CN102869730B - 使用预热原料的炭黑生产方法以及用于该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了使用处于超过约300℃的温度的高温原料并控制结垢的炭黑生产方法。此外，提供了根据这些方法来生产炭黑的装置。

Description

使用预热原料的炭黑生产方法以及用于该方法的装置
背景技术
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2010年2月19日提交的在先美国临时专利申请No.61/306,092的优先权，该美国临时专利申请的全部内容在此引入作为参考。
本发明涉及使用经预热的原料并控制结垢的炭黑生产方法。本发明还涉及使用经预热的原料并控制结垢的炭黑生产装置。本发明还涉及由本发明方法得到的炭黑。
炭黑被广泛应用，例如，作为在油墨组合物、油漆等中的颜料，作为在橡胶组合物和塑料组合物的配混和制备中的填料和增强颜料，以及用于各种其它应用。炭黑一般在炉式反应器中通过将烃原料与热燃烧气体进行反应以生产含有颗粒状炭黑的燃烧产物来进行生产。在炭黑文献中，在燃烧气体和烃原料之间的这一反应通常被称为热解。
生产炭黑的许多方法是公知的。在一种类型的炭黑炉法反应器(例如示于授予Kester等人的美国专利No.3,401,020或授予Pollock的美国专利No.2,785,964中的炭黑炉法反应器)中，将燃料(如含烃燃料)和氧化剂(如空气)注入到第一区中并进行反应来形成热燃烧气体。呈气体、蒸气或液态形式的含烃原料也被注入到该第一区中，随后该含烃原料的反应开始。然后将所得的燃烧气体混合物(其中反应正在进行)通入反应区，在反应区中进行炭黑形成反应的完成。在另一种类型的炭黑炉法反应器中，液体或气体燃料与氧化剂如空气在第一区中起反应来形成热燃烧气体。这些热燃烧气体从第一区向下流过该反应器进入到反应区和更远处。为了生产炭黑，将含烃原料在一个或多个点上注入到热燃烧气流的路径中。通常，含烃原料是烃油或天然气。第一区(或燃烧区)和反应区可以通过节流阀或直径收敛区(其直径在横截面上小于燃烧区或反应区)来分开。原料可以被注入到热燃烧气体的路径的上游、下游和/或该直径收敛区中。烃原料可以从燃烧气流之内和/或从燃烧气流之外、以雾化和/或非雾化的形式来引入。这种类型的炭黑炉法反应器例如示于授予Morgan等人的美国再颁专利No.28,974和授予Jordan等人的美国专利No.3,922,335中。
在公知的反应器和方法中，热燃烧气体所处的温度要足以导致注入到燃烧气流中的含烃原料的反应。在一种类型的反应器中，例如上面指出的授予Kester等人的美国专利No.3,401,020，原料在一个或多个点上被注入到与形成燃烧气体的区相同的区中。在其它类型的反应器或方法中，原料在一个或多个点上的注入在燃烧气流已经形成之后进行。在整个申请中，原料和燃烧气体的混合物(其中反应正进行)有时在下文中被称为“反应物流”。该反应物流在反应器的反应区中的停留时间要足以允许形成所要求的炭黑。在两种类型反应器的任一种中，因为热燃烧气流向下流经反应器，所以当原料和燃烧气体的混合物流过反应区时发生反应。在具有所需的性能的炭黑形成之后，反应物流的温度降到让反应停止的温度，并且能够收取炭黑产物。
其它专利(例如授予Jordan等人的美国专利No.3,922,335、授予Casperson的4,826,669、授予Morgan的6,348,181和授予Green的6,926,877)也示出了炭黑生产方法，其包括原料温度。如在美国专利No.4,826,669中所示的，在进入到反应器的位置处的典型的原料温度能够是例如从250°F到500°F(121°C到260°C)。
本研究者已经认识到，在炭黑生产中，在进入反应器的位置处或在进入反应器的位置之前的接近或超过约300°C的含烃原料温度将会产生由热引起的原料供给管线和设备结垢的高风险的破坏性的水平。此外，本研究者相信，能够容忍如此热的原料的炭黑生产方法和系统之前未被开发出，而且，在开发出本发明的用于炭黑生产的方法和结构之前，使用热原料操作的可能的益处以前未被充分认识或实现。
发明内容
因此，本发明的特征是在炭黑生产中提供提高的原料预热温度并控制在该提高的原料温度下由热引起的原料管线的结垢。
本发明的另外的特征和优点将在以下说明书中部分阐明，且部分地将由本说明书显见，或者可以通过本发明的实践而获得教导。通过在本说明书和所附权利要求书中特别指出的要素以及组合，本发明的目的和其它优点将得以认识和实现。
为了实现这些以及其它优点，且根据本发明的目的，如在本文中具体示例且宽泛描述的，本发明部分地涉及炭黑生产方法，其包括将炭黑产生原料预热到大于约300°C的温度来提供在该温度范围内的预热的炭黑产生原料。该原料能够加热到至少450℃的温度，或者从约360°C到约850°C，或者超过300℃的其它温度。该预热的炭黑产生原料可以在至少一个原料供给管线中被供给到通向反应器的至少一个原料引入点。将该预热的炭黑产生原料通过通向反应器的至少一个引入点引入，从而，与用于形成反应物流的加热的气流进行组合，其中，在所述反应器中形成炭黑。在反应物流中的炭黑可以被淬火(quenched)以收取。本发明的方法包括在提高的原料温度下降低由热引起的原料供给管线的结垢风险的一个或多个方法。这些方法能够在一个或多个原料供给管线的内壁上最小化污垢的形成(如降低焦炭沉积)、去除污垢表面沉积(如增加焦炭的去除)、或者这两者的组合，从而，当将经预热的原料运输到反应器中时，将原料供给管线维持在可操作的状态下。这些结垢控制方法可以包括以下的一个或多个(或任意组合)：
-将炭黑产生原料以大约至少0.2m/秒的速度(或者例如，大约至少1m/秒或者大约至少1.1m/秒或者大约至少1.6m/秒或者大约至少2m/秒，或者其它大于约0.2m/秒的速度)输送通过将炭黑产生原料进行加热以达到预热的至少一个加热器，
-将炭黑产生原料在进入至少一个将炭黑产生原料进行预先加热的加热器之前加压到大于大约10巴的压力(或者例如，大于约20巴或者大于约30巴或者大于约40巴，或者从约20到约180巴，或者从约30到约180巴或者其它大于约10巴的压力)，
-在引入到反应器之前的炭黑产生原料在至少一个预热用加热器中以及预热的炭黑产生原料在原料供给管线中的总原料停留时间设定为低于约120分钟(或者例如，从约1秒到约120分钟或者约1到约60分钟，或者其它低于约120分钟的停留时间)，
-在以大于约10kW/m2的(内管表面)平均热通量(或者例如，大于约20kW/m2，或者从约20到约200kW/m2，或者其它大于约10kW/m2的平均热通量)操作的至少一个加热器中预热原料，
-将对于烃的热裂化或聚合是非催化性的表面提供在原料供给管线的原料接触内壁上，
-周期性地将至少一种包括用于碳的氧化剂的吹扫气体(如，蒸汽、空气、氧气、CO2)输送通过原料供给管线，
或者它们的任何组合。
本发明所提供的结垢控制能够允许至少一部分的原料预热通过用经由在高的反应温度下的反应器产生的热量加热该原料来完成。根据本发明可行的原料预热条件和设计能够提供优点和好处，例如，提高的能量回收、在原料成本上的节约、在炭黑数量上的增加、降低的二氧化碳排放、在SOx和/或NOx排放上的降低、在高的原料温度条件下的用于工业上有用的持续时间的稳定或连续的炭黑生产，或者它们的任意组合。与常规方法相比，由于这里所提及的这些环境优点中的一个或多个，本发明的方法可以被认为是“更加绿色”的方法。
本发明还涉及用于进行例如如前所述的方法的装置。该装置包括至少一个用于将加热的气流和至少一种高温炭黑产生原料组合以形成反应物流的反应器，其中炭黑在该反应器中形成。还包括的是：至少一个经结垢控制的原料供给管线，其用于将炭黑产生原料供给到通向反应器的至少一个原料引入点来将该原料与加热的气流相组合；和至少一个原料加热器，能够操作以使得在至少一个原料供给管线上所供给的炭黑产生原料预热到大于约300℃的温度。该装置进一步包括：至少一个泵，a)能够操作以使得在将炭黑产生原料预先加热到大于约300°C的温度之前，将该炭黑产生原料加压到大于约10巴的压力；或b)其用于将通过预热炭黑产生原料的至少一个原料加热器的原料速度设定为至少约0.2m/秒；或c)这两者。可以包括用于在反应物流中冷却炭黑的淬火器。能够对反应器进行操作以提供在引入至所述反应器之前的在所述至少一个原料加热器和所述至少一个原料供给管线中的原料停留时间，对于所述预热到大于约300℃的原料，该停留时间低于约120分钟。至少一部分的原料预热能够在装置上例如通过用由反应器所产生或在反应器中所产生的放热热量将该原料进行直接或间接地加热来完成。该装置能够具有，例如，被安排在反应物流中的反应器之内的原料加热器，被安排与反应器的加热壁接触的原料加热器，被安排与反应器尾气接触的原料加热器，被安排在反应器之外以与从位于在反应器之内的热交换器中所接收的加热的流体进行热量交换的原料加热器，或者使用一个或多个原料供给管线将这些结构任意组合。原料加热器可以是一种或多种用尾气(来自同样的和/或不同的炭黑反应器)或任何烃基燃料作为燃料的加热器、和/或可以是电加热器。
为了本文的目的，“供给管线”或“至少一个原料供给管线”可以是任何管道、管子、热交换器管、热交换器通道或者其它适于传输液体或蒸气原料的结构、或者它们的组合，原料通过其在预热的温度下输送到反应器中。“供给管线”可以是任意直径和/或长度。例如，如果将原料在通过热交换器的管道或盘管的过程中预热到300℃的温度然后从热交换器中通过分开的管道供给到反应器中，则该“至少一个供给管线”将包括：在沿热交换器(原料温度在其中已经达到300℃)内部的管道的位置与热交换器管道的出料端之间的热交换器管道部分；以及在热交换器之后的管道(通过其将经预热的原料输送到达反应器)。
“控制”，相对于与原料相关的结焦而言，是指在没有预防步骤的情况下至少降低(或防止或者减慢)所发生的结焦的水平。
应当理解，前面的总体描述和下面的详细描述均仅是示例性和说明性的且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。
结合到本申请中且构成本申请一部分的附图说明了本发明的一些实施方案，而且，所述附图与本说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中所使用的相似的标号代表相似的特征。
附图说明
图1是可以用在本发明方法中以生产炭黑的一种类型的炉法炭黑反应器的一部分的示意图。该炭黑反应器仅仅是可用于本发明的反应器的举例说明。
图2是可以用在本发明方法中以生产炭黑的另一种类型的炉法炭黑反应器的一部分的示意图。该炭黑反应器仅仅是可用于本发明的反应器的举例说明。
图3是可以用在本发明方法中以生产炭黑的又另一种类型的炉法炭黑反应器的一部分的示意图。该炭黑反应器仅仅是可用于本发明的反应器的举例说明。
图4是可以用在本发明方法中以生产炭黑的另外类型的炉法炭黑反应器的一部分的示意图。该炭黑反应器仅仅是可用于本发明的反应器的举例说明。
图5是可以用在本发明方法中以生产炭黑的工艺方案的示意图。该炭黑反应器方案用于实施例中，但是仅仅是可用于本发明的反应器的举例说明。
图6是在实施例中的所述模型中用于原材料节约计算的原料热容量(千焦/kg·℃)相对于原料温度(℃)的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及大于约300℃的提高的原料预热温度在不受原料结垢问题影响的炭黑生产中的用途。本发明能够适用于工业规模的炭黑生产或其它规模的生产。
本发明部分地涉及炭黑生产方法。该方法可包括将经加热的气流引入到炭黑反应器中。该方法进一步包括，将至少一种具有低于所要达到的预热温度的第一温度(例如低于300℃或低于275℃(如从40℃到274℃、从50℃到270℃、从70℃到250℃、从60℃到200℃、从70℃到150℃等))的炭黑产生原料供给到至少一个加热器(如至少两个加热器、至少三个加热器等，其中这些加热器可以彼此相同或不同)。进入该至少一个加热器的原料的温度是低于目标预热温度或温度范围。作为选择，原料在被预热之前可以按照最少约0.2m/秒(如，至少约0.4m/秒，至少约0.6m/秒，至少约0.8m/秒，至少约1m/秒，至少约1.1m/秒，至少约1.6m/秒，例如从0.2m/秒到4m/秒，从1.1到3m/秒等)的第一速度来输送。能够使用其它速度，条件是选择其它加工条件来控制在加热器和通向反应器的供给管线中的结垢和/或结焦。
该方法包括，将在至少一个加热器中的至少一种炭黑生产原料预热到大于约300℃(如，至少350℃、至少360℃、至少400℃、至少450℃，至少500℃、例如从300℃到850℃、或者从360℃到800℃、从400℃到750℃、从450℃到700℃等)的第二温度来提供预热的炭黑生产原料，其中(a)所述至少一种炭黑产生原料在该至少一个加热器中具有至少0.2m/秒的速度，其中基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和基于在该至少一个加热器中所存在的原料管线的最小横截面积计算速度。因为在这样的升高的温度下测量原料的速度会是非常困难的，所以对于本发明的目的，本文中所述速度基于这些具体的测量条件。无论在实际的加热器中存在最小的直径还是最小的横截面积，为了本发明的目的，该最小横截面积被用于确定本文中所述的速度。许多加热器在整个加热器中具有同一直径，但在加热器中存在若干直径或横截面积的情况下，该条件被提供。速度基于最小横截面积。通过原料加热器的实际速度一般会更快于在60℃、1大气压下测得的速度。
在该方法中，炭黑生产原料在加热器中能够具有低于约120分钟的第一原料停留时间(如，低于100分钟，低于80分钟，低于60分钟，低于40分钟，低于30分钟，低于20分钟，低于10分钟，例如从1秒到119分钟，从5秒到115分钟，从10秒到110分钟，从30秒到100分钟，从1分钟到60分钟，从5分钟到30分钟等)。例如，参见附图，第一原料停留时间例如是，原料在图1中的加热器19或图2中的加热器22之内所花费的时间。
该方法能够包括，将该预热的炭黑生产原料供给至通向炭黑反应器的至少一个原料引入点(即，一个或两个或至少三个或四个原料引入点)，其中，该预热的炭黑生产原料具有低于约120分钟的第二原料停留时间(如，低于100分钟，低于80分钟，低于60分钟，低于40分钟，低于30分钟，低于20分钟，低于10分钟，例如从1秒到119分钟，从5秒到115分钟，从10秒到110分钟，从30秒到100分钟，从1分钟到60分钟，从5分钟到30分钟等)，该第二原料停留时间的测量是从离开该至少一个加热器直到刚好到达该炭黑反应器的引入点之前。第一原料停留时间和第二原料停留时间相组合优选是120分钟或更低(如，低于100分钟，低于80分钟，低于60分钟，低于40分钟，低于30分钟，低于20分钟，低于10分钟，例如从1秒到119分钟，从5秒到115分钟，从10秒到110分钟，从30秒到100分钟，从1分钟到60分钟，从5分钟到30分钟等)。例如，参见附图，第二原料停留时间例如应该是，原料离开图1中的加热器19或图2中的加热器22直到反应器的引入点的时间，如在图1和图2中的引入点16所示的。第一原料停留时间和第二原料停留时间的组合是总原料停留时间。
该方法可以包括，通过通向炭黑反应器的至少一个引入点来将预热的炭黑产生原料与经加热的气流进行组合来形成反应物流，其中炭黑形成在炭黑反应器中。
该方法可以包括对反应物流中的炭黑进行淬火。在本发明方法中可以使用在炭黑制造中常见的其它后淬火步骤。
作为选择，如果通向加热器的原料管线的横截面与通过该加热器的供给管线的横截面大约是相同的话，则相比于在进入该至少一个加热器处的第一速度，炭黑产生原料在至少一个加热器中所能够具有的速度是大致相同的或者更大的(例如更大至少1%，更大至少2%，更大至少3%，更大至少5%，更大至少7%，更大至少10%，更大至少100%，更大至少200%，例如更大1%到200%、或更大20%到100%等)。
本发明方法可以包括将一种或多种炭黑产生原料进行加压。该方法可以包括，在一种或多种炭黑产生原料内进行加压或通过使用压力以使得炭黑产生原料的预热能够避免在至少一个加热器中或在供给到炭黑反应器中之前形成蒸气膜。本发明的方法可以包括，将一种或多种炭黑产生原料在进入该预热炭黑产生原料的至少一个加热器之前加压到例如具有大于约10巴的压力。该压力可以是至少15巴、至少20巴、至少30巴、至少40巴、例如从10巴到180巴或更多，从15巴到150巴，从20巴到125巴，从25巴到100巴。
在本发明中，炭黑生产方法可以包括，将经加热的气流引入到炭黑反应器中。该方法进一步包括，将具有低于目标预热温度的第一温度(例如低于300℃或低于275℃(如从40℃到274℃、从50℃到270℃、从70℃到250℃、从60℃到200℃、从70℃到150℃等))的炭黑产生原料以大于10巴的第一压力供给到至少一个加热器中。该压力可以是至少15巴、至少20巴、至少30巴、至少40巴、例如从10巴到180巴或更多，从15巴到150巴，从20巴到125巴，从25巴到100巴。
该方法可以包括，将至少一种炭黑产生原料在至少一个加热器(例如至少两个加热器、至少三个加热器等，其中这些加热器可以彼此相同或不同)中预热到大于约300℃(例如至少350℃，至少360℃，至少400℃，至少450℃，至少500℃，例如从300℃到850℃，或从360℃到800℃，从400℃到750℃，从450℃到700℃等)的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中，(a)炭黑产生原料在至少一个加热器中所具有的第二压力，相比于该第一压力，是大致相同的或更低的(例如更低至少1%，更低至少2%，更低至少3%，更低至少5%，更低至少7%，更低至少10%，更低至少15%，更低至少20%，例如更低1%到75%、或更低3%到20%等)，和(b)炭黑生产原料在加热器中具有低于约120分钟的第一原料停留时间(如，低于100分钟，低于80分钟，低于60分钟，低于40分钟，低于30分钟，低于20分钟，低于10分钟，例如从1秒到119分钟，从5秒到115分钟，从10秒到110分钟，从30秒到100分钟，从1分钟到60分钟，从5分钟到30分钟等)。
该方法能够包括，将该预热的炭黑生产原料供给至通向炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中，该预热的炭黑生产原料具有低于约120分钟的第二原料停留时间(如，低于100分钟，低于80分钟，低于60分钟，低于40分钟，低于30分钟，低于20分钟，低于10分钟，例如从1秒到119分钟，从5秒到115分钟，从10秒到110分钟，从30秒到100分钟，从1分钟到60分钟，从5分钟到30分钟等)，该第二原料停留时间是从离开该至少一个加热器直到该炭黑反应器的引入点，和其中第一原料停留时间和第二原料停留时间总计为120分钟或更低(如，低于100分钟，低于80分钟，低于60分钟，低于40分钟，低于30分钟，低于20分钟，低于10分钟，例如从1秒到119分钟，从5秒到115分钟，从10秒到110分钟，从30秒到100分钟，从1分钟到60分钟，从5分钟到30分钟等)。
该方法可以包括，通过炭黑反应器的至少一个引入点来将预热的炭黑产生原料与经加热的气流进行组合来形成反应物流，其中炭黑形成在炭黑反应器中。该方法可以包括对反应物流中的炭黑进行淬火。
本发明可以涉及炭黑生产方法，其包括将经加热的气流引入到炭黑反应器中。该方法进一步包括，将至少一种具有低于目标预热原料温度的第一温度(例如低于300℃或低于275℃(如从40℃到274℃、从50℃到270℃、从70℃到250℃、从60℃到200℃、从70℃到150℃等))的炭黑产生原料以大于10巴的第一压力供给到至少一个加热器(如至少两个加热器、至少三个加热器等，其中这些加热器可以彼此相同或不同)。作为选择，进入加热器的速度可以是至少约0.2m/秒(如，至少约0.4m/秒，至少约0.6m/秒，至少约0.8m/秒，至少约1m/秒，至少约1.1m/秒，至少约1.6m/秒，例如从0.2m/秒到2m/秒，从0.4到1.8m/秒等)的第一速度。
该方法包括，将在至少一个加热器中的炭黑生产原料预热到大于约300℃(如，至少350℃、至少360℃、至少400℃、至少450℃，至少500℃、例如从300℃到850℃、或者从360℃到800℃、从400℃到750℃、从450℃到700℃等)的第二温度来提供预热的炭黑生产原料，其中(a)该炭黑产生原料在至少一个加热器中具有至少0.2m/秒的速度，其中基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和在该至少一个加热器中所存在的原料管线的最小横截面积计算速度，和(b)其中至少一种炭黑产生原料在至少一个加热器中所具有的第二压力，相比于该第一压力，是大致相同的或更低的(例如更低至少1%，更低至少2%，更低至少3%，更低至少5%，更低至少7%，更低至少10%，更低至少15%，更低至少20%，例如更低1%到25%、或更低3%到20%等)，其中，该压力能够基于这样的假设计算——原料在第一压力和第二压力期间均在相同的横截面积中进行传输(尽管在实际操作中，该横截面积可以是相同或不同的)。该测定方式可以用于恰当地比较压力，尽管不是必须的。
该方法可以包括，将预热的炭黑产生原料供给至通向炭黑反应器的至少一个原料引入点，和至少将通过通向炭黑反应器的至少一个引入点的经预热的炭黑产生原料与经加热的气流进行组合来形成反应物流，其中炭黑形成在炭黑反应器中。该方法可以包括对反应物流中的炭黑进行淬火。
在本发明中，对于任何方法，所述目标预热温度优选是原料在引入到炭黑反应器之前的平均温度。所述原料的预热温度可以是原料在引入到炭黑反应器之前的最大温度或者原料在引入到炭黑反应器之前的最小温度。
在本发明中，对于任何方法，所述目标压力优选是原料的平均压力。所述原料的压力可以是原料的最大压力或原料的最小压力。
在本发明中，对于任何方法，所述目标速度优选是原料的平均速度。所述原料速度可以是原料的最大速度或原料的最小速度。
在本发明中，对于任何方法，炭黑产生原料可以是或者包括澄清油(decant oil)、煤焦油产物、乙烯裂化器残留物、含沥青质的油或任何比重为从约0.9到约1.5或更高(如从0.9到1.3、或从1到1.2等)的液态烃、或它们的任意组合。炭黑产生原料可具有的初沸点为从约160℃到约600℃，如从160℃到约500℃、或200℃到约450℃、或215℃到约400℃等。
预热能够以任何数量的方式进行而且不意味着对用于实现该预热的方式设有限制。预热可以进行在至少一个(例如，一个、两个、三个、或更多个)加热器中。用于该至少一个加热器的热源可以是任何来源，例如来自一个或多个炭黑反应器，电加热，等离子加热，来自尾气的加热，来自尾气燃烧的加热，燃料，和/或来自其它工业方法的加热，和/或其它形式的加热，和/或它们的任意组合。可以进行预热，其中该至少一个加热器部分或完全地将原料加热到用于引入到反应器中的目标预热温度。一个加热器能够实现部分或完全的预热，或者两个或两个以上的加热器能够按顺序或其它排列来使用以便实现该预热(全部或部分)。如果部分预热由至少一个加热器实现，则剩余的预热由额外的或第二热源或另外的加热器来完成以便最终得到目标预热温度。
例如，至少一种炭黑生产原料的预热可以包括在至少一个具有热交换器的加热器中将该炭黑产生原料进行加热或可以由其来完成。热交换器可以在大于约10kW/m2(例如大于约10kW/m2或大于约20kW/m2或大于约30kW/m2或大于约40kW/m2，例如从约10kW/m2到约150kW/m2等)的平均热通量下操作。
作为选择，至少一部分的预热(或完整的预热)在至少一个加热器中进行，所述加热器所具有的热量至少部分地(或完全地)由通过接收预热的原料的炭黑反应器或其它炭黑反应器或这两者所产生的热量来提供。该至少一个加热器可以与接收预热的原料的炭黑反应器或不同的炭黑反应器或这两者的至少一部分进行热交换。例如，至少一个加热器可以接触在炭黑反应器中的反应物流，例如，在淬火器的下游，其中，该至少一个加热器可具有的热交换器所具有的壁通过反应物流对其第一面(例如外壁)进行加热和在其相对面(例如内壁)上接触炭黑产生原料。作为选择，该至少一个加热器可以包括在炭黑反应器中与反应物流进行热交换的热交换器，其中将流经热交换器的能流动的热载体进行加热，并且该热载体流过该至少一个置于反应器的外部的加热器并能够操作以使得热量从热载体转移到炭黑产生原料中。该至少一个加热器至少部分(或全部)地可以是源自来自炭黑反应器或不同的炭黑反应器或这两者的炭黑尾气的热量(例如来自尾气的热量或由尾气燃烧所产生的热量)，以便加热炭黑产生原料。预热可以部分或完全地通过使用一个或多个等离子加热器或其它加热器或热源来实现。
引入到反应器中的经加热的气流可以包括在等离子加热器内对能等离子加热的气流进行等离子加热以提供所述经加热的气流的至少一部分。
能够使用炭黑等离子反应器来接收预热的炭黑产生原料。通过使用该预热的原料并任选地使用预热的载气(例如N2，任选具有O2以控制反应活性)，在反应器中的加热方法可以是非燃烧类型的而且可以将反应物的间接预热和等离子加热进行组合运用以达到所需的工艺温度以形成炭黑。该载气能够通过使用常规空气加热器技术和/或在本文中所述加热器装置之一来进行预热以便将原料预热。类似的装置能够作为选择地用于载气。与单独进行等离子加热相比，该方法减少了电消耗，而且能够减少原材料成本、降低CO2排放、和/或水消耗。
在本发明中，非催化性表面能够被用在至少一个加热器的炭黑产生原料接触壁和/或至少一个将预热的炭黑产生原料供给到至少一个炭黑反应器中的原料供给管线的内壁的一些或全部上。该表面对于烃的裂化(例如热裂化)或聚合而言会是非催化性的。
在本发明中，供给可以包括或者是将预热的炭黑产生原料通过至少一个原料供给管线供给，该原料供给到炭黑反应器中，和该方法另外可以任选地包括将可以是用于碳的氧化剂的吹扫气体周期性地通过至少一个炭黑产生原料的供给管线供给。离开预热原料的至少一个加热器的原料供给管线可具有的横截面积(例如直径)相同于或不同于将原料供给入该至少一个加热器的供给管线的横截面积(例如能够具有较小的或较大的横截面积)。
在本发明中，供给可以包括将预热的炭黑产生原料通过至少一个原料供给管线供给，该原料供给到炭黑反应器中，并且该方法可以包括将预热的炭黑产生原料注入到炭黑反应器中并进行炭黑产生原料的至少部分(或全部)的闪蒸(例如原料蒸发，例如，由压力下降来实现)。
利用本发明，通过使用在本文中所述一种或多种清洁或预防结垢的步骤，能够将在炭黑反应器中的预热的炭黑产生原料和经加热的气流进行组合，以便在反应器中能够连续地形成炭黑至少约12小时(例如至少24小时，至少48小时，至少72小时，至少一个星期、两个星期、一个月或更长)。
本研究者已经认识到，在炭黑生产中，加热至超过约300℃的温度的含烃原料是处于原料供给管线和/或预热该原料的加热器的有机结垢(例如结焦和/或聚合)的巨大风险下。原料供给管线可以是在它们的内表面上易受有机结垢的钢管或其它金属结构。结垢，如果任其发展，可导致在原料供给管线中的显著降低的流动能力，和最后堵塞管子和/或反应器注入器。
在本发明的开发中，结垢已经被确定为在炭黑生产中使用高温原料的主要技术障碍。在不希望受到任何特定理论的限制的情况下，在高的原料温度下的炭黑原料中的有机结垢可能的原因是归因于至少两种结垢机理：膜态沸腾和沥青质引起的结焦。在膜态沸腾结垢中，据认为，原料蒸发并形成蒸气膜，该蒸气膜能够阻止热传递(即临界热通量)，其中蒸气膜过热并在气相热解反应中引起结焦的形成。沥青质通常是在原油中出现的成分，并且其还以不同的浓度来至少部分地夹带到各种炭黑原料中，其在高温(例如>300℃)下使用，将会造成结垢风险。在沥青质引起的结焦中，据认为，在原料中的沥青质可能经过液相热解，其中沥青质当暴露于热裂化温度中时变得热不稳定、直到自由基形式，而且结合以形成高分子量且不溶的结焦。例如，高原料温度可能会导致在原料中的长链分子断裂形成高度反应活性的化合物，其将聚合并结垢。任其发展，更高的原料温度会倾向于在原料中引起沥青质的聚集和沉淀出来到原料加热器和供给管线的表面上。其它有机结垢机理可能被高温原料操作所促进，例如，取决于原料供给管线材料，可由铁或镍催化的烃热裂化反应所引起的催化结焦。原料中的共轭烯烃的聚合(例如，由在内管表面上的金属如铁、镍等所促进)也被认为是结焦的潜在原因，这取决于原料的化学性质。例如以上所述的不溶的结焦或其它有机结垢，如果它们被容许发生在炭黑生产方案中，则将会使原料沉积出来到原料供给管线和反应器注入器的内壁上而且累积至堵塞管线，从而打乱了炭黑生产的维护和/或维修。本发明将抗结垢方法与高温原料操作进行组合，以降低这样的热引发的原料管线结垢的风险，否则其将会妨碍炭黑的稳定持续生产。
如由本发明所决定的，当在原料的预热期间相比于在加热器入口处的压力在离开加热器的压力上有快速的压力降的时候，出现结焦的信号。通常，当将在加热器入口处的压力与离开该加热器的原料的压力相比时，由于原料在管线中的摩擦，因此，存在正常的压力降。然而，如在本发明的开发中所观测到的，失控的压力降是结焦高度可能出现或将出现的信号。更详细地，一旦稳定状态操作已经进行并且原料以所需的速率/参数流经加热器，则离开加热器的原料的一致或相当一致的压力被建立，而且，如上所述，该压力典型地低于加热器入口压力，这归因于与原料的摩擦力。然而，当蒸气膜出现和/或结焦开始出现时，快速或失控的压力降出现在用于将原料离开加热器出口的加热器出口压力上。一旦进行稳定状态操作，2%或更多的在压力降上的变化可以是蒸气形成的标志而且这将会导致结焦。2%或更多，3%或更多，5%或更多，7%或更多，10%或更多，15%或更多，20%或更多，例如2%到20%或更多的失控压力降标志着蒸气的形成而且这将会很有可能导致结焦。作为一个更加具体的实例，可以有用于将原料送入加热器的加热器入口压力X，而且，一旦已经达到了稳定状态操作，则加热器的出口压力(即离开加热器的原料的压力)能够具有从X到(0.8)X的压力，而且，在非结焦操作过程中，该压力将会在稳定状态操作期间被基本上维持在这一较低的压力下。当然，如果炭黑制造工艺的参数被修改的话，则该压力可以由于在参数上的变化而导致再次改变。然而，在实施例中，已经达到了稳定状态操作，因此离开加热器的压力将会被基本上以小的波动(+/-0%到1.9%)来维持。在稳定状态操作过程中，如果离开加热器的原料的压力(或者在进入炭黑反应器之前的压力)的下降超过2%(例如以上所述的下降百分比)，这将会是失控的压力降，其意味着蒸气形成在原料管线中而且结焦将极有可能发生。本发明的方法为炭黑生产提供了避免形成蒸气膜(例如避免形成阻塞传递的蒸气膜)和/或失控的压力降的方法，而且，避免蒸气膜的形成的明确说明是避免了如本文所示的失控的压力降。作为进一步实例，在稳定状态操作过程中的失控的压力降可以是2%或更多的压力变化，其能够出现的时间范围为15秒到1小时、或30秒到30分钟或者1分钟到10分钟，而且这通过本发明方法避免。
适用于本发明的炭黑制造的结垢控制策略能够在原料供给管线的内壁上降低或防止结焦率或其它结垢沉积率，能够在原料供给管线的内壁上除去沉积的结焦或其它结垢、或以上两者。在运载被加热到大于约300℃的原料的原料供给管线中的结垢率能够通过一个或多个下列方法来降低或防止：使用更高的原料压力，使用更高的原料速度，降低原料加热器的热通量容量，将原料供给管线(包括在原料加热器中的那些)用非催化性材料的表面层进行内衬，降低原料在高温部分的停留时间，或这些方法的任意组合。如所示的，从原料供给管线中去除结焦能够用作在本发明中对结垢进行控制的另一个或附加的方法。结焦沉积物，如果它们出现在供给管线中，则能够例如通过周期性地使用吹扫气体或流体(如用于碳的氧化剂)吹扫原料管线来去除。原料管线可以经历用于结焦去除的剥落清洗或机械清洗。
对于这些所使用的抗结垢方法的任意组合，目的可以是最小化在原料供给管线中所发生的净结垢率(即结焦沉积的比率扣除任何实施的去结焦(结焦去除)的比率)。预热的炭黑生产原料能够被连续地引入到反应器中来在反应器中按照稳定的方式且在没有干扰的情况下(例如在没有结垢堵塞原料供给管线的情况下)形成炭黑，持续时间例如为至少约12小时、或至少18小时、或者至少约24小时、或者至少约30小时、或更多(例如12个小时到8个月或更多、12个小时到6个月、12个小时到3个月、20个小时到1个月)。在提供的稳定操作模式中且没有原料结垢的情况下，与常规的原料温度(低于300℃)相比，当原料被预热到500℃时，本发明方法的估算的原材料成本节约(例如基于在实施例中所示的模型的估算的原材料成本节约)是超过10%，和当原料被预热到700℃时，本发明方法的估算的原材料成本节约是超过20%。本发明也有两个另外的益处。一个是产率提高机理，其归因于在热解过程中的预成形种子。产率提高的第二机理是由于原料在炭黑反应器中在没有冷却的周围气体的情况下的自闪蒸而导致的。而且，本发明的抗结垢策略并不要求化学添加剂，化学添加剂会是不经济的和/或是与炭黑工艺或产品不相容的。
如所示的，原料能够通过使用本发明的结垢控制方法来加热至大于约300℃的温度、或其它超过500℃的温度。由于本发明的进步，原料温度可以是，例如，至少310℃、至少350℃、至少375℃、至少400℃、至少425℃、至少约450℃、或者至少约500℃、或者至少约550°C、或者至少约600°C、或者至少约650℃、或者至少约700℃、或者至少约750℃、或者至少约800℃、至少850℃、或从约305℃到约850℃、或从约350℃到约850℃、或从约450℃到约750℃、或从约450℃到约700℃、或从约500℃到约750℃、或从约500℃到约700℃。该原料温度是炭黑形成原料刚好在离开至少一个用来预热原料的加热器以后和/或刚好在被引入到炭黑反应器中之前的温度。在这方面的原料温度能够沿原料供给管线在一个或多个位置处进行测量或感测，该原料供给管线是从原料温度已被升高至超过约300℃的值的端点处到供给管线的出料端，在该出料端，原料被引入到反应器中。该原料供给管线包括在原料加热器内的在原料温度已经被升高至超过约300℃的值的位置处及其后以及在输送到另外的从通向反应器的原料加热器延伸的供给管线部分之前的任何长度的管道。作为选择，预热原料的温度在预热原料供给管线中可具有的最小绝对值不小于301℃，和/或作为选择，在预热的原料供给管线中的温度的最大可变性可以是，例如，±20%或±10%或±5%或±2.5%或±1%或±0.5%，考虑到沿着原料供给管线的所有点。这些表明了原料温度能够与在本文中所述的各种结垢控制的工艺变量相组合来使用。
至少部分地，使用所述原料速度的结垢控制可以包括：以此速度向加热器的原料供给和/或通过预热原料的加热器和/或通过通向反应器的原料供给管线。该速度可以是，例如，至少约0.2m/秒，或者至少约0.5m/秒，或至少约1m/秒，或至少约1.6m/秒，或至少约2m/秒，或至少约3m/秒，或从约0.2m/秒到约10m/秒，或从约1m/秒到约7m/秒，或从约1.5m/秒到3m/秒，或从约2m/秒到约6m/秒，或从约3m/秒到约5m/秒。原料速度是相对于管道或其它供给管线结构的纵轴而言的线性速度。原料速度(第一速度)在引入到预热原料的加热器中的位置处来测量。通过至少一个加热器和/或在离开至少一个加热器之后的原料速度可以是与第一速度相同或不同的，并且例如可以是更大的(例如更大至少1%，更大至少2%，更大至少3%，更大至少5%，更大至少7%，更大至少10%，更大至少100%，更大至少200%，例如更大1%到300%、或更大50%到200%等)。速度的测量或计算是基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和基于所测量的在原料管线中所存在的最小横截面积。该原料供给管线可以包括在原料加热器内的在原料温度已经被升高至超过约300℃的值的位置处和/或其后以及在输送到另外的从通向反应器的原料加热器延伸的供给管线部分之前的任何长度的管道。例如，原料速度在原料供给管线中可具有的最小绝对值不小于0.2m/秒，和/或作为选择，在原料供给管线中的原料速度的最大可变性可以是，例如，±20%或±10%或±5%或±1%或±0.5%，考虑到沿着原料供给管线的所有点。
至少部分地使用原料加压的结垢控制可以包括，例如，将炭黑生产原料加压到大于约10巴、或大于约20巴、或大于约30巴，或大于约40巴、或大于约50巴、或从约10到约180巴、或从约20到约180巴、或从约40到约180巴、或从约50到约180巴或更多的压力。在本文中的原料压力给定为绝对压力。压力(第一压力)是在引入到预热用加热器之前的位置处所测量的压力。通过至少一个预热原料的加热器和/或之后到反应器的至少一个引入点中的压力可以是与第一压力相同或不同的，例如低于第一压力(例如更低至少1%，更低至少2%，更低至少3%，更低至少5%，更低至少7%，更低至少10%，更低至少15%，更低至少20%，例如更低1%到25%、或更低3%到20%等)。表压测量应该以已知的方式来调整至绝对数值以使得其与在本文中所示的范围进行对比。原料压力能够沿原料供给管线在一个或多个位置处来进行测量或感测，该原料供给管线是从原料温度已被升高至超过约300℃的值的端点处到供给管线的出料端，在该出料端，原料被引入到反应器中。该原料供给管线可以包括在原料加热器内的在原料温度已经被升高至超过约300℃的值的位置处及其后以及在输送到另外的从通向反应器的原料加热器延伸的供给管线部分之前的任何长度的管道。对于结垢控制而言，压力能够与原料温度成正相关趋势。例如，10巴的原料压力可以是足以在300℃的原料温度下控制结垢，而如果原料温度被提高到500℃，则超过10巴的提高的压力(例如20巴或更多)对于提供相同水平的结垢控制会是更加有用的，所有其它情况不变。
可以运用使用低的总原料停留时间的结垢控制。总原料停留时间可以是花费在至少一个预热用加热器中的组合的时间，其包括预热的炭黑产生原料在引入到反应器之前所花费的时间。该总停留时间可以是，例如，低于约120分钟，或低于约90分钟，或低于约60分钟，或低于约45分钟，或低于约30分钟，或低于15分钟，或低于10分钟，或低于5分钟，或低于4分钟，或低于3分钟，或低于2分钟，或低于1分钟，或低于30秒，或低于15秒，或从约1/60分钟到约120分钟，或从约0.5分钟到约120分钟，或从约1分钟到约90分钟，或从约2分钟到约60分钟，或从约3分钟到约45分钟，或从约4分钟到约30分钟，或从5到30分钟，或从5到40分钟，或从10到30分钟，或从约5分钟到约15分钟。该停留时间可以是平均值或最大值或最小值。原料停留时间能够从原料温度已经被升高至超过约300℃的值的点到原料被引入到反应器中的点来测定。停留时间能够与原料温度成反相关趋势。例如，最多约120分钟的原料停留时间，可耐受在310℃的原料温度，没有结垢问题，而如果原料温度增加到500℃，则停留时间需要优选降低到低于120分钟以提供相同水平的结垢控制，所有其它情况不变。
在原料的预热期间(例如，在原料加热器中)的结垢控制，可以包括例如按照大于约10kW/m2、或大于约20kW/m2、或大于约30kW/m2、或大于约50kW/m2、或大于约100kW/m2、或从约10kW/m2到约150kW/m2(或更大)、或从约20到约150kW/m2、或从约30到约100kW/m2、或从约40到约75kW/m2、或从约50到约70kW/m2的平均热通量操作的加热器的使用。在较高的热通量下的操作可以被视为是一种结垢控制措施，因为较高的热通量导致炭黑产生原料升温更快和/或允许在加热器中有更短的停留时间，因为达到目标预热温度需要更少的时间。
至少部分地，使用对于烃在原料供给管线的原料接触内壁上的裂化(例如热裂化)和/或聚合而言是非催化性表面的结垢控制能够包括例如保护内衬如陶瓷内衬(例如二氧化硅、氧化铝、氧化铬)的一个或多个层。
使用吹扫气体通过原料供给管线的周期性的在线供给的结垢控制可包括将用于碳的氧化剂(例如CO2、氧气、蒸汽、蒸汽和空气混合物)在沿着原料管线的可达位置处注入到原料供给管线中。吹扫气体可以以150℃或更高或超过300℃的温度来引入到任何液态原料的泵送装置的下游。通过吹扫线的蒸汽速度可以是例如至少约6m/秒。任何死腿(deadleg)原料可以被消除，以使得该吹扫立即将全部的原料吹入反应器中。吹扫气体需要被引入在原料加热器的上游以进一步确保所有暴露于超过300℃的工艺温度中的供给管线被处理。
如所示的，通过从原料管线中将结焦去除的结垢控制可以包括例如剥落或机械刮削。例如，剥落可以涉及冷却结焦包覆的在线管道，以使得至少一些沉积在该管道的内部上的结焦被剥落或当该管道在冷却过程中在尺寸上收缩时以其它方式从内管壁上脱离。松脱的结焦能够被清洗出管道，和该剥落过的管道准备再次使用。在剥落期间，通过装置上所提供的反应器的备用的一个或多个在线进料管线，原料可以例如通过使用阀从待剥落的管道改道。一旦经过清洗，则剥落后的管道准备再次使用。另一种将沉积的结焦清洗出原料管道的方法可以包括，将机械刮刀通过管道移动来以机械方式从管道的内部中除去结焦。在机械刮削期间，在被离线进行清洗的管道暂停服务的时间内，通过装置上所提供的反应器的一个或多个备用的在线进料管线，原料可以例如通过使用阀来改道。剥落和/或机械刮削(如果使用的话)可以在原料供给管线上周期性地进行。
能够使用利用本发明的结垢控制来在高温下进行处理的炭黑产生原料通常可以包括任何在炭黑生产中是有用的烃液体或油原料。合适的液体原料包括，例如，不饱和烃，饱和烃，烯烃，芳烃，和其它烃如煤油，萘，萜烯，乙烯焦油(ethylene tar)，煤焦油，裂化残留物和芳族循环油，或它们的任意组合。原料可以是，例如，澄清油、煤焦油产物、乙烯裂化器残留物、含沥青质的油，或它们的任意组合。原料类型可影响结垢特性。在不同原料类型之间和/或在一种原料类型之内，化学性质可能有所不同。例如，基于经验和实验室试验，澄清油、焦化油、煤焦油和乙烯裂化器残留物全部能够在高于约300℃的各种温度下结垢。例如，乙烯裂化器残留物(ECR)在沥青质中可以是相对高的。其它原料类型也可以包含沥青质和/或具有符合其它结垢机理的化学性质。
原料的沥青质含量可以是，例如，从0%到约30重量%，或至少约0.5重量%，或至少约1重量%，或至少约2重量%，或至少约3重量%，或从约1%到约10重量%，或从约2%到约7.5重量%，或从约2.5%到约5重量%，基于总的原料重量。原料可具有的初沸点，例如，为约160℃-约500℃，或从约180℃到约450℃，或从约200℃到约400℃，或从225℃到约350℃。初沸点是指(原料的)第一原料组分蒸发的温度。原料可具有的中沸点，例如，为从约380℃到约800℃，或从约400℃到约500℃，或从约425℃到约475℃，或从440℃到约460℃。中沸点是指50%的原料组分已经蒸发的温度。原料可具有的终沸点，例如，为从约600℃到约900℃，或从约625℃到约725℃，或从约650℃到约700℃，或从670℃到约690℃。终沸点是指100%的原料组分已经蒸发的温度。可以应用其它初、中和/或终沸点，这取决于原料的选择及化学性质。
结垢控制工艺变量的组合的示例性的范围给出在表1中。
表1
(1)在反应器之前预热原料
(2)通过加热器，基于在1大气压下60℃的试验条件
(3)在加热器之前
鉴于在本文中所提供的上述的和其它的指导，用于给预热的原料供给管线提供结垢控制的工艺变量的合适的组合能够由本领域技术人员以直接的方式所确定。
本发明的方法能够使用的炉法炭黑反应器具有例如在本文中所涉及的改变和改进。例如，本发明的方法能够在模块化(也称为“分段式”)的炉法炭黑反应器中实施。能够改变或改进以实施本发明的分段式炉法反应器显示在例如美国专利No.3,922,335；4,383,973；5,190,739；5,877,250；5,904,762；6,153,684；6,156,837；6,403,695；和6,485,693Bl中，它们的全部内容均在此全文引入作为参考。作为选择，由本发明提供的结垢控制能够允许至少一部分的原料预热通过将原料用由炉法反应器从该反应器的一个或多个位置上所产生的热量进行加热来完成。该益处将参照若干附图在下列讨论中进行说明。
本发明还涉及炭黑生产装置。该装置或系统包括：
反应器，其用于将经加热的气流与至少一种炭黑产生原料组合以形成反应物流，其中，在所述反应器中形成炭黑；
至少一个原料供给管线，其用于将所述炭黑产生原料供给至通向所述反应器的至少一个原料引入点，以使所述原料与所述经加热的气流组合；
至少一个原料加热器，能够对其进行操作以将在所述至少一个原料供给管线中供给的所述炭黑产生原料预热到至少约300℃的温度；
至少一个泵，能够对其进行操作以使得在将所述炭黑产生原料预热到至少约300℃之前，将该原料加压到大于约10巴的压力，和用于提供至少约0.2m/秒的在原料加热器中的原料速度，或两者；和
淬火器，其用于冷却所述反应物流中的所述炭黑。
能够对所述装置进行操作以向所述预热到至少约300℃的原料提供在引入至所述反应器之前的在所述至少一个原料加热器和所述至少一个原料供给管线中的原料停留时间，该停留时间低于约120分钟。
所述至少一个原料加热器可如前所述，而且，可以为或包括热交换器，能够对其进行操作以使得以大于约10kW/m2的平均热通量来加热所述炭黑产生原料。
该至少一个原料加热器可位于能够与所述反应物流接触的所述反应器内，能够对所述原料加热器进行操作以将所述原料加热到至少300℃(如至少370℃)的温度。该至少一个原料加热器可设置成与所述反应器的至少一部分(直接或间接地)接触，能够对所述原料加热器进行操作以将所述原料加热到至少300℃(如至少370℃)的温度。该至少一个原料加热器可以为或包括位于所述反应器内的所述淬火器的下游处的热交换器，其中，所述热交换器包括这样的壁，该壁适于在其第一面上由所述反应物流进行加热并且适于在其相对面上与尚未供给至所述至少一个原料供给管线的原料接触，其中该原料在该热交换器中能够加热到至少300℃(如至少370℃)的温度。该装置可以包括至少一个用于能流动的热载体的热交换器，其位于能够与所述反应物流接触的所述反应器内，而且，所述至少一个原料加热器在所述反应器的外部并能够操作以使得已经离开该热交换器的该能流动的热载体的热量与在该原料加热器中的该原料进行交换，从而将该原料加热到至少300℃(如至少370℃)的温度。能够操作该至少一个原料加热器以交换来自反应器(接收预热原料的反应器或不同的反应器)的尾气流的热量，从而将该原料加热到至少300℃(如至少370℃)的温度。该装置可以包括能够操作以加热能等离子加热的气流的等离子加热器，用于提供所述经加热的气流的至少一部分。该装置可以包括在该原料加热器的原料接触壁和/或该至少一个原料供给管线的原料接触内壁中的一些或全部上的非催化性表面，其中该表面对于烃的热裂化或聚合是非催化性的。该装置可以包括在该原料加热器的原料接触壁和/或该至少一个原料供给管线的原料接触内壁上的非催化性的陶瓷衬里。该装置可以包括：吹扫气体(例如用于碳的氧化剂)的至少一个源、以及在所述至少一个原料供给管线上的至少一个吹扫气体引入点，能够对其进行操作以用所述吹扫气体周期性地吹扫所述至少一个原料供给管线。能够对所述反应器进行操作以将原料和经加热的气流组合以在该反应器中连续至少约12小时地形成炭黑。
作为一个实例，图1显示了可用在本发明的方法中来生产炭黑的一种炉法炭黑反应器的一部分，其中所述预热的至少一部分包括，将炭黑产生原料用在反应器中的反应物流来进行加热，以便将该原料加热到大于约300℃的温度。一种或多种所述结垢控制方法被应用到示于图1中的工艺方案中以支持这样的经预热原料的使用。
参见图1，本发明的炭黑可以在炉法炭黑反应器2中生产，所述炉法炭黑反应器2具有燃烧区10(其具有任选的直径收敛区11)、原料注入区12和反应区13。第一淬火区14紧随反应区13。可使用的这些不同区的有用的直径和长度可以参考上面指出的引入作为参考的专利来进行选择。为了生产炭黑，热燃烧气体通过将液体或气体燃料与合适的氧化剂例如空气、氧气、空气和氧气的混合物或类似物进行反应来在燃烧区10中产生。在燃料之中，适合用于与燃烧区10中的氧化剂流进行反应来产生热燃烧气体的燃料包括任何易燃的气体、蒸气和/或液体流如天然气、氢气、一氧化碳、甲烷、乙炔、醇类或煤油。然而，通常优选的是使用具有高含量的含碳组分(且尤其是烃)的燃料。用来生产本发明炭黑的空气与天然气的化学计量比例可以是从约0.6:1到无穷大或从约1:1(化学计量比例)到无穷大。为了促进热燃烧气体的产生，氧化剂流可以被预热。热燃烧气流从区10和11向下游流入到区12和13，然后流入到14。热燃烧气体的流动方向在图1中由箭头来显示。炭黑产生原料15被引入到位于区12中的点16处。原料可以通过探针、径向向内地通过位于点16处的区12的壁中的多个开孔、或这两者的组合来引入。原料可以通过在区11、12和/或13中的任何位置处轴向插入穿过燃烧器的探针而轴向地或径向地引入(穿刺操作，stinger operation)。在本文中适于用作产生炭黑的烃原料(其在反应条件下可易于挥发)的种类包括前面所述的原料。反应器/燃烧器的末端在高原料温度下将是更容易受到侵蚀的。例如，材料如6金属合金可以被用来延长末端的寿命。
如图1中所示，炭黑产生原料15在它被引入到反应器2中之前被预热到大于约300℃的温度。将预热的炭黑产生原料在至少一个原料供给管线17中供给到通向反应器2的至少一个原料引入点16中。当引入时，将该原料与经加热的气流进行组合来用于形成反应物流，其中，在所述反应器中形成炭黑。在反应物流中的炭黑可以在一个或多个区中进行淬火。例如，在淬火区14的淬火位置18处，将淬火流体注入，所述淬火流体可以包括水并且其可以用来完全或基本上完全地停止炭黑生产原料的热解，或者仅仅部分地冷却该原料且没有停止热解，随后进行用来停止炭黑生产原料的热解的二次淬火(未示出)。
此外，如图1中所示，原料加热器可以包括热交换器19(HXR)，其可具有例如在已知的热交换器设计中所使用的加热器壁(未示出)，该壁在其第一面上由所述反应物流进行加热并且在其相对面上接触尚未供给至所述至少一个原料供给管线的原料。如所述的，原料在热交换器中被加热到大于约300℃的温度。虽然显示的是配置在淬火器的下游，但是原料热交换器可以位于反应物流中的淬火器的上游，条件是该加热器具有的结构能够容忍反应器内的较高的淬火前的温度并在该温度下操作。原料加热器可以被布置来与反应器的至少一部分例如内部容纳的线圈或管道进行物理接触和或对着并与反应器的加热的壁接触，以便将原料加热到大于约300℃的温度。虽然在图1中未示出，但是热交换器可以任选地将原料加热到中间温度(例如高于250℃或者50℃到350℃，或低于目标预热温度的其它温度)，或用来获得高于300℃的预热温度，然后进一步的热交换器或在反应器的外部或内部的加热器能够用来加热到该最终的预热温度。
在反应器内的反应物流在淬火时可以具有的温度，例如，为从约600℃到约2000℃、或从约800℃到约1800℃、或从约1000℃到约1500℃、或者反映出在炉式反应器中所产生的极端放热反应的其它高温。本发明能够提供与由在反应器中的反应所产生的高的放热热量的原料热交换，且不会在原料供给管线中产生结垢问题。因此，与以低得多的原料温度操作的常规炭黑生产相比，本发明可以使改进能量回收和节省原材料成本成为可行。
此外，如图1中所示，至少一个泵20可以被在线地安装在相对于原料加热器19的原料管线的上游，该原料加热器19用来将原料升高温度到超过300℃的值。该泵能够用于将原料在其进入原料加热器之前进行加压。在此方式中，在原料温度被增加到升高的值的时候，原料可以已经被加压，否则在此方式中，在没有加压或其它所述的结垢控制方法的情况下，将会出现在原料供给管线中的结垢问题。由于原料在正常操作条件(例如0到约20巴的压力降)下穿过原料加热器的期间通常会经历压力降，这例如取决于热交换器设计和操作模式，因此，任何施加到原料上来作为结垢控制措施的加压均应当补偿任何在原料热交换器中会出现或预期出现的压力降，以及任何其它在用来将预热的原料输送到反应器中的供给管线管道或其它管道中出现或预期会出现的压力降，尤其是如果有必要将原料压力保持在之前的目标范围值内的时候。虽然为了简化这些图示而在图1中和在本文的其它附图中仅仅图示了反应器上的单独的原料供给管线和原料注入点，但是应当理解，能够使用在反应器上的多个原料供给管线和注入点，在其上也能够施加所述的结垢控制。
在热燃烧气体和炭黑产生原料的混合物被淬火之后，冷却的气体向下游通入任何常规的冷却和分离步骤，由此收取炭黑。炭黑从该气流中的分离可以容易地通过常规的设备如沉淀器、旋风分离器或袋式过滤器来实现。对于完全淬火以形成最终的炭黑产物的反应，能够使用任何对炭黑生产原料的引入的反应下游进行淬火的常规方法并且对于本领域技术人员来说是已知的。例如，淬火液体可以被注入，它可以是水或其它合适于停止化学反应的液体。
图2显示了另一种类型的炉法炭黑反应器的一部分，其可以被用于本发明的方法中来生产炭黑，其中所述预热的至少一部分包括，将热交换器21与在反应器中的反应物流进行接触，其中将流经热交换器的能流动的热介质或热载体28(如蒸汽或氮气)在反应器中进行加热，然后将加热的蒸汽(例如过热蒸汽)输送出热交换器和反应器并且被用管道输送到独立的原料加热器22(其位于反应器的外部)，在该处可进行操作来与在原料加热器中的原料进行热交换，以便将原料加热到大于约300℃(如370℃或更大)的温度。
图3显示了另一种类型的炉法炭黑反应器的一部分，其可以被用于本发明的方法中来生产炭黑，其中所述预热的至少一部分包括，将原料加热器23与已经离开反应器的尾气进行接触，以便将在原料加热器中的原料加热到大于约300℃(或至少部分地达到目标温度)的温度。
图4显示了另一种类型的炉法炭黑反应器，其可以用于本发明的方法中，其中经加热的气流至少部分地或完全地进一步包括已经通过使用等离子加热器25来至少部分地或完全地加热的加热气体24。该气体的等离子加热可以例如根据对于本领域技术人员来说是已知的方法来实现。能够使用等离子炬，例如，如示于美国专利No.5,486,674中的等离子炬，其全部公开内容在此引入作为参考，并且可参考的等离子加热示于美国专利No.4,101,639和3,288,696中，其全部公开内容在此引入作为参考。
此外，如在图4中显示的，原料可以通过与在反应器中的热交换器26中的反应物流已交换过热量的加热介质(例如蒸汽)来间接地进行加热，或者，替代地，原料能够在反应器中的热交换器26中进行直接加热，如由虚线所示。
在本发明的这些不同的工艺方案中，在反应器以内或以外的用于将原料预热的热交换器设计可以具有任何常规的热交换器设计，例如壳管式、壳和盘管式、板框式(plate and frame)等。例如，当热交换器具有内联(inline)盘管构造时，可以使用顺序(schedule)80管和弯头来用于内联盘管以便防止腐蚀/侵蚀问题。另外，在管之间的恒定间距能够用于构建内联盘管管道，并且该盘管可以使用烟道气集管的整个横截面。内联盘管的热传递系数可以广泛地加以变化来用于不同的等级和不同的工厂。
另外，用于所述工艺方案和方法的原料中的任何一种可以含有额外的材料或组分，该材料或组分通常用来制造常规的炭黑。本发明的方法可以进一步包括引入至少一种物质，该物质是或者含有至少一种周期表中的第IA族和/或第IIA族元素(或其离子)。含有至少一种第IA族和/或第IIA族元素(或其离子)的物质含有至少一种碱金属或碱土金属。示例包括锂、钠、钾、铷、铯、钫、钙、钡、锶、或镭、或它们的组合。在该物质中，可以存在一种或多种这些组分的任意混合物。该物质可以是固体、溶液、分散体、气体、或它们的任意组合。可以使用一种以上的该物质，其具有相同或不同的第IA族和/或第IIA族金属(或其离子)。如果使用多种物质，则这些物质可以一起、分别、按顺序或在不同的反应位置中添加。为了本发明的目的，该物质可以是金属(或金属离子)本身、含有一种或多种的这些元素的化合物(包括含有一种或多种的这些元素的盐)等。该物质能够将金属或金属离子引入到正在形成炭黑产物的反应中。为了本发明的目的，含有至少一种第IA族和/或第IIA族金属(或其离子)的物质(如果使用的话)能够在任何点引入到反应器中，例如，在完全淬火之前。例如，该物质能够被添加到任何在完全淬火之前的位置处，包括：在炭黑产生原料引入到第一反应阶段中之前；在炭黑产生原料引入到第一反应阶段中的期间；在炭黑产生原料引入到第一反应阶段中之后；在引入任何第二炭黑产生原料之前、在引入任何第二炭黑产生原料的过程中或紧接着在引入任何第二炭黑产生原料之后；或者任何在引入第二炭黑产生原料之后但在完全淬火之前的步骤。可以使用一个以上的该物质的引入点。
含有第IA族和/或第IIA族金属(或其离子)的物质的量(如果使用的话)可以是任何量，只要能够形成炭黑产品。可以按照使得200ppm或更多的第IA族元素或离子和/或第IIA族元素(或其离子)存在于最终形成的炭黑产物中的量来添加该物质。其它量包括从约200ppm到约20000ppm或更大，且其它范围可以是从约500ppm到约20000ppm、或从约1000ppm到约20000ppm、或从约5000ppm到约20000ppm、或从约10000ppm到约20000ppm、或从约300ppm到约5000ppm、或从约500ppm到约3000ppm、或从约750ppm到约1500ppm的存在于所形成的炭黑产物中的第IA族和/或第IIA族元素(或其离子)。这些水平可以是就金属离子浓度而言的。存在于所形成的炭黑产物中的这些量的第IA族和/或第IIA族元素(或其离子)可以是就一种元素或一种以上的第IA族和/或第IIA族元素(或其离子)而言的，而且因此将会是存在于所形成的炭黑产物中的组合量的第IA族和/或第IIA族元素(或它们的离子)。因此，这些量可以单独适用于第IA族元素/离子或第IIA族元素/离子的含量。该物质能够以任何方式添加。该物质能够按照与炭黑产生原料的引入方式相同的方式来添加。该物质可以作为气体、液体、或固体或它们的任意组合来添加。该物质可以在一个点或几个点上来添加并且可以作为单独流或多个流来添加。该物质可以在它们的引入之前或在它们的引入的过程中与原料、燃料和/或氧化剂进行混合。
一种能够将含有至少一种第IA族和/或第IIA族元素(或其离子)例如钾的物质引入到原料中的方法是通过将该物质引入到原料中。在另一种方法中，将该物质以与原料分开的方式引入到反应器中，例如通过使用延伸到反应器中的注入棒。例如，将钾溶液添加到高温原料中会产生例如从钾闪蒸引起的末端堵塞的风险。将钾离子或其它第IA族和/或第IIA族金属(或它们的离子)用在燃烧器中的棒进行注入可以用来降低该风险。另外，用于将钾等第IA族和/或第IIA族金属(或它们的离子)引入到反应器中的棒(其相比于标准开孔而言具有更大的开孔)的使用可以被用来在负载的同时降低堵塞风险或确保棒的清洁。为了在制造高钾离子等级的炭黑时降低燃烧器衬里损坏的风险，原料温度将需要被降低到仍然在>300℃的范围内的较低的值，以使得钾离子能够被注入到油中。对于>300℃的原料预热，可以使用另一种油溶形式的钾，例如来自OM Group的460 HF材料，它可以直接地被注入到原料中。460 HF材料是一种钾的有机盐(新癸酸钾)，它在原料中是可溶的，因此，它不应该遭遇与用水溶液的情况一样的闪蒸问题的风险。因此，以组合的高温原料和抗结垢策略为基础的本发明的工艺方案能够进行调整来与生产工艺中的炭黑改性剂如结构控制添加剂(例如钾或其它碱金属/离子源)的使用相容。
本发明可行的原料预热条件和设计可以提供优势和益处，例如，改进的能量回收，在原材料成本上的节约，在炭黑上的增加，降低的二氧化碳排放，在高原料温度条件下、持续工业上有用的持续时间的稳定的或连续的炭黑生产，或它们的任意组合。将原料预热提高到大于300℃，可以预期在不变的生产条件下将减少硫和NOx基于质量流量的排放水平。每千克炭黑的排放率预计在所有操作条件下将降低。排放浓度将取决于所选择的具体操作条件。
除了前面所述的益处和优点之外，根据本发明还能够实现原料预热的其它潜在益处。产率提高机理可能是在热解过程中预成形种子的结果。虽然不希望被限制到特定的理论，原料在预热阶段中可能经历多环芳香烃(PAH)的脱氢反应和非芳族基团的除去。脱氢PAH预期形成种子快于最初的材料。在实施例中，高压已经显示出控制了脱氢的速率。在本文中详细描述的压力、停留时间和/或温度控制，能够控制大PAH分子的形成，其潜在地能够提供用于生产炭黑种子的控制机理。如所示的，高温原料热解的缺点是结焦和沉砂(grit)形成的潜力，这些在本发明中被缓解或防止，在本发明中，高原料温度条件适当地与结垢控制方法组合。产率提高的第二机理可以是，例如，通过预热的原料在炭黑反应器中在没有冷却的周围气体的情况下的闪蒸。原料的闪蒸将消除使用用于原料雾化的燃烧器烟道气的必要性。当在大气压附近注入到在炭黑反应器中时，温度超过300℃的预热原料会有足够的内部能量来进行自蒸发并可以与燃烧器烟道气进行混合。
任何类型的ASTM等级(例如N100到N1000)或其它等级的炭黑可以由本发明来制造。由本发明的方法制造的炭黑会具有一个或多个独特的性能(或有益的性能)和/或参数，这归因于使用在本文中所提及的高预热原料温度和/或其它工艺参数。由本发明的方法和设备布置所制造的炭黑能够通过使用常规量或更低量来用在任何常规炭黑所使用的最终用途应用中，例如油墨、颜料、塑料制品、密封剂、粘合剂、涂料、弹性产品、调色剂、燃料电池、轮胎或其零件、模制部件、电子元件、电缆、电线、或它们的零件等。
根据本发明能够获得的一个优点是形成了商业上可接受的炭黑，其具有与以常规方式所制造的炭黑相同的形态和/或其它参数。根据本发明的商业上可接受的、具有相同形态和/或其它参数的炭黑能够通过使用本发明的方法来制造。作为选择，用本发明所能够获得的一个优势是所形成的炭黑具有低得多的PAH量。在炭黑中的较低的PAH量不会改变炭黑的性能，而且通常而言，由于多种原因，高PAH量是不希望的。根据本发明所选择的炭黑能够被制造成具有与由使用相同反应器条件和原料(但是其中在将原料供给到炭黑反应器中之前，没有发生将原料预热到大于300℃的温度)的常规方法所制造的所选择的炭黑相同的形态或基本上相同的形态(即形态值在一个或多个形态性能上例如OAN、COAN等上的波动在正或负5%之内)。所选择的本发明的炭黑的PAH水平，以ppm重量计，可以降低10%到50%、20%到50%、或30%到100%或更多(基于ppm水平)，与所选择的具有相同的形态的、但是是在炭黑产生原料进入到炭黑反应器中以形成炭黑之前炭黑产生原料被预热到大于300℃没有发生、而且使用相同的反应器条件和原料)的条件下所制备的炭黑相比。此外，在炭黑中的PAH水平可以分离成三种分子量(MW)类别：高MW的PAH(大于250重均MW)；中MW的PAH(200到250重均MW)；和低MW的PAH(小于250重均MW)。本发明具有将一种或多种的高MW和/或中MW的PAH的量降低10%到50%、20%到50%或30%到100%或更多(基于ppm水平)的能力，与具有相同形态的、但是是在炭黑产生原料进入到炭黑反应器中以形成炭黑之前炭黑产生原料被预热到大于300℃没有发生而且使用相同的反应器条件和原料的条件下所制备的炭黑相比。而且，本发明具有从所选择的炭黑的PAH总量中大大降低高MW的PAH(认为是最不希望有的)的百分数的能力，与所选择的具有相同的形态的、但是是在炭黑产生原料进入到炭黑反应器中以形成炭黑之前炭黑产生原料被预热到大于300℃没有发生、而且使用相同的反应器条件和原料的条件下所制备的炭黑相比。在PAH总量中的高MW的PAH的百分数可以减少10%到50%、20%到50%或30%到100%或更多的量，基于所选择的炭黑的ppm水平，与所选择的具有相同形态的、但是是在炭黑产生原料进入到炭黑反应器中以形成炭黑之前炭黑产生原料被预热到大于300℃没有发生、而且使用相同的反应器条件和原料的条件下所制备的炭黑相比。以上测定的进行基于这样的试验，这些试验将所选择的通过使用本发明所制造的炭黑与所选择的在炭黑产生原料进入到炭黑反应器中以形成炭黑之前炭黑产生原料被预热到大于300℃没有发生、但是使用了相同的反应器条件和原料的条件下所制造的炭黑相比来进行对比。这是可用本发明实现的显著优势。
本发明以任意顺序和/或任意组合包括以下方面/实施方案/特征：
1.本发明涉及炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
向至少一个加热器供给至少一种炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于约300℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有至少0.2m/秒的速度，而且，基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积计算所述速度，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有低于约120分钟的第一原料停留时间；
将所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中所述预热的炭黑产生原料具有低于约120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至刚好到通向所述炭黑反应器的所述引入点之前；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为120分钟或更低；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取(例如淬火)所述反应物流中的所述炭黑。
2.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有大于约10巴的压力。
3.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有大于约20巴的压力。
4.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压到约20巴-约180巴的压力。
5.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述速度为至少约1m/秒。
6.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述速度为至少约1.6m/秒。
7.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述炭黑产生原料包括：澄清油、煤焦油产物、乙烯裂化器残留物、含沥青质的油或它们的任意组合。
8.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述炭黑产生原料具有约160℃-约500℃的初沸点。
9.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中该至少一种炭黑产生原料的所述预热包括在所述加热器中加热所述炭黑产生原料，该加热器具有在大于约10kW/m2的平均热通量下操作的热交换器。
10.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述预热的至少一部分在所述至少一个加热器中进行，所述加热器所具有的热量至少部分地由通过所述炭黑反应器或其它炭黑反应器或这两者产生的热量提供。
11.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述第一停留时间和所述第二停留时间总计低于60分钟。
12.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器与所述炭黑反应器的至少一部分处于热交换。
13.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器在所述炭黑反应器中的淬火器的下游接触所述反应物流，其中所述至少一个加热器包括具有这样的壁的热交换器，在所述壁的第一面上，由所述反应物流加热所述壁，而且，在所述壁的相对面上，所述壁接触所述炭黑产生原料。
14.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器包括在所述炭黑反应器中与所述反应物流进行热交换的热交换器，其中加热流经该热交换器的能流动的热载体，并使该经加热的能流动的热载体通过所述至少一个加热器，该加热器位于所述反应器的外部并且能操作以使得该能流动的热载体的热量与所述原料进行交换，从而加热所述炭黑产生原料。
15.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器至少部分地是热量源自来自所述炭黑反应器或不同的炭黑反应器或这两者的炭黑尾气的，以用于加热所述炭黑产生原料。
16.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中该经加热的气流的引入包括在等离子加热器内对能等离子加热的气流进行等离子加热以提供所述经加热的气流的至少一部分。
17.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在所述至少一个加热器的炭黑产生原料接触壁上和在将所述预热的炭黑产生原料供给到所述炭黑反应器中的至少一个原料供给管线的内壁上提供非催化性表面，其中该表面对于烃的裂化或聚合是非催化性的。
18.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括通过所述至少一个炭黑产生原料供给管线周期性地进料包括用于碳的氧化剂的吹扫气体。
19.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括将该预热的炭黑产生原料注入到该炭黑反应器中且至少部分地闪蒸该炭黑产生原料。
20.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括将该预热的炭黑产生原料和该经加热的气流在所述炭黑反应器中组合以在该反应器中连续至少约12小时地形成炭黑。
21.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
向至少一个加热器供给至少一种具有低于360℃的第一温度的炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到约360℃-约850℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有至少0.2m/秒的速度，而且，基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积计算所述速度，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有低于约120分钟的第一原料停留时间；
将所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中所述预热的炭黑产生原料具有低于约120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至刚好到通向所述炭黑反应器的所述引入点之前；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为约10秒-约120分钟；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取(例如淬火)所述反应物流中的所述炭黑。
22.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有大于约20巴的压力。
23.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有大于约30巴的压力。
24.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压到约30巴-约180巴的压力。
25.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述速度为至少约1m/秒。
26.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述速度为至少约1.6m/秒。
27.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述炭黑产生原料包括：澄清油、煤焦油产物、乙烯裂化器残留物、含沥青质的油或它们的任意组合。
28.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述炭黑产生原料具有约160℃-约500℃的初沸点。
29.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中该至少一种炭黑产生原料的所述预热包括在所述加热器中加热所述炭黑产生原料，该加热器具有在大于约20kW/m2的平均热通量下操作的热交换器。
30.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述预热的至少一部分在所述至少一个加热器中进行，所述加热器所具有的热量至少部分地由通过所述炭黑反应器或其它炭黑反应器或这两者产生的热量提供。
31.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述第一停留时间和所述第二停留时间总计低于60分钟。
32.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器与所述炭黑反应器的至少一部分处于热交换。
33.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器在所述炭黑反应器中的淬火器的下游接触所述反应物流，其中所述至少一个加热器包括具有这样的壁的热交换器，在所述壁的第一面上，由所述反应物流加热所述壁，而且，在面对所述炭黑产生原料的所述壁的相对面上，所述壁接触所述炭黑产生原料。
34.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器包括在所述炭黑反应器中与所述反应物流进行热交换的热交换器，其中加热流经该热交换器的能流动的热载体，并使该经加热的能流动的热载体通过所述至少一个加热器，该加热器位于所述反应器的外部并且能操作以使得该能流动的热载体的热量与所述原料进行交换，从而加热所述炭黑产生原料。
35.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器至少部分地是热量源自来自所述炭黑反应器或不同的炭黑反应器或这两者的炭黑尾气的，以用于加热所述炭黑产生原料。
36.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中该经加热的气流的引入包括在等离子加热器内对能等离子加热的气流进行等离子加热以提供所述经加热的气流的至少一部分。
37.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在所述至少一个加热器的炭黑产生原料接触壁上和在将所述预热的炭黑产生原料供给到所述炭黑反应器中的至少一个原料供给管线的内壁上提供非催化性表面，其中该表面对于烃的裂化或聚合是非催化性的。
38.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括通过所述至少一个炭黑产生原料供给管线周期性地进料包括用于碳的氧化剂的吹扫气体。
39.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括将该预热的炭黑产生原料注入到该炭黑反应器中且至少部分地闪蒸该炭黑产生原料。
40.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括将该预热的炭黑产生原料和该经加热的气流在所述炭黑反应器中组合以在该反应器中连续至少约12小时地形成炭黑。
41.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
向至少一个加热器供给至少一种具有低于450℃的第一温度的炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于约450℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有至少0.2m/秒的速度，而且，基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积计算所述速度，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有10秒-约120分钟的第一原料停留时间；
将所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中所述预热的炭黑产生原料具有低于约120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至刚好到通向所述炭黑反应器的所述引入点之前；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为120分钟或更低；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取(例如淬火)所述反应物流中的所述炭黑。
42.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有约20巴-约180巴的压力。
43.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有约30巴-约180巴的压力。
44.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压到约40巴-约180巴的压力。
45.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述速度为至少约1m/秒。
46.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述速度为至少约1.6m/秒。
47.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述炭黑产生原料包括：澄清油、煤焦油产物、乙烯裂化器残留物、含沥青质的油或它们的任意组合。
48.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述炭黑产生原料具有约160℃-约500℃的初沸点。
49.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中该至少一种炭黑产生原料的所述预热包括在所述加热器中加热所述炭黑产生原料，该加热器具有在约20kW/m2-约150kW/m2的平均热通量下操作的热交换器。
50.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述预热的至少一部分在所述至少一个加热器中进行，所述加热器所具有的热量至少部分地由通过所述炭黑反应器或其它炭黑反应器或这两者产生的热量提供。
51.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述第一停留时间和所述第二停留时间总计低于60分钟。
52.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器与所述炭黑反应器的至少一部分处于热交换。
53.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器在所述炭黑反应器中的淬火器的下游接触所述反应物流，其中所述至少一个加热器包括具有这样的壁的热交换器，在所述壁的第一面上，由所述反应物流加热所述壁，而且，在面对所述炭黑产生原料的所述壁的相对面上，所述壁接触所述炭黑产生原料。
54.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器包括在所述炭黑反应器中与所述反应物流进行热交换的热交换器，其中加热流经该热交换器的能流动的热载体，并使该经加热的能流动的热载体通过所述至少一个加热器，该加热器位于所述反应器的外部并且能操作以使得该能流动的热载体的热量与所述原料进行交换，从而加热所述炭黑产生原料。
55.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述至少一个加热器至少部分地是热量源自来自所述炭黑反应器或不同的炭黑反应器或这两者的炭黑尾气的，以用于加热所述炭黑产生原料。
56.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中该经加热的气流的引入包括在等离子加热器内对能等离子加热的气流进行等离子加热以提供所述经加热的气流的至少一部分。
57.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括在所述至少一个加热器的炭黑产生原料接触壁上和将所述预热的炭黑产生原料供给到所述炭黑反应器中的至少一个原料供给管线的内壁上提供非催化性表面，其中该表面对于烃的裂化或聚合是非催化性的。
58.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括通过所述至少一个炭黑产生原料供给管线周期性地进料包括用于碳的氧化剂的吹扫气体。
59.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括将该预热的炭黑产生原料注入到该炭黑反应器中且至少部分地闪蒸该炭黑产生原料。
60.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，进一步包括将该预热的炭黑产生原料和该经加热的气流在所述炭黑反应器中组合以在该反应器中连续至少约12小时地形成炭黑。
61.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
在大于10巴的第一压力下，向至少一个加热器供给至少一种具有低于300℃的第一温度的炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于约300℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有与所述第一压力大致相同或低于所述第一压力的第二压力，所述第二压力的计算基于这样的假设——原料在第一压力和第二压力期间均在相同的横截面积中进行传输，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有低于约120分钟的第一原料停留时间；
将所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中所述预热的炭黑产生原料具有低于约120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至刚好到通向所述炭黑反应器的所述引入点之前；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为120分钟或更低；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取(例如淬火)所述反应物流中的所述炭黑。
62.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
在大于10巴的第一压力下，向至少一个加热器供给至少一种具有低于300℃的第一温度的炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于约300℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：i)该至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有与所述第一压力大致相同或低于所述第一压力的第二压力和ii)该至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有至少0.2m/秒的速度，而且，所述速度的计算基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积，和其中i)的计算基于原料在第一压力和第二压力期间均在相同的横截面积中进行传输；和
将所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取(例如淬火)所述反应物流中的所述炭黑。
63.炭黑生产装置，其包括：
反应器，其用于将经加热的气流与至少一种炭黑产生原料组合以形成反应物流，其中，在所述反应器中形成炭黑；
至少一个原料供给管线，其用于将所述炭黑产生原料供给至通向所述反应器的至少一个原料引入点，以使所述原料与所述经加热的气流组合；
至少一个原料加热器，能够对其进行操作以将在所述至少一个原料供给管线中供给的所述炭黑产生原料预热到至少约300℃的温度；
至少一个泵，能够对其进行操作以使得在将所述炭黑产生原料预热到至少约300℃之前，将该原料加压到大于约10巴的压力，而且其用于提供至少0.2m/秒的在所述至少一个原料加热器中供给的所述原料的原料速度，其中速度的计算基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积；和
任选的淬火器，其用于冷却所述反应物流中的所述炭黑；
其中，能够对所述装置进行进一步操作以向所述预热到至少约300℃的原料提供在引入至所述反应器之前的在所述至少一个原料加热器和所述至少一个原料供给管线中的原料停留时间，该停留时间低于约120分钟。
64.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，其中所述至少一个原料加热器包括热交换器，能够对其进行操作以使得以大于约10kW/m2的平均热通量来加热所述炭黑产生原料。
65.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，其中，该至少一个原料加热器位于能够与所述反应物流接触的所述反应器内，能够对所述原料加热器进行操作以将所述原料加热到至少300℃的温度。
66.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，其中，该至少一个原料加热器设置成与所述反应器的至少一部分接触，能够对所述原料加热器进行操作以将所述原料加热到至少300℃的温度。
67.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，其中该至少一个原料加热器包括位于所述反应器内的所述淬火器的下游处的热交换器，其中，所述热交换器包括这样的壁，该壁适于在其第一面上由所述反应物流进行加热并且适于在其相对面上与尚未供给至所述至少一个原料供给管线的原料接触，其中该原料在该热交换器中能够加热到至少300℃的温度。
68.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，进一步包括用于能流动的热载体的热交换器，其位于能够与所述反应物流接触的所述反应器内，而且，所述至少一个原料加热器在所述反应器的外部并能够操作以使得已经离开该热交换器的该能流动的热载体的热量与在该原料加热器中的该原料进行交换，从而将该原料加热到至少300℃的温度。
69.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，其中能够操作该至少一个原料加热器以交换来自该反应器的尾气流的热量，从而将该原料加热到至少300℃的温度。
70.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，进一步包括能够操作以加热能等离子加热的气流的等离子加热器，用于提供所述经加热的气流的至少一部分。
71.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，进一步包括在该原料加热器的原料接触壁和该至少一个原料供给管线的原料接触内壁上的非催化性表面，其中该表面对于烃的裂化或聚合是非催化性的。
72.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，进一步包括在该原料加热器的原料接触壁和该至少一个原料供给管线的原料接触内壁上的非催化性的陶瓷衬里。
73.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，进一步包括：包括用于碳的氧化剂的吹扫气体的至少一个源、以及在所述至少一个原料供给管线上的至少一个吹扫气体引入点，能够对其进行操作以用所述吹扫气体周期性地吹扫所述至少一个原料供给管线。
74.任意前述或后续实施方案/特征/方面的装置，其中能够对所述反应器进行操作以将原料和经加热的气流组合以在该反应器中连续至少约12小时地形成炭黑。
75.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述预热避免了在所述至少一个加热器中和/或在向所述炭黑反应器的所述供给之前形成蒸气膜。
76.任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法，其中所述预热和/或所述供给基于稳态操作条件且不存在失控的压力降。
77.炭黑，其通过任意前述或后续实施方案/特征/方面的方法形成。
78.任意前述或后续实施方案/特征/方面的炭黑，其中，与以没有所述原料的预热的方法制造的具有相同形态的炭黑的PAH相比，所述炭黑具有的PAH的量低至少10%。
79.任意前述或后续实施方案/特征/方面的炭黑，其中，与以没有所述预热的方法制造的具有相同形态的炭黑相比，所述炭黑具有的基于PAH总量的高MW PAH量的百分数低至少10%。
80.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
向至少一个加热器供给至少一种炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于约300℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)该至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有至少0.2m/秒的速度，而且，所述速度的计算基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有低于约120分钟的第一原料停留时间；
将所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中所述预热的炭黑产生原料具有低于约120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至刚好到通向所述炭黑反应器的所述引入点之前；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为120分钟或更低；其中所述预热是在足以避免在所述至少一个加热器中或在向所述炭黑反应器的所述供给之前形成蒸气膜的压力下；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取(例如淬火)所述反应物流中的所述炭黑。
本发明可包括在前面和/或下面语句和/或段落中所述的这些不同特征或实施方案的任意组合。将本文所公开的特征的任意组合看作本发明的一部分且对于可组合的特征没有限制。
现在，将参照以下非限制性的实施例更具体地描述本发明。
实施例
实施例1
使用基于计算机的模型来评价在炭黑生产方案中使用的原料温度为215℃、500℃和700℃的两个等级的炭黑(A和B)的原材料成本节约潜力，该炭黑生产方案能够通过本发明的所述结垢控制方法来在500℃和700℃进行稳定的连续操作。采用方法论并且根据工业可接受的实践假定质量和能量平衡以及反应化学，从而，将Aspen Plus计算机模型程序用于对工艺方案进行建模。用于该模型的模型工艺流程图与图5中所示的相似。图5显示了用于等级A和500℃的原料预热温度的工艺方案，而且，该总体工艺设计另外也适用于其它模型化的原料温度和等级的组合。详细显示在图5中的工艺方案通常类似于在图1中显示的工艺方案。如图5中所显示，使用在初始淬火和二次淬火位置之间的炭黑反应器烟气的热量来加热原料。用于计算的原料热容量显示在图6中。原料被假定是非反应活性的；热解反应的吸热效应不被包括在原料热容量中。对于等级A和B而言，将使用500℃和700℃的原料预热温度的两种情况进行建模并与基线情况(215℃预热)进行比较。
可适用于在模型中使用的等级A和B的液体碳生产原料是澄清油和澄清油/煤焦油的混合物。等级A和B的液体原料具有以下组成：
等级A澄清油：
较高热值[J/kg]：39,524,446
元素分析[质量%]：
等级B澄清油/煤焦油：
流速[kg/hr]：3,562
生成热[J/kg]：50,692
较高热值[J/kg]：39,878,687
元素分析[质量%]：
煤焦油[质量%]：30.0
表2-7显示了用于针对每种炭黑等级在预热温度500℃和700℃的每个温度下的建模计算的原始数据。建模计算的结果也示出在表中。
表2
原材料和炭黑在Aspen Plus计算中的能含量
表7
如结果所示，在没有原料结垢的稳定模式中，与在215℃的较低的常规原料温度下的工艺相比，当原料被预热到500℃时，可以得到超过10％的原材料成本节约，和当原料被预热到700℃时，可以得到超过20%的原材料成本节约。在表7中的“炭黑产率”以及一些其它数据是使用215℃的常规原料温度来作为基线(100%)的，并将更高温度预热的原料与此基线进行对比。如所示的，本发明的结垢控制方法使得在这样的较高原料温度下进行操作(包括以工业规模操作)是可行的。在表7中，反应器能量效率(REE)被定义为所生成的材料的热值与总能量输入的比值，其包括原料(FS)和燃烧器燃料以及电能的热值REE=(HHV-炭黑)/(HHV-原料+HHV-天然气+kWh/kg-炭黑电能)。在表7中，燃烧器的化学计量被定义为燃烧器的空气流量与燃烧器的化学计量的空气流量(燃烧器燃料完全燃烧所需的空气流量)的百分比。
在该模型中所显示的益处将用任意炭黑例如任意ASTM等级(如N100到N1000等)来实现。该模型将显示出相同的益处。
实施例2
在这些实施例中，执行9次试验操作以显示如下面进一步解释的使用不同原料样品的将炭黑产生原料从70℃加热至约500℃的实施例。各种操作参数列于表8中，而且，进一步地，所用原料的类型列于表8中，以及原料的详情列于表9中。在表8中可以看出，通过按照本发明，炭黑产生原料可以被预热到约500℃或更高的温度，而且还获得了成功且连续的炭黑生产。在从试验编号2-5、8和9所形成的炭黑中，对炭黑进行了分析，并且确定出，基于形态、纯度等，将所述炭黑作为炭黑用于商业用途是可接受的。可以确定，由本发明制造的炭黑的一个优点是，相比于具有相同形态的常规炭黑的PAH(单位为ppm水平)，炭黑的PAH水平大约低50%。因此，本发明的一个附加的优点是形成具有低得多的PAH量的商业上可接受的炭黑的能力。PAH测定是基于本领域已知的PAH-20测定。
如在下表8所进一步指出的，项目“失控的压力降”是对于是否形成或将要形成蒸气膜和/或结焦的指示。当项目为“NO”时，这意味着没有检测到失控的压力降，并且，事实上，试验运行被认为是成功的，因为其生产了商业上可接受的炭黑，其中在加热器管线或供给管线中没有结焦形成且没有蒸气膜。当针对失控的压力降的项目为"YES"时，这表明在炭黑制造过程中存在来自稳态操作条件的快速压力降，这清楚地表明蒸气膜出现和装置结焦是不可避免的。事实上，在试验编号1中，为了证实该理解，在试验编号1中观察到了失控的压力降，而且，最终，通过分析原料加热器的部件，结焦在视觉上在加热器中的进料管线内被检测到，从而证实了失控的压力降是结焦的不可避免地形成的指示。
实施例2-5、8和9清楚地表明了炭黑能够使用高温原料来制造，而且还避免了形成蒸气膜和结焦，并且导致商业上可接受的炭黑产品。
在实施例1、6和7中，其中失控的压力降被确定并且其中结焦发生在试验编号1中，通过使用本发明，这些试验操作能够通过调节加热器入口压力或提高加热器入口压力和/或升高油入口速度和/或减少在加热器中的停留时间来进行调整，从而避免失控的压力降和由此形成蒸气膜和/或结焦。在炭黑产生原料的预热期间，通过提高加热器入口压力(例如，提高10%或以上)，将会对避免在加热器中形成蒸气有作用。基本上，调节加热器入口压力(通常通过提高压力)、增加油入口速度和/或降低停留时间的任何组合都可以减少蒸气形成和/或消除蒸气形成并由此避免失控的压力降。
在下面的实施例中，对于实施例2-5、8和9，相比于使用作为基线(100%)的215℃常规原料温度所制造的炭黑，实现了炭黑产率的改进(单位为重量%)，并且将更高温度预热的原料与此基线进行对比。在这些实施例中，炭黑产率的提高从4%到8%(按重量计)。此外，相比于使用作为基线(100%)的215℃常规原料温度所制造的炭黑，本发明的实施例提供了从7%到11%的能量节约，并且将用于更高温度预热的原料的能量与此基线进行对比。因此，本发明提供了更高的炭黑产率而且使用了更低的能量以做到这样，而且这相对于传统工艺来说是优异的并且也是意想不到的。
表8
*证实结焦出现。
**试验立即停止以避免加热器/反应器的损坏
表9
申请人将所有引用的参考文献的全部内容具体引入本公开内容中。此外，当量、浓度或者其它值或参数以范围、优选范围、或者优选上限值和优选下限值的列举而给出时，这应理解为具体公开了由任意上限或优选值与任意下限或优选值的任意配对形成的所有范围，不论这些范围是否单独公开。对于本文所列举的数值范围，除非另有说明，所述范围意图包括其端点、以及在所述范围内的所有整数和分数。当限定范围时，本发明的范围不限于所列举的具体值。
本领域技术人员将通过考虑本说明书和本文中所公开的本发明的实践而明白本发明的其它实施方案。本说明书和实施例应视为仅为示例性的，并且本发明的真实范围和精神应由所附权利要求及其等价物所表明。

Claims (67)

1.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
向至少一个加热器供给至少一种炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于300℃的温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有1m/秒以上的速度，其中基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积计算速度，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有低于120分钟的第一原料停留时间；
将具有大于300℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中具有大于300℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料具有低于120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至通向所述炭黑反应器的所述引入点；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为120分钟或更低；由此避免了在所述至少一个加热器中和在向所述炭黑反应器的所述供给之前形成蒸气膜；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取所述反应物流中的所述炭黑，和其中所述炭黑是炉法炭黑且所述炭黑反应器是炉法炭黑反应器，和所述炭黑产生原料具有160-600℃的初沸点。
2.权利要求1的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有大于10巴的压力。
3.权利要求1的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有大于20巴的压力。
4.权利要求1的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压到20巴-180巴的压力。
5.权利要求1的方法，其中所述速度为至少1.6m/秒。
6.权利要求1的方法，其中所述炭黑产生原料包括：澄清油、煤焦油产物、乙烯裂化器残留物、含沥青质的油或它们的任意组合。
7.权利要求1的方法，其中该至少一种炭黑产生原料的所述预热包括在所述加热器中加热所述炭黑产生原料，该加热器具有在大于10kW/m2的平均热通量下操作的热交换器。
8.权利要求1的方法，其中所述预热的至少一部分在所述至少一个加热器中进行，所述加热器所具有的热量至少部分地由通过所述炭黑反应器或其它炭黑反应器或这两者产生的热量提供。
9.权利要求1的方法，其中所述第一停留时间和所述第二停留时间总计低于60分钟。
10.权利要求1的方法，其中所述至少一个加热器与所述炭黑反应器的至少一部分处于热交换。
11.权利要求1的方法，其中所述至少一个加热器在所述炭黑反应器中的淬火器的下游接触所述反应物流，其中所述至少一个加热器包括具有这样的壁的热交换器，在所述壁的第一面上，由所述反应物流加热所述壁，而且，在所述壁的相对面上，所述壁接触所述炭黑产生原料。
12.权利要求1的方法，其中所述至少一个加热器包括在所述炭黑反应器中与所述反应物流进行热交换的热交换器，其中加热流经该热交换器的能流动的热载体，并使该经加热的能流动的热载体通过所述至少一个加热器，该加热器位于所述反应器的外部并且能操作以使得该能流动的热载体的热量与所述原料进行交换，从而加热所述炭黑产生原料。
13.权利要求1的方法，其中所述至少一个加热器至少部分地是热量源自来自所述炭黑反应器或不同的炭黑反应器或这两者的炭黑尾气的，以用于加热所述炭黑产生原料。
14.权利要求1的方法，进一步包括在所述至少一个加热器的炭黑产生原料接触壁上和在将所述预热的炭黑产生原料供给到所述炭黑反应器中的至少一个原料供给管线的内壁上提供非催化性表面，其中该表面对于烃的裂化或聚合是非催化性的。
15.权利要求1的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括通过所述至少一个炭黑产生原料供给管线周期性地进料包括用于碳的氧化剂的吹扫气体。
16.权利要求1的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括将该预热的炭黑产生原料注入到该炭黑反应器中且至少部分地闪蒸该炭黑产生原料。
17.权利要求1的方法，进一步包括将该预热的炭黑产生原料和该经加热的气流在所述炭黑反应器中组合以在该反应器中连续至少12小时地形成炭黑。
18.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
向至少一个加热器供给至少一种具有低于360℃的第一温度的炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到360℃-850℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有1m/秒以上的速度，其中基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积计算速度，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有低于120分钟的第一原料停留时间；
将具有360℃或更高的所述温度的所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中具有360℃或更高的所述温度的所述预热的炭黑产生原料具有低于120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至通向所述炭黑反应器的所述引入点；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为10秒-120分钟；由此避免了在所述至少一个加热器中和在向所述炭黑反应器的所述供给之前形成蒸气膜；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取所述反应物流中的所述炭黑，和其中所述炭黑是炉法炭黑且所述炭黑反应器是炉法炭黑反应器，和所述炭黑产生原料具有160-600℃的初沸点。
19.权利要求18的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有大于20巴的压力。
20.权利要求18的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有大于30巴的压力。
21.权利要求18的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压到30巴-180巴的压力。
22.权利要求18的方法，其中所述速度为至少1.6m/秒。
23.权利要求18的方法，其中所述炭黑产生原料包括：澄清油、煤焦油产物、乙烯裂化器残留物、含沥青质的油或它们的任意组合。
24.权利要求18的方法，其中该至少一种炭黑产生原料的所述预热包括在所述加热器中加热所述炭黑产生原料，该加热器具有在大于20kW/m2的平均热通量下操作的热交换器。
25.权利要求18的方法，其中所述预热的至少一部分在所述至少一个加热器中进行，所述加热器所具有的热量至少部分地由通过所述炭黑反应器或其它炭黑反应器或这两者产生的热量提供。
26.权利要求18的方法，其中所述第一停留时间和所述第二停留时间总计低于60分钟。
27.权利要求18的方法，其中所述至少一个加热器与所述炭黑反应器的至少一部分处于热交换。
28.权利要求18的方法，其中所述至少一个加热器在所述炭黑反应器中的淬火器的下游接触所述反应物流，其中所述至少一个加热器包括具有这样的壁的热交换器，在所述壁的第一面上，由所述反应物流加热所述壁，而且，在面对所述炭黑产生原料的所述壁的相对面上，所述壁接触所述炭黑产生原料。
29.权利要求18的方法，其中所述至少一个加热器包括在所述炭黑反应器中与所述反应物流进行热交换的热交换器，其中加热流经该热交换器的能流动的热载体，并使该经加热的能流动的热载体通过所述至少一个加热器，该加热器位于所述反应器的外部并且能操作以使得该能流动的热载体的热量与所述原料进行交换，从而加热所述炭黑产生原料。
30.权利要求18的方法，其中所述至少一个加热器至少部分地是热量源自来自所述炭黑反应器或不同的炭黑反应器或这两者的炭黑尾气的，以用于加热所述炭黑产生原料。
31.权利要求18的方法，进一步包括在所述至少一个加热器的炭黑产生原料接触壁上和在将所述预热的炭黑产生原料供给到所述炭黑反应器中的至少一个原料供给管线的内壁上提供非催化性表面，其中该表面对于烃的裂化或聚合是非催化性的。
32.权利要求18的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括通过所述至少一个炭黑产生原料供给管线周期性地进料包括用于碳的氧化剂的吹扫气体。
33.权利要求18的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括将该预热的炭黑产生原料注入到该炭黑反应器中且至少部分地闪蒸该炭黑产生原料。
34.权利要求18的方法，进一步包括将该预热的炭黑产生原料和该经加热的气流在所述炭黑反应器中组合以在该反应器中连续至少12小时地形成炭黑。
35.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
向至少一个加热器供给至少一种具有低于450℃的第一温度的炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于450℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有1m/秒以上的速度，其中基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积计算速度，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有10秒-120分钟的第一原料停留时间；
将具有大于450℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中具有大于450℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料具有低于120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至通向所述炭黑反应器的所述引入点；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为120分钟或更低；由此避免了在所述至少一个加热器中和在向所述炭黑反应器的所述供给之前形成蒸气膜；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取所述反应物流中的所述炭黑，和其中所述炭黑是炉法炭黑且所述炭黑反应器是炉法炭黑反应器，和所述炭黑产生原料具有160-600℃的初沸点。
36.权利要求35的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有20巴-180巴的压力。
37.权利要求35的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压以具有30巴-180巴的压力。
38.权利要求35的方法，进一步包括在进入所述至少一个加热器之前将所述炭黑产生原料加压到40巴-180巴的压力。
39.权利要求35的方法，其中所述速度为至少1.6m/秒。
40.权利要求35的方法，其中所述炭黑产生原料包括：澄清油、煤焦油产物、乙烯裂化器残留物、含沥青质的油或它们的任意组合。
41.权利要求35的方法，其中该至少一种炭黑产生原料的所述预热包括在所述加热器中加热所述炭黑产生原料，该加热器具有在20kW/m2-150kW/m2的平均热通量下操作的热交换器。
42.权利要求35的方法，其中所述预热的至少一部分在所述至少一个加热器中进行，所述加热器所具有的热量至少部分地由通过所述炭黑反应器或其它炭黑反应器或这两者产生的热量提供。
43.权利要求35的方法，其中所述第一停留时间和所述第二停留时间总计低于60分钟。
44.权利要求35的方法，其中所述至少一个加热器与所述炭黑反应器的至少一部分处于热交换。
45.权利要求35的方法，其中所述至少一个加热器在所述炭黑反应器中的淬火器的下游接触所述反应物流，其中所述至少一个加热器包括具有这样的壁的热交换器，在所述壁的第一面上，由所述反应物流加热所述壁，而且，在面对所述炭黑产生原料的所述壁的相对面上，所述壁接触所述炭黑产生原料。
46.权利要求35的方法，其中所述至少一个加热器包括在所述炭黑反应器中与所述反应物流进行热交换的热交换器，其中加热流经该热交换器的能流动的热载体，并使该经加热的能流动的热载体通过所述至少一个加热器，该加热器位于所述反应器的外部并且能操作以使得该能流动的热载体的热量与所述原料进行交换，从而加热所述炭黑产生原料。
47.权利要求35的方法，其中所述至少一个加热器至少部分地是热量源自来自所述炭黑反应器或不同的炭黑反应器或这两者的炭黑尾气的，以用于加热所述炭黑产生原料。
48.权利要求35的方法，进一步包括在所述至少一个加热器的炭黑产生原料接触壁上和将所述预热的炭黑产生原料供给到所述炭黑反应器中的至少一个原料供给管线的内壁上提供非催化性表面，其中该表面对于烃的裂化或聚合是非催化性的。
49.权利要求35的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括通过所述至少一个炭黑产生原料供给管线周期性地进料包括用于碳的氧化剂的吹扫气体。
50.权利要求35的方法，其中所述供给包括通过至少一个原料供给管线进料所述预热的炭黑产生原料，将所述原料供给至所述炭黑反应器，而且所述方法进一步包括将该预热的炭黑产生原料注入到该炭黑反应器中且至少部分地闪蒸该炭黑产生原料。
51.权利要求35的方法，进一步包括将该预热的炭黑产生原料和该经加热的气流在所述炭黑反应器中组合以在该反应器中连续至少12小时地形成炭黑。
52.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
在大于10巴的第一压力下，向至少一个加热器供给至少一种具有低于300℃的第一温度的炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于400℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有与所述第一压力相同或低于所述第一压力的第二压力，所述第二压力的计算基于这样的假设——原料在第一压力和第二压力期间均在相同的横截面积中进行传输，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有低于120分钟的第一原料停留时间；
将具有大于400℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中具有大于400℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料具有低于120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至刚好到通向所述炭黑反应器的所述引入点之前；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为120分钟或更低；其中在大于400℃的温度下在所述压力下供给所述预热的炭黑产生原料避免了在所述至少一个加热器中和在向所述炭黑反应器的所述供给之前形成蒸气膜；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取所述反应物流中的所述炭黑，和其中所述炭黑是炉法炭黑且所述炭黑反应器是炉法炭黑反应器，和所述炭黑产生原料具有160-600℃的初沸点。
53.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
在大于10巴的第一压力下，向至少一个加热器供给至少一种具有低于300℃的第一温度的炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于300℃的第二温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：i)该至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有与所述第一压力大致相同或低于所述第一压力的第二压力和ii)该至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有1m/秒以上的速度，其中速度的计算基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积和其中i)的计算基于原料在第一压力和第二压力期间均在相同的横截面积中进行传输；和
将具有大于300℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中在大于300℃的温度下在所述压力下供给所述预热的炭黑产生原料避免了在所述至少一个加热器中或在向所述炭黑反应器的所述供给之前形成蒸气膜；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取所述反应物流中的所述炭黑，和其中所述炭黑是炉法炭黑且所述炭黑反应器是炉法炭黑反应器，和所述炭黑生产原料具有160-600℃的初沸点。
54.权利要求1-53中任一项的方法，其中所述预热和所述供给基于稳态操作条件且不存在失控的压力降。
55.炭黑生产装置，其包括：
反应器，其用于将经加热的气流与至少一种炭黑产生原料组合以形成反应物流，其中，在所述反应器中形成炭黑；
至少一个原料供给管线，其用于将所述炭黑产生原料供给至通向所述反应器的至少一个原料引入点，以使所述原料与所述经加热的气流组合；
至少一个原料加热器，能够对其进行操作以将在所述至少一个原料供给管线中供给的所述炭黑产生原料预热到至少300℃的温度；
至少一个泵，能够对其进行操作以使得在将所述炭黑产生原料预热到至少300℃之前，将该原料加压到大于约10巴的压力，而且其用于提供至少0.2m/秒的在所述至少一个原料加热器中供给的所述原料的原料速度，其中速度的计算基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积；和
淬火器，其用于冷却所述反应物流中的所述炭黑；
其中，能够对所述装置进行进一步操作以向所述预热到至少300℃的原料提供在引入至所述反应器之前的在所述至少一个原料加热器和所述至少一个原料供给管线中的原料停留时间，该停留时间低于120分钟。
56.权利要求55的装置，其中所述至少一个原料加热器包括热交换器，能够对其进行操作以使得以大于10kW/m2的平均热通量来加热所述炭黑产生原料。
57.权利要求的55的装置，其中，该至少一个原料加热器位于能够与所述反应物流接触的所述反应器内，能够对所述原料加热器进行操作以将所述原料加热到至少300℃的温度。
58.权利要求55的装置，其中，该至少一个原料加热器设置成与所述反应器的至少一部分接触，能够对所述原料加热器进行操作以将所述原料加热到至少300℃的温度。
59.权利要求55的装置，其中该至少一个原料加热器包括位于所述反应器内的所述淬火器的下游处的热交换器，其中，所述热交换器包括这样的壁，该壁适于在其第一面上由所述反应物流进行加热并且适于在其相对面上与尚未供给至所述至少一个原料供给管线的原料接触，其中该原料在该热交换器中能够加热到至少300℃的温度。
60.权利要求55的装置，进一步包括用于能流动的热载体的热交换器，其位于能够与所述反应物流接触的所述反应器内，而且，所述至少一个原料加热器在所述反应器的外部并能够操作以使得已经离开该热交换器的该能流动的热载体的热量与在该原料加热器中的该原料进行交换，从而将该原料加热到至少300℃的温度。
61.权利要求55的装置，其中能够操作该至少一个原料加热器以交换来自该反应器的尾气流的热量，从而将该原料加热到至少300℃的温度。
62.权利要求55的装置，进一步包括能够操作以加热能等离子加热的气流的等离子加热器，用于提供所述经加热的气流的至少一部分。
63.权利要求55的装置，进一步包括在该原料加热器的原料接触壁和该至少一个原料供给管线的原料接触内壁上的非催化性表面，其中该表面对于烃的裂化或聚合是非催化性的。
64.权利要求55的装置，进一步包括在该原料加热器的原料接触壁和该至少一个原料供给管线的原料接触内壁上的非催化性的陶瓷衬里。
65.权利要求55的装置，进一步包括：包括用于碳的氧化剂的吹扫气体的至少一个源、以及在所述至少一个原料供给管线上的至少一个吹扫气体引入点，能够对其进行操作以用所述吹扫气体周期性地吹扫所述至少一个原料供给管线。
66.权利要求55的装置，其中能够对所述反应器进行操作以将原料和经加热的气流组合以在该反应器中连续至少12小时地形成炭黑。
67.炭黑生产方法，包括：
将经加热的气流引入到炭黑反应器中；
向至少一个加热器供给至少一种炭黑产生原料；
将所述至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中预热到大于300℃的温度以提供预热的炭黑产生原料，其中：(a)该至少一种炭黑产生原料在所述至少一个加热器中具有1m/秒以上的速度，其中速度的计算基于在60℃、1大气压下测得的原料密度和和存在于所述至少一个加热器中的原料管线的最小横截面积，和(b)该至少一种炭黑产生原料在所述加热器中具有低于120分钟的第一原料停留时间；
将具有大于300℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料供给到通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点，其中具有大于300℃的所述温度的所述预热的炭黑产生原料具有低于120分钟的第二原料停留时间，该第二原料停留时间为从离开所述至少一个加热器至刚好到通向所述炭黑反应器的所述引入点之前；并且其中所述第一原料停留时间和所述第二原料停留时间总计为120分钟或更低；其中在大于300℃的温度下的所述预热的炭黑产生原料是在足以避免在所述至少一个加热器中和在向所述炭黑反应器的所述供给之前形成蒸气膜的压力下；
至少将通过通向所述炭黑反应器的所述至少一个引入点的所述预热的炭黑产生原料与该经加热的气流组合以形成反应物流，其中，在所述炭黑反应器中形成炭黑；和
收取所述反应物流中的所述炭黑，和其中所述炭黑是炉法炭黑且所述炭黑反应器是炉法炭黑反应器，和所述炭黑产生原料具有160-600℃的初沸点。
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