aumentada. Os referidos gases de combustão quente atravessam o reator 100 desde a câmara de combustão 102 até à câmara de reação 104. Na câmara de reação 104, estes gases interagem com a matéria-prima de carbono para produzir negro de fumo. Ao usar os meios de orientação de fluxo 110, a produção de negro de fumo é aumentada em 5 - 20 %. O reator da presente invenção e o processo do mesmo são adequados para a fabricação de negro de fumo de classe dura ou macia.
RESULTADOS DO TESTE
[0035] A invenção será agora descrita com relação aos exemplos a seguir que não limitam de forma alguma o âmbito da invenção e apenas exemplificam a invenção. EXEMPLO 1: TABELA 1: Análise comparativa para um processo de negro de forno com meios de orientação de fluxo 110 e sem meios de orientação de fluxo.
Figure img0001
[0036] É observado a partir da TABELA 1 que quando os meios de orientação de fluxo 110 foram usados a produção de negro de fumo aumentou em 5,75 % em comparação à situação em que não foram usados meios de orientação de fluxo em uma taxa de fluxo de matéria-prima de 4100 kg/hr e a produção de negro de fumo aumentou em 14,94 % em comparação à situação em que não foram usados meios de orientação de fluxo em uma taxa de fluxo de matéria-prima de 3700 kg/hr. Adicionalmente, o consumo de combustível foi também reduzido quando os meios de orientação do fluxo 110 foram usados. EXEMPLO 2: TABELA 2: Análise comparativa para um processo de negro de forno com meios de orientação de fluxo 110 e sem meios de orientação de fluxo.
Figure img0002
[0037] É observado a partir da TABELA 2 que quando os meios de orientação de fluxo 110 foram usados a produção de negro de fumo aumentou em 9,195 % em comparação à situação em que não foram usados meios de orientação de fluxo em uma taxa de fluxo de matéria-prima de 4350 kg/hr e a produção de negro de fumo aumentou em 13,09 % em comparação à situação em que não foram usados meios de orientação de fluxo em uma taxa de fluxo de matéria-prima de 4200 kg/hr. Adicionalmente, o consumo de combustível foi também reduzido quando os meios de orientação do fluxo 110 foram usados.
VANTAGENS TÉCNICAS
[0038] Um reator para a fabricação de negro de fumo, de acordo com a presente invenção, inclui os meios de orientação localizados ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator entre um queimador de combustível e uma entrada de ar sendo adaptada para alterar o percurso do fluxo de ar de combustão entre o combustível e o ar de combustão, assim, produzindo gases de combustão quente de temperatura superior que são posteriormente recebidos em uma câmara de reação onde reagem com a matéria-prima de carbono para produzir o negro de fumo; o reator e o seu processo como descritos na presente invenção apresentam várias vantagens técnicas mas não limitadas à realização de: • O reator da presente invenção aumenta a produção de negro de fumo em 5-20% em comparação com o reator que não compreende os meios de orientação do fluxo, e • O posicionamento dos meios de orientação do fluxo ajuda ainda na estabilização da chama do queimador de combustível ao manter a sua direção ao longo do eixo longitudinal de operação do reator, aumentando assim, a vida do revestimento refratário do reator. • Os meios de orientação do fluxo aumentam a taxa de fluxo de matéria-prima em 5-20% em comparação a um reator que não cumpra os meios de orientação de fluxo.
[0039] Os valores numéricos mencionados para os vários parâmetros físicos, dimensões ou quantidades são apenas aproximações e é previsto que os valores superior/inferior aos valores numéricos atribuídos aos parâmetros, dimensões ou quantidades se insiram dentro do âmbito da invenção, a não ser que exista uma determinação na especificação que especifique o contrário. Sempre que forem especificados intervalos de valores, é incluída uma margem de até 10% abaixo e acima dos valores numéricos inferior e superior, respectivamente, do intervalo especificado, no âmbito da invenção.
[0040] Em vista de uma grande variedade de modalidades onde princípios da presente invenção podem ser aplicados, deverá ser entendido que as modalidades ilustradas são apenas para efeito de exemplo. Embora uma ênfase considerável tenha sido colocada aqui em características particulares da presente invenção, será observado que podem ser feitas várias modificações, e que muitas alterações podem ser feitas nas modalidades preferidas sem se desviar do princípio da invenção. Estas e outras modificações na natureza da invenção ou nas modalidades preferidas serão aparentes daqueles versados na técnica a partir da descrição do presente documento, onde é para ser distintamente entendido que os assuntos descritivos supracitados devem ser apenas interpretados como ilustrativos da invenção e não como limitação.

Claims (8)

1. Reator para fabricação de negro de fumo usando o processo de negro de forno, caracterizado pelo fato de que o referido reator inclui: • uma câmara de combustão para produção de gases de combustão quente, a referida câmara de combustão compreendendo: • um queimador de combustível localizado ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator; • uma entrada de ar localizada ortogonalmente ao referido queimador de combustível para receber ar de combustão; • meios de orientação de fluxo compreendendo uma pluralidade de cilindros anulares localizados ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator posicionado próximo ao referido queimador de combustível e entre o referido queimador de combustível e a referida entrada de ar de modo a estar no trajeto de fluxo do ar de combustível para alterar o trajeto de fluxo; e • uma câmara de reação localizada ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator subsequentemente à referida câmara de combustão, a referida câmara de reação sendo adaptada para receber os gases de combustão quente da referida câmara de combustão e uma matéria-prima de carbono para realizar a formação de negro de fumo.
2. Reator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios de orientação do fluxo compreendem um conjunto de cilindros anelares afunilados.
3. Reator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios de orientação do fluxo são um conjunto de cilindros anelares uniformes.
4. Reator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de orientação de fluxo compreende um conjunto de cilindros anelares tendo pás, abafadores, aletas ou uma sua combinação disposta ao longo do comprimento operativo de pelo menos um do conjunto de cilindros anulares.
5. Reator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de orientação de fluxo compreende um conjunto de cilindros anulares tendo um conjunto de defletores, aletas, aletas, ou uma combinação dos mesmos dispostos ao longo do comprimento operativo de pelo menos um do conjunto de cilindros anulares.
6. Reator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios de orientação de fluxo compreendem um conjunto de cilindros anulares tendo um ou mais deflectores, palhetas, alhetas ou uma sua combinação, ao longo do comprimento operativo do conjunto de cilindros anulares e posicionados em uma parte interior de um cilindro mais interno do conjunto de cilindros anulares.
7. Processo para a fabricação de negro de fumo, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: • queimar um combustível em um queimador de combustível localizado ao longo do eixo longitudinal de operação de um reator, conforme definido na reivindicação 1, para fabricação de negro de fumo; • receber ar de combustão através de uma entrada de ar localizada ortogonalmente ao referido queimador de combustível; • alterar o percurso de fluxo de ar de combustível através dos meios de orientação de fluxo compreendendo um conjunto de cilindros anulares proporcionados ao longo do eixo longitudinal operativo do referido reator entre o referido queimador de combustível e a referida entrada de ar próxima ao referido queimador de combustível; • efetuar a mistura avançada entre o ar de combustão e combustível em uma câmara de combustão para produzir gases de combustão quentes com temperatura na faixa 1000-2000 -C; e • receber os gases de combustão quentes em uma câmara de reação localizada ao longo do eixo longitudinal de operação do referido reator subsequente à referida câmara de combustão, que é alimentado com uma matéria- prima de carbono para fabricação do negro de fumo.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o negro de fumo compreende um negro de fumo de classe dura ou macia.
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