BR112017016691B1

BR112017016691B1 - Reator gerador de partícula, método para produzir partículas de negro de fumo e partícula de negro de fumo produzida pelo método

Info

Publication number: BR112017016691B1
Application number: BR112017016691-7A
Authority: BR
Inventors: Ned J. Hardman; Roscoe W. Taylor; Robert J. Hanson; Peter L. Johnson
Original assignee: Monolith Materials, Inc
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2022-05-03
Also published as: CA2975731A1; CA2975731C; CN107709474A; EP3253827A4; US20180022925A1; EP3253827A1; BR112017016691A2; WO2016126599A1; CN113171740A; JP2018510231A; JP7399903B2; MX2017009981A; KR20170129713A; JP2021105177A; CN113171741A; EP3253827B1

Abstract

SISTEMA GERADOR DE NEGRO DE FUMO. Aparelho e processo para a produção contínua de negro de fumo ou compostos contendo carbono. O processo é realizado convertendo-se um estoque de alimentação contendo carbono, incluindo gerar um gás de plasma com energia elétrica, acelerar o gás de plasma através de um bocal, cujo diâmetro está estreitando na direção do gás de plasma, guiando o gás de plasma em uma área de reação onde o estoque de alimentação é injetado sob condições geradas pelas forças aerodinâmicas e eletromagnéticas, incluindo a ocorrência de mistura rápida intensa entre o gás de plasma e o estoque de alimentação. Não há nenhuma recirculação significante do estoque de alimentação dentro da câmara de plasma, e a zona de reação não entra imediatamente em contato com nenhuma das superfícies de contato. Os produtos de reação são resfriados, e o negro de fumo ou compostos contendo carbono são separados dos outros produtos de reação.

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] O campo da técnica ao qual está invenção geralmente pertence é dos métodos e aparelho para fazer uso da energia elétrica para efetuar mudanças químicas.

FUNDAMENTOS

[0002] Existem muitos processos que podem ser usados e foram usados durante anos para produzir negro de fumo. As fontes de energia usadas para produzir tais negros de fumo durante anos foram, em grande parte, intimamente conectadas às matérias primas usadas para converter materiais contendo hidrocarboneto em negro de fumo. O resíduo dos óleos e gás natura de refinaria foram por muito tempo um recurso para a produção de negro de fumo. As fontes de energia evoluíram com o tempo nos processos químicos tais como na produção de negro de fumo a partir de uma simples chama, para forno a óleo, para plasma, para mencionar uns poucos. Como em toda fabricação, existe uma procura constante quanto a modos mais eficientes e eficazes para produzir tais produtos. Variação nas taxas de fluxo e outras condições de fonte de energia, variação das taxas de fluxo e outras condições de matérias primas, aumentos na velocidade de produção, aumentos nos rendimentos, redução nas características de desgaste no equipamento de fabricação, etc. foram todos, e continuam a ser, parte desta pesquisa ao longo dos anos.

[0003] Os sistemas aqui descritos satisfazem os desafios descritos acima, e adicionalmente atingem processo de fabricação mais eficiente e eficaz.

BREVE SUMÁRIO

[0004] Um reator gerador de partícula fechado é descrito, incluindo uma seção geradora de plasma contendo um ou mais conjuntos de eletrodos geradores de plasma, conectados a uma seção de reator contendo injetores de hidrocarboneto, as dimensões internas da seção de reator sendo reduzidas em pelo menos 10 % a jusante dos eletrodos geradores de plasma, e os injetores de hidrocarboneto estando no ponto de redução máxima do tamanho de reator ou ainda a jusante dos eletrodos geradores de plasma.

[0005] As formas de realização adicionais incluem: o reator descrito acima onde as dimensões internas da seção de reator são reduzidas em pelo menos 20 % a jusante dos eletrodos geradores de plasma; o reator descrito acima onde as dimensões internas da seção de reator são reduzidas em pelo menos 30 % a jusante dos eletrodos geradores de plasma; o reator descrito acima onde as dimensões internas da seção de reator são reduzidas em pelo menos 40 % a jusante dos eletrodos geradores de plasma; o reator descrito acima adicionalmente contém um ou mais de um trocador de calor conectado ao reator, um filtro conectado ao trocador de calor, um aparelho desgaseificador conectado ao filtro, , um peletizador conectado ao aparelho desgaseificador, um tanque de mistura de aglutinante conectado ao peletizador, e um secador conectado ao peletizador. Opcionalmente, um processo de transporte, um filtro de processo, ciclone, classificador ou moinho de martelo podem ser adicionados, como um exemplo não limitante de outros componentes.

[0006] Um método para produzir partículas de negro de fumo em um reator gerador de partícula fechado também é descrito, incluindo gerar um plasma compreendendo pelo menos 60 % em volume de hidrogênio com eletrodos geradores de plasma em um reator, reduzir às dimensões internas do reator em pelo menos 10 % a jusante dos eletrodos geradores de plasma, e injetar hidrocarboneto no ponto de redução máxima do tamanho de reator ou ainda a jusante dos eletrodos geradores de plasma para formar partículas de negro de fumo.

[0007] As formas de realização adicionais incluem: o método descrito acima onde as dimensões internas da seção de reator são reduzidas em pelo menos 20 % a jusante dos eletrodos geradores de plasma; o método descrito acima onde as dimensões internas da seção de reator são reduzidas em pelo menos 30 % a jusante dos eletrodos geradores de plasma; o método descrito acima onde as dimensões internas da seção de reator são reduzidas em pelo menos 40 % a jusante eletrodos geradores de plasma; o método descrito acima onde pelo menos 50 % do calor gerado pelo plasma como medido em Joules é transferido para o hidrocarboneto em 500 milissegundos ou menos; o método descrito acima onde o hidrocarboneto é alimentado em uma taxa de mais do que 200 kg/h com base na massa de produto de partícula de carbono; o método descrito acima onde o rendimento de negro de fumo com base no hidrocarboneto total injetado dentro do reator é maior do que 80 % como medido em moles de carbono do produto vs. moles de reagente de carbono; o método descrito acima onde o hirocarboneto injetado é craqueado tal que pelo menos 80 % em conteúdo molar do hidrogênio de modo original quimicamente ligado através de ligações covalentes ao hidrocarboneto são agora homoatomicamente ligados como hidrogênio diatômico; o método descrito acima onde o hidrocarboneto é submetido a pelo menos cerca de 1000°C mas não mais do que cerca de 3500°C no reator pelo calor gerado do plasma; o método descrito acima onde os eletrodos são consumidos em uma taxa de produção de mais do que cerca de 70 toneladas de negro de fumo por metro cúbico de eletrodo; o método descrito acima onde os eletrodos são concentricamente dispostos e a razão da degradação das áreas superficiais de eletrodo interno e externo permanece constante durante a geração de plasma; o método descrito acima adicionalmente incluindo o uso de uma descarga de arco rotativo criada através da aplicação de um campo magnético aos eletrodos de cerca de 20 militesla a cerca de 100 militesla; o método descrito acima onde a capacidade do reator é maior do que 3 quilotoneladas/ano, a taxa de fluxo do hidrogênio é de pelo menos 500 Nm3/h (metro cúbico normal/hora) e a taxa de fluxo de hidrocarboneto é de pelo menos 675 Nm3/h; o método descrito acima onde o hidrocarboneto é metano, etano, ou propano ou misturas destes; o método descrito acima onde o negro de fumo produzido contém uma alta concentração de gases combustíveis nos seus poros, que são subsequentemente removidos pela substituição com gás inerte, tornando deste modo o negro de fumo seguro para processar no equipamento a jusante.

[0008] As formas de realização adicionais também incluem: o método descrito acima onde a concentração de gases combustíveis é maior do que 30 % em volume em uma base seca; o método descrito acima onde o negro de fumo produzido é descarregado em uma corrente que flui para cima de gás inerte fazendo com que os gases combustíveis contidos nos poros se difundam no gás inerte; o método descrito acima onde mudanças na pressão absoluta são usadas para substituir os gases combustíveis com gás inerte; o método descrito acima onde os gases combustíveis são removidos pelas mudanças na temperatura; o método descrito acima onde o gás inerte é nitrogênio; o método descrito acima onde o gás inerte é um gás nobre; o método descrito acima onde o gás inerte é vapor; o método descrito acima onde o gás inerte é dióxido de carbono, o método descrito acima onde o gás inerte é uma mistura de dois ou mais dos gases mencionados acima; o método descrito acima onde o plasma compreende mais do que 70 % em volume de H2 e inclui pelo menos um ou mais dos gases de HCN, CH4, C2H4, C2H2, CO, benzeno, naftaleno, ou antraceno, ou outros hidrocarbonetos poliaromáticos em um nível de pelo menos 1 ppm; o método descrito acima onde as partículas de negro de fumo produzidas são produzidas em mistura com uma corrente de efluente de gás quente que sai do reator em contato com um trocador de calor que reduz a energia térmica da corrente de efluente de gases e negro de fumo em mais do que 5000 kJ/kg de negro de fumo; o método descrito acima onde as partículas de negro de fumo produzidas são produzidas em uma mistura de uma corrente de efluente de gás quente que sai do reator em contato com um trocador de calor, e é subsequentemente passada através de um filtro que permite que mais do que 50 % em volume do gás passe através, capturando substancialmente todas das partículas de negro de fumo no filtro; o método descrito acima onde pelo menos cerca de 98 % em peso das partículas de negro de fumo são capturadas no filtro; o método descrito acima onde as partículas de negro de fumo produzidas são produzidas em uma mistura de uma corrente de efluente de gás quente contendo gás combustível que sai do reator em contato com um trocador de calor, e é subsequentemente passado através de um filtro, capturando substancialmente todas das partículas de negro de fumo no filtro, e o gás subsequentemente passa através de um aparelho desgaseificador onde a quantidade de gás combustível é reduzida para menos do que 10 % em volume; o método descrito acima onde o gás combustível é hidrogênio; o método descrito acima onde as partículas de negro de fumo produzidas são produzidas em uma mistura de uma corrente de efluente de gás quente contendo gás combustível, que sai do reator em contato com um trocador de calor, e a mistura subsequentemente passado através de um filtro, capturando substancialmente todas das partículas de negro de fumo no filtro, e o negro de fumo com gás residual subsequentemente passa através de um aparelho desgaseificador onde a quantidade de gás combustível é reduzida para menos do que 10 % em volume, e as partículas de carbono são subsequentemente misturadas com água com um aglutinante e depois formados em grânulos, seguido pela remoção da maioria da água em um secador.

[0009] As partículas de negro de fumo fabricadas de acordo com o processo acima também são descritas, tendo um WSP dentre cerca de 0 e cerca de 5 mJ/m2, e contendo menos do que cerca de 0,4 % em peso de hidrogênio, e menos do que cerca de 0,5% em peso de oxigênio.

[0010] Estas, e as formas de realização adicionais, estarão evidentes a partir das seguintes descrições.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0011] A Figura 1 mostra uma representação esquemática das formas de realização de métodos e aparelho típicos aqui descritos.

[0012] A Figura 2 mostra uma representação esquemática de uma forma de realização de um aparelho típico aqui descrito.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0013] Os particulares aqui mostrados são por via de exemplo e para os propósitos apenas de debate ilustrativo das várias formas de realização da presente invenção e são apresentados no caso de fornecer o que é acreditado ser a descrição mais útil e facilmente entendida dos princípios e aspectos conceituais da invenção. A este respeito, nenhuma tentativa é feita para mostrar detalhes da invenção em mais detalhes do que é necessário para um entendimento fundamental da invenção, a descrição tornando evidente para aqueles habilitados na técnica como as várias formas da invenção podem ser incorporadas na prática.

[0014] A presente invenção será agora descrita por referência às formas de realização mais detalhadas. Esta invenção, entretanto, pode ser incorporada em formas diferentes e não deve ser interpretada como limitada às formas de realização aqui apresentadas. Ao invés, estas formas de realização são fornecidas de modo que está divulgação será acabada e completa, e transmitirá de maneira completa o escopo da invenção àqueles habilitados na técnica.

[0015] A menos que de outro modo definido, todos os termos técnicos e científicos aqui usados têm o mesmo significado como habitualmente entendido por uma pessoa de habilidade comum na técnica à qual está invenção pertence. A terminologia usada na descrição da invenção aqui é apenas para descrever formas de realização particulares e não é intencionada a ser limitante da invenção. Como usadas na descrição da invenção e nas reivindicações anexas, as formas singulares “um,” “uma,” e “o/a” são intencionadas a incluir também as formas plurais, a menos que o contexto claramente indique de outro modo. Todas as publicações, pedidos de patente, patentes, e outras referências aqui mencionadas são expressamente incorporadas por referência em sua totalidade.

[0016] A menos que de outro modo indicado, todos os números expressando quantidades de ingredientes, condições de reação, e assim por diante usadas no relatório descritivo e reivindicações devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”. Consequentemente, a menos que indicado ao contrário, os parâmetros numéricos apresentados no seguinte relatório descritivo e reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas procuradas ser obtidas pela presente invenção. No mínimo, e não como uma tentativa para limitar a aplicação da doutrina de equivalentes ao escopo das reivindicações, cada parâmetro numérico deve ser interpretado considerando-se o número de dígitos significantes e métodos de arredondamento comuns.

[0017] Não obstante que as faixas e parâmetros numéricos apresentados no amplo escopo da invenção sejam aproximações, os valores numéricos apresentados nos exemplos específicos são relatados tão precisamente quanto possível. Qualquer valor numérico, entretanto, inerentemente contém certos erros necessariamente resultantes do desvio padrão encontrado nas suas respectivas medições de teste. Cada faixa numérica dada por todo este relatório descritivo incluirá todas as faixas numéricas mais estreitas que caiam dentro de tal faixa numérica mais ampla, como se tais faixas numéricas mais amplas fossem todas aqui expressamente escritas.

[0018] As vantagens adicionais da invenção serão apresentadas em parte na descrição que segue, e em parte serão óbvias a partir da descrição, ou podem ser aprendidas pela prática da invenção. Deve ser entendido que tanto a descrição geral precedente quanto a descrição detalhada seguinte são apenas exemplares e explicativas e não são restritivas da invenção, como reivindicada.

[0019] O negro de fumo por toda a história antiga foi fabricado via o processo da lâmpada ou térmico. Existem referências aos textos romanos antigos dando instrução de como o negro de fumo foi fabricado a mais de 2000 anos atrás. (Donnet, Bansal e Wang, Carbon Black, Nova Iorque: Marcel Dekker, 1993 p. 54, por exemplo). Em meados do século 19 observou-se o advento do processo de canal que foi utilizado para preparar um negro mais escuro com mais estrutura e mais utilidade em tintas, revestimentos, e como um enchedor em polímeros. Nos idos de 1940 até os anos 50 testemunhou-se um novo processo ocupando um lugar de destaque. O processo de forno onde um óleo é comburido na presença de uma quantidade controlada de oxigênio, forneceu um negro mais escuro com estrutura mais alta que permitiu melhor desempenho nos compósitos elastoméricos para pneus. Dentro de 30 anos, menos do que 10 % do negro de fumo no mercado seria fabricado pelo processo de canal. Atualmente o processo de canal fornece menos do que 2 % do negro de fumo para o mercado.

[0020] Conforme a tecnologia do processo do negro de fumo se move adiante, existem novos desafios de processo para o processo de forno incumbente. A síntese com base em plasma de negro de fumo está na frente da tecnologia de vanguarda. O processo é limpo, emitindo quase zero CO2 local, e zero SOx - comparado com as múltiplas toneladas de CO2 para o processo de forno, com dezenas de quilogramas de NOx e SOx para cada tonelada de negro de fumo produzida. Embora a técnica do plasma tenha sido tentada muitas vezes durante todo o último século, não tem havido empreendimentos de produção comercial de longa duração viáveis com base neste processo.

[0021] O plasma foi usado para uma variedade de propósitos durante os últimos 100 anos. O mesmo foi usado para produzir acetileno a partir de hidrocarbonetos no processo do Arco Elétrico de Huls-Hoechst. O processo de plasma foi e é correntemente usado para soldar, revestir, e cortar todos os tipos de materiais (ver a Patente US No. 4.864.096, por exemplo). O mesmo também tem sido usado para tratar resíduos de modo a tornar úteis gases e carvão animal (ver a Patente US No. 8.443.741, por exemplo). Várias tentativas foram feitas para utilizar processos de plasma de arco elétrico para a fabricação de partículas finas de carbono (ver a Patente US No. 7.462.343, por exemplo). Está claro que embora o processo de plasma possa ser útil para a produção de partículas finas, sem os controles apropriados e engenharia de alta qualidade específicos o produto final não será útil. Por exemplo, a despeito dos números de Patente US (as patentes listadas acima, assim como as Patentes US Nos. 3.344.051, 2.951.143, 5.989.512, etc. e outras patentes listadas abaixo) relacionados com a produção de partículas finas de carbono com a tecnologia de plasma, não existe nenhum produto comercial que utilize a tecnologia da produção de plasma na fabricação em grande quantidade de partículas finas de carbono.

[0022] Os processos e sistemas aqui descritos resolvem os problemas inerentes a este processo no passado e permite um processo more eficiente, menos poluente para substituir o processo de forno incumbente, que converte combustíveis gasosos ou líquidos para carbono sólido.

[0023] Os processos e sistemas aqui descritos podem ser usados com êxito em geradores de plasma utilizando um gás ou mistura gasosa (pelo menos 50 % em volume de gás) onde o gás é reativo e corrosivo no estado de plasma. Especificamente o gás de plasma é pelo menos 50 % em volume de hidrogênio. A mistura de gás hidrogênio é fornecida diretamente dentro de uma zona em que uma descarga elétrica produzida por uma fonte CC ou CA é sustentada.

[0024] No passado, os projetos de gerador de plasma não foram capazes de atingir a potência, resistência à corrosão, e exigências de operação contínua para produzir negro de fumo por causa de coisas tais como o potência insuficiente da unidade de seus componentes básicos e a tendência destes componentes para deterioração quando expostos ao plasma de hidrogênio, resultando em perda de tempo de reator, custos de capital aumentados, e negro de fumo não economicamente produzido, entre outras coisas.

[0025] Geradores de plasma protótipos que produzem partículas são projetados para operar continuamente durante várias centenas de horas, a potência da unidade de um destes geradores de plasma típicos sendo de aproximadamente 1 MW (megawatts). O que é necessário é um reator que possa operar continuamente durante vários milhares de horas em um ambiente corrosivo em potências a ou maiores do que 4 MW. Os processos e sistemas aqui descritos possibilitam a operação e produção contínuas de negro de fumo de alta qualidade a partir do processo de plasma onde outros falharam.

[0026] Os feixes de plasma para vários processos industriais são normalmente produzidos pelos geradores de plasma compreendendo uma câmara de descarga e eletrodos mutuamente insolados. Uma descarga de arco elétrico é iniciada na câmara de descarga entre os eletrodos, no fluxo de um meio. O último é aquecido na descarga para o estado de plasma e flui para fora do gerador na forma de um jato de plasma. Os mais amplamente usados são geradores de plasma energizados por uma fonte CC: eles são mais simples no projeto, mais eficientes na medida em que a conversão de energia elétrica para térmica está envolvida, e mais fácil para controlar.

[0027] De todos os componentes do gerador de plasma, os eletrodos, ou particularmente as suas superfícies expostas ao arco elétrico, os “pontos de arco”, estão no ambiente de aquecimento mais intenso. A densidade de fluxo térmico nestas áreas podem atingir 105 a 106 W/cm2 (watts por centímetro quadrado) na corrente tão grande quanto vários milhares de amperes. Todos os metais conhecidos fundem e evaporam sob tais condições. Portanto, a destruição dos eletrodos na sua superfície é o significado típico de erosão. Esta erosão substancialmente reduz a vida útil de um gerador de plasma. A erosão de eletrodo é mais pesada nos geradores de plasma operando na presença de elementos quimicamente ativos tais como hidrogênio ou oxigênio.

[0028] Prolongar a vida dos eletrodos é amplamente dependente da capacidade para minimizar o efeito térmico do arco elétrico sobre os eletrodos, assim como proteção adequada da superfície do eletrodo contra o meio erosivo. Isto pode ser parcialmente obtido aplicando-se um campo eletromagnético para reduzir os efeitos dos pontos de arco movendo-se os pontos de arco rapidamente sobre a superfície do eletrodo, através do que o fluxo térmico médio é reduzido em densidade para as áreas de contato entre os eletrodos e o arco elétrico. Adicionalmente, o campo magnético empurrará o plasma para fora dos confins do espaço imediato entre os dois eletrodos. Isto significa que o meio erosivo (H2 superaquecido e radical hidrogênio) serão amplamente separados do próprio eletrodo. Em uma forma de realização, o método inclui o uso de uma descarga de arco rotativo criada através da aplicação de um campo magnético aos eletrodos, de cerca de 20 militesla a cerca de 100 militesla, medida na ponta do maçarico radialmente em torno da circunferência do maçarico mas axial e ao anel dos eletrodos. Um valor de cerca de 30 a 50 militesla pode ser tipicamente usado.

[0029] Um outro modo eficaz para controlar a erosão de eletrodo é através da distribuição da corrente da descarga do arco principal entre várias descargas, pelo que o efeito térmico sobre cada um dos eletrodos conectados em paralelo da montagem de eletrodo, por exemplo o ânodo, é mitigado. Ver, por exemplo, as Patentes US Nos. 2.951.143 e 3.344.051. Por exemplo, na Patente US No. 3.344.051, cátodos de cobre múltiplos resfriados por água são utilizados para reduzir os pontos de arco que resultam na decomposição do reator de plasma gerador de partícula. Embora este seja um projeto interessante, os eletrodos de plasma são fabricados de cobre e grafite e o cobre se decompõem em uma atmosfera de plasma de hidrogênio de modo bastante rápido nas temperaturas requeridas para produzir negro de fumo de alta qualidade (>1200°C).

[0030] Um outro método para utilizar plasma é com uma pluralidade (por exemplo, 3 ou mais) de eletrodos de CA. Os exemplos de um sistema de plasma CA pode ser encontrado na Patente US No. 7.452.514, por exemplo. O sistema CA pode utilizar uma pluralidade de eletrodos que tem a vantagem de consumo mais eficiente de energia assim como carga térmica reduzida na superfície do eletrodo. Um outro modo para gerar hidrogênio nas temperaturas maiores do que 2800°C é usar aquecimento indutivo via canais tubulares de grafite resistivo.

[0031] Outras tentativas para produzir negro de fumo no processo de plasma têm incluído a utilização de plasma de micro-onda frio que não alcança uma temperatura alta o bastante para produzir negro de fumo de qualidade (ver, por exemplo, a publicação PCT No. WO2013185219A1). Adicionalmente, os processos que passam o estoque de alimentação de hidrocarboneto diretamente para dentro da zona de plasma também falham em produzir negro de fumo de alta qualidade devido à exposição do estoque de alimentação às temperaturas extremamente altas (>3200°C). Ver, por exemplo, a Patente US No. 8.486.364. Ver também a publicação do pedido de patente chinês No. CN103160149A que reivindica o uso de plasma como uma tecnologia de combustão em temperatura ultra-alta para mover o processo de forno para temperaturas mais altas que permitiram partículas primárias menores.

[0032] Esforços passados falharam em produzir negro de fumo de qualidade comercial via processamento por plasma devido a coisas tais como uma falta dos materiais corretos de construção para resistência à corrosão pelo plasma de hidrogênio, injeção imprópria de hidrocarboneto dentro de uma zona que é muito fria ou muito quente, conhecimento insuficiente do processo de formação das partículas de negro de fumo, etc., etc., entre outras coisas. Adicionalmente, muitas tentativas falharam simplesmente por causa de aspectos econômicos da produção de negro de fumo a partir de hidrocarboneto, por exemplo, sem recircular o hidrogênio como produzido de volta para dentro do reator e utilizar este gás como o gás de plasma, tornando este processo muito menos atrativo em uma base de custo quando comparado com o processo de forno incumbente. Por esta razão, e outras, a fabricação de negro de fumo de alta qualidade através da utilização de plasma de hidrogênio simplesmente não foi realizada com êxito no passado.

[0033] A Patente US No. 5.989.512 mencionada acima divulga o uso de um dispositivo e método para produzir negro de fumo e hidrogênio via decomposição térmica usando um maçarico de plasma. Os bocais de injeção ajustáveis são projetados para criar uma zona de reação no centro do reator. O uso de um anel também é utilizado para tentar manter a porção de plasma separada da porção de reação. Entretanto, se mudanças abruptas na geometria do reator tais como descritas nesta patente são utilizadas, os materiais de construção degradarão rapidamente causando falha do reator. Também, a mistura do hidrocarboneto precursor deve ser Efetuada muito próxima a ou no gargalo do reator para se obter vantagem completa do venturi.

[0034] A Patente US No. 7.452.514 descreve um dispositivo e método para produzir negro de fumo e hidrogênio via decomposição térmica usando um maçarico de plasma, uma câmara de plasma, um venturi para prevenir a recirculação de estoque de alimentação para dentro da câmara de plasma, e uma câmara de reação onde o estoque de alimentação é injetado dentro do gás de plasma quente. O gás de plasma listado em todos os exemplos é nitrogênio e não existe nenhum aspecto viabilizante dentro desta patente que forneceria plasma de hidrogênio, que é claramente um ambiente muito diferente. O reator descrito na patente não produziria negro de fumo com hidrogênio como o gás de plasma. Devido à densidade extremamente baixa do hidrogênio, misturar as duas correntes de efluente (plasma de hidrogênio e hidrocarboneto) na maneira descrita na patente resultaria no hidrogênio desviando da corrente de metano com muito pouca transferência de calor para o metano. O reator descrito nesta patente não produziria negro de fumo a partir de metano, óleo combustível obtido por pirólise ou qualquer outro estoque de alimentação de hidrocarboneto com hidrogênio como gás de plasma. O reator não permite o uso de plasma para produzir negro de fumo especificamente a partir de uma fonte de plasma de gás hidrogênio. Portanto, a própria patente não permite que se use o gás de plasma mais economicamente viável, embora a mesma divulgue o uso de hidrogênio. O plasma de nitrogênio não é economicamente viável e não pode competir com o processo de forno com base no óleo incumbente; o plasma deve estar compreendido de uma maioria de hidrogênio para competir em uma base econômica.

[0035] Como descrito, por exemplo, no Pedido de Patente Publicado US No. 2005/0230240A1, os eletrodos usados para gerar o plasma pode se tornar parte da nanopartícula de produto, onde os eletrodos de grafita de fato se tornam nanopartículas de fulereno no processo. Isto não é econômico para a fabricação de negro de fumo e os métodos e sistemas aqui descritos especificamente limitam a decomposição dos eletrodos de grafite usados para produzir o plasma de hidrogênio.

[0036] Como descrito, por exemplo, no Pedido de Patente Publicado No. GB1400266, é muito difícil preparar muitos graus de negro de fumo a partir de estoque de alimentação gasoso. O processo neste documento se refere a um método para permitir a alimentação de precursores líquidos utilizando um plasma de metano. Este método, entretanto, expõe o estoque de alimentação de hidrocarboneto às temperaturas extremamente altas (>3000°C) e pode causar a fabricação de negro de fumo de qualidade insatisfatória. Adicionalmente, não há economia de custo em relação ao processo de forno porque precursor de combustível líquido é ainda requerido para a fabricação de negro de fumo. Além disso, a conversão dos estoques de alimentação de hidrocarboneto nestes exemplos está abaixo dos 90 % demonstrando ainda este como um processo não econômico.

[0037] Como descrito na Patente US No. 8.771.386, por exemplo, gás de síntese é gerado em um plasma a partir do estoque de alimentação de hidrocarboneto. Como é típico para este tipo de processo, a formação de negro de fumo ou fuligem é especificamente evitada devido à inutilidade normal do negro de fumo quando fabricado a partir de plasma. As altas temperaturas necessárias para produzir negro de fumo de qualidade em uma atmosfera de hidrogênio resulta em erosão dos eletrodos, gargalo, e reator. Esta é uma razão do porque o processo descrito na Patente US No. 8.771.386 especificamente tenta evitar a síntese de negro de fumo, embora a produção de negro de fumo de alta qualidade seria significantemente mais valiosa do que a do gás de síntese.

[0038] Um processo fechado como aqui definido inclui uma combinação de um mínimo do gerador de plasma, da câmara de reação, do gargalo, do filtro principal, e da câmara de desgaseificação. Estes componentes são substancialmente livres de oxigênio e outros gases atmosféricos. O processo é engenheirado para permitir apenas a atmosfera específica que é preferida para os métodos e sistemas aqui descritos. Especificamente, o oxigênio é excluído ou dosado em uma quantidade controlada de menos do que 5 % em volume no processo fechado. O processo é definido tal que inclua um ou mais do gerador de plasma, câmara de plasma, gargalo, forno, trocador de calor, filtro principal, câmara de desgaseificação, e parte traseira. A parte traseira pode opcionalmente incluir um ou mais de um trocador de calor conectado ao reator, um filtro conectado ao trocador de calor, um aparelho desgaseificador (inertização de produto) conectado ao filtro, um peletizador conectado ao aparelho desgaseificador, um tanque de mistura de aglutinante (tipicamente aglutinante e água) conectado ao peletizador, e um secador conectado ao peletizador. Estes componentes são mostrados esquematicamente na Figura 1. Estes são tipicamente peças convencionais de equipamento usadas na indústria do negro de fumo, como demonstrado, por exemplo, pelas patentes aqui citadas. Ver também as Patentes US Nos. 3.981.659, 3.309.780, e 3.307.923.

[0039] A Figura 2 mostra uma representação esquemática de uma forma de realização de um aparelho típico aqui descrito. O gás de plasma convencional (21) tal como oxigênio, nitrogênio, argônio, hélio, ar, hidrogênio, hidrocarboneto (por exemplo, metano, etano), etc. (usados sozinhos ou em misturas de dois ou mais) é injetado dentro de uma zona de formação de plasma (22) contendo eletrodos de formação de plasma convencionais (20) (que são tipicamente feitos de cobre, tungstênio, grafite, molibdênio, prata, etc.). O plasma assim formado depois entra na zona de reação (23) onde o mesmo reage/interage com um estoque de alimentação contendo carbono (24) para gerar um produto de negro de fumo. Os revestimentos (26) podem ser de qualquer material convencionalmente usado que possa suportar as temperaturas de formação de plasma, com grafite sendo preferido. E os injetores de hidrocarboneto podem estar localizados em qualquer lugar em um plano entre o ponto de redução máxima do tamanho do reator (27) ou mais a jusante (28) dos eletrodos geradores de plasma. Em uma forma de realização alternativa, o injetor de hidrocarboneto pode estar co-localizado com o gás de plasma a montante da geração de plasma (21). O injetor pode estar co- localizado mas espacialmente separado do fluxo de gás de plasma, a montante da geração de plasma.

[0040] Como aqui usado, homoatomicamente ligado significa que a ligação está entre dois átomos que são os mesmos como no hidrogênio diatômico ou H2. C-H é uma ligação heteroatômica. Em uma forma de realização, o hidrocarboneto vai de CH heteroatomicamente ligado para H-H e C-C homoatomicamente ligados. O H2 do plasma está ainda presente, mas isto está apenas se referindo ao H2 do CH4 ou outro estoque de alimentação de hidrocarboneto.

[0041] É desafiante gerar um gás de plasma quente economicamente. O custo da entrada de energia pode fazer com que os aspectos econômicos do processo pareçam favorecer um processo de forno que use um queimador de gás natural para comburir o óleo ao invés de um arco elétrico para criar plasma que depois craqueia o gás natural.

[0042] O controle da qualidade final do negro de fumo é muito dependente do controle do processo e otimização do processo. O processo de plasma por si só opera nas temperaturas em certas regiões do reator que podem estar em excesso de 3400°C. As condições de temperatura e mistura têm que ser completamente otimizadas e controladas para produzir todos dos vários graus de negro de fumo, dos quais existem várias centenas. Esta atenção aos detalhes é difícil no processo de forno, mais até que no processo de plasma onde as temperaturas se aproximam da temperatura da superfície do sol. Materiais de construção, além do conhecimento das áreas que devem ser resfriadas, devem ser executadas com o conhecimento de todas as outras partes para executar o propósito principal do reator global, que é a produção eficiente de um plasma com eficiência máxima de energia, utilidade de partes funcionais em relação ao tempo de vida máximo, perda mínima de calor, reciclagem máxima de hidrogênio, mistura máxima e várias combinações das características anteriores para efetuar eficiência global completa do reator de plasma no total. Em resumo, o reator sendo uma soma de todas as peças intercambiáveis trabalhando com eficiência máxima, combinada com a complexidade do processo overall, é bastante único de qualquer coisa jamais realizada nesta área no passado.

[0043] Em muitos processos que produzem o negro de fumo de alta qualidade, uma zona de venturi existe. Para a produção de negro de fumo de alta qualidade com muita área de superfície com coqueificação mínima, a mistura rápida do estoque de alimentação com gás quente é necessária. O negro de fumo de alta qualidade possui distribuição compacta da área de superfície e DBP. Por exemplo, a amostra pode ser ajustada para ter partículas que possuem uma distribuição de tamanho de partícula estreita e uma distribuição estreita das partículas ramificadas primárias. Isto pode ser controlado pelo perfil de tempo/temperatura do estoque de alimentação de hidrocarboneto durante a conversão para negro de fumo sólido. Adicionalmente, a quantidade de hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs) é mantida a uma quantidade mínima (menor do que 1 % em massa). A quantidade de coque ou grão é de menos do que 500 ppm (partes por milhão) devido à mistura rápida e altas temperaturas do plasma. E finalmente, a química de superfície é compatível com aquela que seria requerida para o alto desempenho em compostos elastoméricos, por exemplo, especificamente como material enchedor em compósitos tratados. A atenção a estes detalhes nunca foi completamente implementada na busca da fabricação do negro de fumo a partir do processo de plasma, isto é o porquê não existem no presente negros de fumo comercialmente disponíveis que sejam fabricados a partir do processo de plasma.

[0044] A absorção de ftalato de dibutila (DBP) mede a estrutura relativa do negro de fumo determinando-se a quantidade de DBP que uma dada massa de negro de fumo pode absorver antes de atingir uma pasta viscosa especificada. Os negros térmicos possuem os menores números de DBP (32 a 47 ml/100 g) de qualquer negro de fumo, indicando muita pouca agregação de partícula ou estrutura. O DBP é tipicamente medido seguindo-se a ASTM D2414-12.

[0045] A reação inteira para formar um negro de fumo de partícula fina é terminada dentro de vários milissegundos depois da injeção do estoque de alimentação de material de hidrocarboneto. O arco de um maçarico de plasma é incrivelmente quente, tornando crucial resfriar os componentes do sistema. É um desafio resfriar os componentes chave sem que se tenha grandes ineficiências. Em alguns casos, os fluxos de calor são tão altos que é impossível impedir que os materiais conhecidos de construção falhem usando os métodos de resfriamento existentes.

[0046] A jusante da geração plasmática a câmara de plasma será estreita ou convergirá para uma extremidade cônica ou quadrada/ranhura e depois pode opcionalmente se endireitar antes de divergir no reator. A jusante do ponto mais estreito do gargalo e para o início da divergência no reator, um ponto de injeção do estoque de alimentação de hidrocarboneto é intencionado. O gargalo pode ser descrito como um bocal em que o gás de plasma é acelerado através do bocal cujo orifício está se estreitando na direção do gás de plasma. O gás de plasma é guiado na área do reator onde o estoque de alimentação é injetado, tal que sob as condições prevalecentes geradas pelas forças aerodinâmicas e eletromagnéticas, a mistura rápida intensa entre o gás de plasma e o estoque de alimentação ocorre e não existe uma recirculação significante do estoque de alimentação na câmara de plasma, e a injeção do hidrocarboneto é controlada tal que a área no espaço onde a reação ocorre não entra em contato com qualquer superfície. Substancialmente, mais do que 50 % da energia contida dentro do hidrogênio é transferida para a corrente de efluente de hidrocarboneto dentro dos primeiros 500 milissegundos, dado que o tempo de partida no ponto em que o hidrocarboneto é injetado e o calor pode ser transferido por intermédio de um mecanismo radioativo, condutivo, de transferência de gás térmico ou qualquer outro mecanismo.

[0047] A quantidade desejada de estreitamento é determinada através da interação de 3 fatores. O primeiro fator é a recirculação dos hidrocarbonetos e das partículas sólidas de carbono retornadas para a câmara de plasma. Estreitando a constrição ou gargalo para um diâmetro menor resulta em um fluxo de gás com velocidade mais alta e deste modo, em menos recirculação retornando para a câmara de plasma. um estreitamento de 30 % resulta em uma duplicação da velocidade do gás. Para a recirculação reduzida desejada, qualquer área de velocidade de gás aumentada a jusante resultará em uma diminuição da recirculação que retorna para a região a montante. Portanto, embora um estreitamento de 30 % duplicará a velocidade e fornecerá uma redução dramática na recirculação, mesmo um estreitamento de 10 % é benéfico para a redução da recirculação.

[0048] Uma mistura ótima é obtida com uma velocidade de gás máxima no gargalo, portanto, a mistura será melhorada com um gargalo mais estreito.

[0049] O fator de visão é a capacidade do maçarico de plasma para irradiar o calor para a porção do reator além do gargalo e este é o terceiro vetor a ser considerado quando da determinação do diâmetro do gargalo. O fator de visão é aumentado se o gargalo for menos estreito. Um fator de visão aumentado é preferível porque este permite que as partículas precursoras absorvam mais calor na forma de radiação do plasma e também porque este permite que as paredes do reator atinjam a temperatura máxima. Pela razão de um fator de visão aumentado ser desejável e a mistura máxima com recirculação mínima também ser desejável, existe uma interação contrabalanceada entre estes fatores. Por estas razões, é necessário reduzir o diâmetro do processo no gargalo, contudo, a redução pode ser de mais do que 10 %, ou mais do que 20 %, ou mais do que 30 %, ou ainda mais do que 40 %. Diferentes graus do negro de fumo podem requerer um ajuste fino deste parâmetro de modo a alvejar a área de superfície, estrutura, propriedades químicas da superfície, enquanto ao mesmo tempo minimiza os Hidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos (PAHs) e minimiza uma grande contaminação de partícula (grão) no produto.

[0050] Os produtos intermediários das reações de negro de fumo possuem uma tendência de aderir à qualquer superfície que estes entrem em contato. Um grande desafio para o processo de plasma é prevenir que o produto intermediário antes da formação de negro de fumo entre em contato com qualquer superfície. Isto deve ser efetuado enquanto se mantém a sobrevivência dos componentes interiores tais como o revestimento da câmara de plasma, o material de gargalo, os materiais injetores, bem como o reator por si. O desafio no passado e uma das maiores razões pela qual isto não foi efetuado, é que o controle da mistura de uma maneira que mantenha a integridade do reator enquanto também se obtém a mistura rápida foi uma descoberta indisponível no passado. O processo de plasma requer a mistura de hidrocarboneto relativamente fria de densidade significante com hidrogênio excedentemente quente com uma densidade muito baixa. A mistura rápida destas correntes de efluente, até o presente, foi uma descoberta indisponível no passado.

[0051] A mistura do estoque de alimentação de hidrocarboneto no gargalo ou apenas a jusante do gargalo pode ser obtida através do uso de múltiplos injetores que são orientados tangencialmente com relação ao fluxo de plasma. Preferivelmente, o ângulo fora do eixo é de cerca de 5 graus a cerca de 85 graus pelas razões explicadas abaixo.

[0052] Dados quatro bocais circulares de um diâmetro típico para este tipo de reator (o diâmetro total dos bocais é tipicamente de menos do que 5 % da circunferência do plano transversal onde os injetores são colocalizados) os seguintes estudos de modelagem se aplicam.

[0053] Os cálculos de dinâmica de fluidos foram realizados para ilustrar a dificuldade de misturar as correntes de efluente de plasma de hidrocarboneto frio e hidrogênio quente. Uma escolha é injetar o hidrocarboneto axialmente com o fluxo de plasma. Isto resulta em uma excelente sobrevivência do reator, além da mistura pobre de duas correntes. Existe difusão muito limitada com base no turbilhão de Kelvin-Helmholtz dada a injeção axial. Outra opção é injetar radialmente. Devido à diferença na densidade, velocidade, e temperatura das duas correntes de efluente, o efeito da mistura radial será de pouca a nenhuma mistura, uso ineficiente do calor contido no hidrogênio e também a degradação dos componentes do reator e a jusante do reator. Substancialmente, a maior parte do estoque de alimentação de hidrocarboneto não será craqueada pelo hidrogênio na mistura tanto axial quanto radial. De fato, um fluxo contínuo que é compreendido de componentes tanto axiais quanto radiais (o então chamado fluxo “fora do eixo”), embora ótimo para esta configuração de bocal, não resultará em uma quantidade suficiente de hidrocarboneto craqueado de modo a tornar este processo competitivo com o negro de fumo com base em forno.

[0054] Se uma pluralidade de bocais, isto é igual a ou mais do que 6 bocais, ou bocais alternativos formados (por exemplo, em forma de uma fenda), a soma dos diâmetros que compreendem mais do que 5 % da circunferência do plano transversal onde os injetores estão colocalizados é utilizada, tal que a maioria do hidrogênio seja aprisionada dentro de uma cortina de estoque de alimentação de hidrocarboneto, então a eficiência máxima da transferência de calor do plasma de hidrogênio para o estoque de alimentação de hidrocarboneto ocorre. Como no exemplo acima, uma mistura insuficiente entre a corrente de efluente ocorrerá no caso da injeção de hidrocarboneto axial. No caso da injeção radial com a contagem de bocal aumentada/forma de boal ajustada, a mistura será aumentada, contudo, a sobrevivência dos componentes é muito pior quando comparada com a injeção axial. Com a contagem de bocal otimizada/forma de bocal ajustada a injeção fora do eixo em um ângulo fora do eixo de 5 graus a 85 graus, a sobrevivência dos componentes é maximizada, a mistura é maximizada, e a coqueificação é minimizada. Adicionalmente, o fluxo tangencial pode ser introduzido para intensificar mais a mistura entre as duas corrente de efluentes que possuem diferentes densidades, temperaturas, velocidades, bem como viscosidade. A mistura destas duas correntes é de igual importância e dificuldade. O diâmetro na descrição acima é definido como a dimensão mais larga de um bocal de forma irregular ou regular. Por exemplo, se a forma é uma estrela, o diâmetro é medido entre as duas pontas da estrela que fornecem a maior dimensão interna.

[0055] Os produtos de reação são resfriados depois da fabricação. O resfriamento súbito pode ser usado que é compreendido de uma maioria de gás hidrogênio. Este resfriamento súbito pode ser injetado na porção do reator do processo.

[0056] Um trocador de calor pode ser usado no qual os gases do processo são expostos a uma quantidade grande de área de superfície e deste modo poderá resfriar, enquanto simultaneamente, a corrente de produto é transportada através do processo. O trocador de calor no reator deve ser ainda mais eficiente no processo de plasma do que no processo de forno devido às temperaturas elevadas no processo de plasma.

[0057] O trocador de calor tem um desenho de concha e tubo com uma lâmina de tubo de fundo dupla. A quantidade de área de superfície é vinculada à saída, com 10 kW/m2 (quilowatts por metro quadrado) como o fluxo de limite e 33 kW/m2/K como o coeficiente de transferência de calor. A configuração é contracorrente com uma porção do resfriamento de ar no fundo da chapa de tubo de modo que esta possa suportar a carga dos tubos, combinada com compensadores de tubo individuais (foles de expansão) de modo a proteger o trocador de calor deve ser a de um bloco de tubo. Alguns projetos também incluem uma concha dupla que pré-aquece o ar de entrada enquanto resfria a concha do fundo de modo que esta tenha uma maior força de fluência. Isto também depois reduz a temperatura diferencial na terminação fria do trocador de calor, reduz a obstrução, fogos e grãos. A energia removida é dependente das condições e grau de operação. As melhoras possíveis a este processo podem incluir uma condição sem combustível quando o gás natural é desligado, de modo que o entupimento não pegará fogo. Isto pode aliviar a necessidade quanto a lâminas de tubo de fundo duplo, mas tais fogos podem ser muito prejudiciais. A mudança na química e densidade do gás também pode mudar o processo e grau de entupimento. O presente projeto é para remover em torno de 20.000 kJ/kg (quilojoules/quilograma) de calor (negro e gases/vapores).

[0058] É desafiador remover economicamente o hidrogênio do negro de fumo, particularmente a quantidade pequena que permanece nos poros e estrutura do negro de fumo depois que o mesmo foi separado do grosso em um ciclone, sistema de filtro de pano, ou outro dispositivo de separação primária.

[0059] Um método de separar hidrogênio e outros gases combustíveis dos poros de uma corrente de produção de aglomerado de negro de fumo formada em um sistema de reator de maçarico de plasma, ou outro sistema de produzir negro de fumo que resulta nos gases fabricados na formação do negro de fumo contendo mais do que 40 % de gases combustíveis, é descrito abaixo. Tais processos produzem negro que é tipicamente filtrado ou de outro modo separado do grosso do gás de cauda deixando os poros dos aglomerados cheios de gases combustíveis, apresentando um perigo de segurança significante para o equipamento atmosférico a jusante. Como aqui descrito, tais gases combustíveis são removidos dos poros dos agregados de negro e assim protegem o equipamento a jusante que processam o negro em ar ou misturas de ar.

[0060] As formas de realização adicionais incluem remover os gases combustíveis dos poros dos agregados de negro pela variação da pressão ou temperatura, ou descarregando o negro de fumo produzido em uma corrente que flui para cima de gás inerte fazendo com que o hidrogênio contido nos poros do aglomerado se difunda no gás inerte; o método descrito acima onde o gás inerte usado para variar a pressão ou fornecer o gás inerte que flui para cima é nitrogênio; o método descrito acima onde o gás inerte usado para variar a pressão ou fornecer o gás inerte que flui para cima é um gás nobre (hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio, etc.).

[0061] O hidrogênio aprisionado dentro dos poros dos aglomerados de negro de fumo produzidos em um sistema de maçarico de plasma típico e outros processos de negro de fumo de alta intensidade, é recoberto pelo fluxo em contracorrente de nitrogênio. Alternativamente, a remoção de hidrogênio pode ocorrer pela oscilação de pressão com nitrogênio ou um outro gás inerte de modo que cada mudança na pressão, de atmosferas múltiplas descendo até uma pressão menor ou mesmo um vácuo, de modo a deslocar os gases combustíveis com um gás inerte. Outros métodos podem incluir oscilações de temperatura ou apenas deixando o produto nos filtros durante a noite de modo que o hidrogênio difunda para fora com o tempo.

[0062] A desgaseificação por oscilação de pressão requer um vaso de pressão para conter a mudança na pressão necessária para o uso de uma oscilação de pressão. O mesmo é verdadeiro deve a oscilação de pressão usar um vácuo ao invés de ou suplementar à oscilação de pressão. Embora descontínuas, tais oscilações de pressão podem ocorrer em um período curto de tempo e assim resultar na inércia do produto em um período relativamente curto de tempo. A inércia se refere à remoção de gases combustíveis para um nível seguro onde uma explosão não possa ocorrer, em outras palavras criar um ambiente inerte. As oscilações de temperatura também deslocariam eficazmente os gases combustíveis do poro, mas provavelmente levaria mais tempo do que as oscilações de pressão ou métodos em contracorrente. A remoção de hidrogênio durante a noite também leva muito tempo para um processo de produção contínua. Fluindo gás através de uma massa de negro, ou através de negro fluidizado (por exemplo um leito fluido de negro) também removeria gases combustíveis, mas não representa um método preferido para a remoção devido ao tempo adicional requerido e a probabilidade de canalizar dentro do leito.

[0063] A forma de realização contracorrente gera um gás inerte que flui para cima que o negro cai através. Quando da descarga do negro do filtro unitário principal o mesmo é enviado em uma corrente que flui para cima de gás inerte. Conforme o negro cai através do gás inerte o hidrogênio difundirá para fora dos poros do aglomerado no gás inerte. A flutuabilidade do hidrogênio e outros gases combustíveis ajudarão com este processo. Esta forma de realização deve resultar no uso mínimo de nitrogênio, a concentração mais alta de gases combustíveis na corrente de gás emitido deste processo e completar o processo continuamente.

[0064] A parte traseira do reator pode compreender um peletizador, um secador, um ensacador como um exemplo não limitante de componentes. Mais componentes ou menos componentes podem ser adicionados ou removidos. Por exemplo, os exemplos de um peletizador podem ser encontrados no Pedido de Patente Publicado US No. 2012/0292794A1 (e referências aí citadas). Para o peletizador, água, aglutinante e negro de fumo são tipicamente adicionados juntos em um peletizador do tipo pino, processados através do peletizador, e depois secados. A razão de aglutinante:negro de fumo é menor do que cerca de 0,1:1 e a razão de água para negro de fumo está tipicamente dentro da faixa de cerca de 0,1:1 a cerca de 3:1. O negro também pode passar através de classificadores, moinhos de martelo ou outro equipamento de redução de tamanho, de modo a reduzir a proporção de grãos no produto.

[0065] O fluxo de energia é de cerca de 3500 kJ/kg para um negro que requer 1,2 kg de água / kg de negro de fumo (120 DBP). Negros com DBP mais baixo usariam menos água para produzir grânulos de qualidade aceitável e assim necessitariam menos calor. Um secador deve fornecer pelo menos 155 kW para os materiais sendo secados. A escala deve ser de pelo menos 200 kg/hora (equivalente a 2,5 kT/ano (quilotoneladas/ano) ou escala maior). Alternativamente, o processo usaria o processo de peletização seca onde um tambor rotativo densifica o produto. Para alguns usos, negro não peletizado, o chamado negro solto, ou negro peletizado que foi moído de volta para um estado solto, também podem ser aceitáveis.

[0066] O secador pode ser um secador rotativo de queima indireta com gás de purga co-corrente (adição direta de gás ao secador). O propósito é secar o negro úmido sem expô-lo ao conteúdo de oxigênio total do ar quente. Esta exposição pode resultar em um fogo. Assim o gás de purga e o ar quente vão em co-corrente. Isto limita a temperatura máxima do exterior do negro, que pode de outro modo ficar muito quente enquanto o interior está úmido. Uma eficiência possível também existe onde a água de peletização pode ser aquecida de modo que o negro entra no secador em uma temperatura mais alta.

[0067] O negro de fumo é tipicamente seco a cerca de 250°C de modo a garantir que centro esteja seco, mas pode ser seco tão baixo quanto cerca de 150°C até tão alto quanto cerca de 400°C. A atmosfera no secador pode ser controlada como para efetuar a oxidação na superfície do negro de fumo ou para manter a superfície “morta” prístina do negro. Um exemplo de uma atmosfera oxidante é uma em que existe mais do que cerca de 5 % em volume de oxigênio ou mais do que cerca de 10 % em volume de oxigênio. Também, para uma quantidade pequena de oxidação a atmosfera pode ser controlada entre cerca de 1 % a cerca de 10 % de oxigênio em volume. O negro de forno pode ser oxidado ainda nesta etapa, entretanto, o negro de forno não pode ser fabricado para ser mais prístino no secador visto que as temperaturas requeridas para remover o oxigênio nativo da superfície de negro de fumo são maiores do que 700°C. O negro de plasma como fabricado é prístino e contém menos do que 0,2 % em peso de oxigênio na superfície. Portanto, o negro de plasma tem capacidade e adaptabilidade adicionadas quando comparado ao negro de forno.

[0068] A operação em contracorrente seria mais eficiente em energia e capacidade. A adição de ar gasto (como no resfriador) ao barril secador também deve ser limitada de modo a fornecer oxidação limitada em uma atmosfera de substancialmente vapor. Adicionar ar ao barril torna o secador mais termicamente eficiente e também pode resultar em capacidade mais alta. Entretanto, se a velocidade do secador de barril ficar muito alta, o mesmo arrastará os grânulos para fora do secador e assim resultará em reciclagem alta para o filtro de purga, e de volta ao peletizador, reduzirá a eficiência e capacidade. O mesmo também pode adicionar muito oxigênio à superfície do negro. A eficiência em energia é de alguma importância visto que toda a energia gasta é menos energia para aumentar o vapor/energia para usar ou vender. Depois fornecer calor para o secador o ar ainda conterá bastante energia, visto que o mesmo estaria na ordem de cerca de 350°C. Este gás seria direcionado para a caldeira.

[0069] Além do processo melhorado para produzir negro de fumo aqui descrito, partículas de negro de fumo melhoradas também podem ser produzidas. A partícula pode ter uma forma mais elipsoidal, tal que o fator elipsoide fosse maior do que 1,3. O fator elipsoidal é o comprimento da dimensão mais longa da elipse dividido pela largura da elipse como definida por uma linha desenhada em um ângulo de 90 graus em relação ao comprimento. O fator elipsoide para as partículas primárias do negro de forno está tipicamente entre 1,0 e 1,3. A cristalinidade pode variar de 1,0 a 4,0 em termos de La ou Lc. La é o tamanho do domínio cristalino no plano ab do cristal de grafite como medido pela cristalografia de difração de raio x no pó. Lc é a espessura das folhas de grafeno ou o comprimento do eixo c dos domínios de grafite dentro da partícula primária do negro de fumo. O conteúdo hidrofílico da superfície do negro de fumo melhorado, por exemplo como descrito pela afinidade para adsorver água de uma atmosfera de umidade relativa de 80 % será menor do que 0,05 a 0,5 ml (mililitro) de água para cada m2 (metro quadrado) de área superficial de negro de fumo. Adicionalmente, o conteúdo de hidrogênio é menor do que cerca de 0,4 %. A área superficial, excluindo os poros que são internos em relação às partículas primárias, pode ser de cerca de 10 m2/g (grama) até cerca de 300 m2/g e o DBP pode ser de cerca de 32 ml/100 g a cerca de 300 ml/100 g. Estas combinações de propriedades produzem um material único que é diferente do negro de fumo de forno incumbente onde grupos ácidos superficiais dominam, resultando em afinidade pela água mais alta. A natureza do ambiente de hidrogênio do processo de plasma também significa que haveria mais conteúdo de hidrogênio na superfície. O conteúdo de hidrogênio mais alto foi indicado, por exemplo, ser um benefício na resistência à abrasão da banda de rodagem de pneu. Também, a falta de grupos de oxigênio superficiais indica que um tempo de mistura mais rápido e tempo de cura mais rápido em compósitos elastoméricos devem ser obteníveis. Portanto, em um nível de oxigênio mais baixo na superfície do negro de fumo, a mesma quantidade de hidrogênio indicaria maior atividade superficial para desempenho na banda de rodagem de pneu e outras aplicações como enchedor de elastômero.

[0070] A pressão de expansão em água (WSP) aludida abaixo é também descrita, por exemplo, na patente US No. 8.501.148. Em resumo, o aumento de massa é medido em uma atmosfera controlada onde a umidade relativa (RH) é aumentada lentamente com o tempo. O aumento é de 0 a 80 % de umidade relativa e a WSP (πe) é determinada como a seguinte equação:

onde R é a constante do gás, T é a temperatura, A é a área superficial de N2 (SA) - (ASTM D6556) da amostra e H2O é a quantidade de água adsorvida pela superfície do carbono nas várias RH’s. P é a pressão parcial de água na atmosfera e Po é a pressão de saturação e g é grama. A adsorção no equilíbrio é medida em várias RH’s distintas e depois a área sob a curva é medida para produzir o valor WSP. As amostras são medidas a 25°C usando um sistema 3Flex da Micromeritics. A região que é integrada é de 0 até a pressão de saturação. O d tem a sua indicação normal de integração em qualquer unidade incremental que esteja depois do d, isto é, integrando no log natural da mudança de pressão.

[0071] Um outro método para se obter informação como para a funcionalidade na superfície é realizar titulações como documentadas por Boehm (Boehm, HP “Some Aspects of Surface Chemistry of Carbon Blacks and Others Carbons.” Carbon 1994, página 759). WSP é um bom parâmetro para medir a hidrofilicidade geral do negro de fumo, entretanto WSP não fornece a razão de grupos funcionais na superfície como pode ser medido através da Dessorção de Fase Térmica (TPD) típica, Espectroscopia de Fotoelétron de Raio X (XPS), ou via métodos de titulação (titulação de Boehm). A WSP do negro de fumo melhorado fabricado no processo de plasma tipicamente estará entre cerca de 0 e cerca de 8 mJ/m2. Isto é mais baixo do que a faixa típica de negro de fumo fabricado em forno de cerca de 5 a cerca de 20 mJ/m2.

[0072] Assim, o escopo da invenção deve incluir todas as modificações e variações que possam cair dentro do escopo das reivindicações anexas. Outras formas de realização da invenção estarão evidentes para aqueles habilitados na técnica a partir da consideração do relatório descritivo e prática da invenção aqui divulgada. É intencionado que o relatório descritivo e exemplos sejam considerados apenas como exemplares, com um escopo e espírito verdadeiros da invenção sendo indicados pelas seguintes reivindicações.

Claims

1. Reator gerador de partícula fechado, caracterizado pelo fato de que compreende uma seção geradora de plasma contendo um ou mais conjuntos de eletrodos geradores de plasma, conectados a uma seção de reator contendo injetores de hidrocarboneto, a dimensão interna da seção de reator sendo reduzida em pelo menos 10% a jusante dos eletrodos geradores de plasma, e os injetores de hidrocarboneto estando no ponto de redução máxima do tamanho de reator ou ainda a jusante dos eletrodos geradores de plasma, onde (i) os eletrodos geradores de plasma são configurados para serem consumidos a uma taxa de produção de mais de 70 toneladas de negro de fumo por metro cúbico de eletrodo ou (ii) a capacidade do reator é maior que 3 quilotons/ano.

2. Reator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os eletrodos geradores de plasma são configurados para serem consumidos a uma taxa de produção de mais de 70 toneladas de negro de fumo por metro cúbico de eletrodo.

3. Reator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a capacidade do reator é maior que 3 quilotons/ano.

4. Reator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dimensão interna da seção de reator é reduzida em pelo menos 20% a jusante dos eletrodos geradores de plasma.

5. Reator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dimensão interna da seção de reator é reduzida em pelo menos 30% a jusante dos eletrodos geradores de plasma.

6. Reator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dimensão interna da seção de reator é reduzida em pelo menos 40% a jusante dos eletrodos geradores de plasma.

7. Reator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que adicionalmente contém um ou mais de um trocador de calor conectado ao reator, um filtro conectado ao trocador de calor, um aparelho degaseificador conectado ao filtro, um peletizador conectado ao aparelho degaseificador, um tanque de mistura de aglutinante conectado ao peletizador, e um secador conectado ao peletizador.

8. Método para produzir partículas de negro de fumo em um reator gerador de partícula fechado caracterizado por gerar um plasma compreendendo pelo menos 60% em volume de hidrogênio com eletrodos geradores de plasma em um reator, reduzir a dimensão interna do reator em pelo menos 10% a jusante dos eletrodos geradores de plasma, e injetar hidrocarboneto no ponto de redução máxima do tamanho de reator ou ainda a jusante dos eletrodos geradores de plasma para formar partículas de negro de fumo, onde (i) pelo menos 50% do calor gerado pelo plasma conforme medido em Joules é transferido para o hidrocarboneto em 500 milissegundos ou menos ou (ii) uma taxa de fluxo do hidrogênio é de pelo menos 500 metros cúbicos normais por hora (Nm3/h) e uma taxa de fluxo do hidrocarboneto é de pelo menos 675 Nm3/h.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que uma taxa de fluxo do hidrogênio é de pelo menos 500 metros cúbicos normais por hora (Nm3/h) e uma taxa de fluxo do hidrocarboneto é de pelo menos 675 Nm3/h.

10. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dimensão interna da seção de reator é reduzida em pelo menos 20% a jusante dos eletrodos geradores de plasma.

11. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dimensão interna da seção de reator é reduzida em pelo menos 30% a jusante dos eletrodos geradores de plasma.

12. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dimensão interna da seção de reator é reduzida em pelo menos 40% a jusante dos eletrodos geradores de plasma.

13. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos 50% do calor gerado pelo plasma como medido em Joules é transferido para o hidrocarboneto em 500 milissegundos ou menos.

14. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o hidrocarboneto é alimentado a uma taxa de mais do que 200 kg/h com base na massa de produto de partícula de carbono.

15. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o rendimento de negro de fumo com base no hidrocarboneto total injetado no reator é maior do que 80% como medido em moles de carbono do produto vs. moles de carbono reagente.

16. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o hidrocarboneto injetado é craqueado tal que pelo menos 80% em moles do hidrogênio originalmente quimicamente ligado através de ligações covalentes ao hidrocarboneto é agora homoatomicamente ligado como hidrogênio diatômico.

17. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o hidrocarboneto é submetido a pelo menos 1000°C mas não mais do que 3500°C no reator pelo calor gerado do plasma.

18. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os eletrodos são consumidos a uma taxa de produção de mais do que 70 toneladas de negro de fumo por metro cúbico de eletrodo.

19. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que adicionalmente inclui o uso de uma descarga de arco rotativo criada através da aplicação de um campo magnético aos eletrodos de 20 militesla a 100 militesla.

20. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a capacidade do reator é maior do que 3 quilotoneladas/ano, a taxa de fluxo do hidrogênio é de pelo menos 500 Nm3/h (metro cúbico normal/hora) e a taxa de fluxo de hidrocarboneto é de pelo menos 675 Nm3/h.

21. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o hidrocarboneto é metano, etano, ou propano ou misturas destes.

22. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o negro de fumo produzido contém uma alta concentração de gases combustíveis nos seus poros, que são subsequentemente removidos pela substituição com gás inerte, tornando deste modo o negro de fumo seguro para processar no equipamento a jusante.

23. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que a concentração de gases combustíveis é maior do que 30% em volume em uma base seca.

24. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o negro de fumo produzido é descarregado em uma corrente que flui para cima de gás inerte fazendo com que os gases combustíveis contidos nos poros se difundam no gás inerte.

25. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que mudanças na pressão absoluta são usadas para substituir os gases combustíveis com gás inerte.

26. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que os gases combustíveis são removidos pelas mudanças na temperatura.

27. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o gás inerte é nitrogênio.

28. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o gás inerte é um gás nobre.

29. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o gás inerte é vapor.

30. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o gás inerte é dióxido de carbono.

31. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o gás inerte é uma mistura de dois ou mais dentre gases nobres, nitrogênio, vapor, e/ou dióxido de carbono.

32. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o plasma compreende mais do que 70% em volume de H2 e inclui pelo menos um ou mais dos gases HCN, CH4, C2H4, C2H2, CO, benzeno, ou hidrocarboneto poliaromático, a um nível de pelo menos 1 ppm.

33. Método de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo fato de que o hidrocarboneto poliaromático é naftaleno e/ou antraceno.

34. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as partículas de negro de fumo produzidas são produzidas em mistura com uma corrente de efluente de gás quente que sai do reator em contato com um trocador de calor que reduz a energia térmica da corrente de efluente de gases e negro de fumo em mais do que 5000 kJ/kg de negro de fumo.

35. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as partículas de negro de fumo produzidas são produzidas em uma mistura de uma corrente de efluente de gás quente que sai do reator em contato com um trocador de calor, e é subsequentemente passada através de um filtro que permite que mais do que 50% do gás passe através, capturando todas das partículas de negro de fumo no filtro.

36. Método de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo fato de que pelo menos 98% em peso das partículas de negro de fumo são capturadas no filtro.

37. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as partículas de negro de fumo produzidas são produzidas em uma mistura de uma corrente de efluente de gás quente contendo gás combustível que sai do reator em contato com um trocador de calor, e é subsequentemente passada através de um filtro, capturando todas das partículas de negro de fumo no filtro, e o gás subsequentemente passa através de um aparelho degaseificador onde a quantidade de gás combustível é reduzida para menos do que 10% em volume.

38. Método de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo fato de que o gás combustível é hidrogênio.

39. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as partículas de negro de fumo produzidas são produzidas em uma mistura de uma corrente de efluente de gás quente contendo gás combustível, que sai do reator em contato com um trocador de calor, e a mistura subsequentemente passa através de um filtro, capturando todas das partículas de negro de fumo no filtro, e o negro de fumo com gás residual subsequentemente passa através de um aparelho degaseificador onde a quantidade de gás combustível é reduzida para menos do que 10% em volume, e as partículas de carbono são subsequentemente misturadas com água com um aglutinante e depois formadas em grânulos, seguido pela remoção da maioria da água em um secador.

40. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o plasma é gerado usando eletrodos de AC.

41. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o plasma é gerado usando aquecimento indutivo.

42. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os eletrodos são concentricamente dispostos e a razão da degradação das áreas superficiais de eletrodos interno e externo permanece constante durante a geração de plasma.

43. Partícula de negro de fumo caracterizada por ser produzida de acordo com o método conforme como definido na reivindicação 8, tendo um WSP entre 0 e 5 mJ/m2, e contendo menos do que 0,4% em peso de hidrogênio, e menos do que 0,5% em peso de oxigênio.