CN1159465A - 炭黑的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产炭黑的方法，更具体地说，本发明涉及用油炉生产炭黑的方法，其中，用于终止产生炭黑的反应的冷却介质是气体。

Description

炭黑的生产方法
本发明涉及生产炭黑的方法。更具体地说，本发明涉及用油炉法生产炭黑的方法，通过该方法可以以高产率获得小颗粒炭黑。
生产炭黑的油炉法通常用这样的炉进行，即该炉包括：第一反应区，在该区燃料在空气或含氧的气体中燃烧，并产生原料烃热解所必需的高温；第二反应区与该第一反应区相邻，在该区原料烃被引入，以引起产生炭黑的反应；和位于该第二反应区下游的第三反应区，在该区冷却介质被引入，以终止产生炭黑的反应。
水雾通常被用作上述方法中的冷却介质，因为它容易控制且冷却效率高，其它冷却介质都不能这样被有效地使用。
例如，在公开号平7-102185(1995)的待审查的日本专利申请中，在原料烃的喷射点与冷却点之间，引入氮浓缩的空气，然而引入氮浓缩空气的目的是控制炭黑的质量，而最终的冷却与往常一样是用水进行的。除了用水以外该申请没有公开其它的冷却方法。
因此，本发明的目的是确定用于第三反应区的最佳冷却介质，以及为了获得小颗粒炭黑引入该冷却介质的方法。
为解决上述问题，本发明人对冷却介质以及将其引入炉中的方法进行了研究，意外地发现，用气体介质冷却有利于获得比通常用水冷却更高的产率。即，本发明人用各种终止反应的介质进行研究，并发现虽然用水冷却有容易进行的优点，但也存在使炭黑气化(它使炭黑产率降低)增加的缺点。本发明人认为这是因为在水引入点附近，水蒸汽浓度变高，并且该冷却方法的温度条件使气化炭黑的反应(例如水气反应)增加。本发明人还认为用水终止产生炭黑的反应引起水滴汽化延迟以及水与第二反应区的高温气体有效混合的问题，从而使反应终止不均匀。
本发明人还发现，沿着与炉轴垂直的方向引入冷却介质可以改善终止反应的效果，可以以高产率获得小颗粒炭黑，从而实现本发明。即，本发明涉及在油炉中进行的生产炭黑的方法，该油炉包括：第一反应区，在该区燃料与空气或含氧的气体被燃烧，产生高温气体；与第一反应区相邻的第二反应区，在该区原料烃被引入，以引起产生炭黑的反应；和第三反应区，在该区炉内气氛被淬冷以终止产生炭黑的反应，其中用于第三反应区的终止反应的介质是气体。
现在将详细描述本发明。
本发明通过油炉法进行，即在油炉中进行，该油炉包括：第一反应区，在该区燃料与空气或含氧的气体被燃烧，产生高温气体；与第一反应区相邻的第二反应区，在该区原料烃被引入，以引起产生炭黑的反应；和第三反应区，在该区炉内气氛被淬冷以终止产生炭黑的反应。这里可以使用通常所使用的油炉。
在第一反应区的炉内部，燃料(气体或液体)燃烧产生高温。这样，在第二反应区产生炭黑的高温能以高温气体流的形式产生。这里，为获得小颗粒炭黑，优选在使燃料的火焰温度尽可能接近理论火焰温度的空气比下进行该燃烧反应。
第一反应区的高温气流通过混合燃料烃(气体或液体)和含氧气体(如空气、氧或其混合物)，并使燃料烃燃烧而产生。作为燃料，可以使用氢气、一氧化碳、甲烷、天然气、煤气以及石油类液体燃料如煤油、汽油、石脑油、重油等，煤类液体燃料如杂酚油、萘油、碳酸油。
在第二反应区，被引入的原料烃与来自第一反应区的高温气流反应产生炭黑。这里湍流是快速气化被引入的原料烃所必需的，为了获得该湍流，采取如形成节流或阻塞高速区的手段。
作为原料烃，适合使用芳香烃如苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽(anthrathene)，煤类液体燃料如杂酚油、萘油、碳酸油，石油类油如烯烃重质馏分油、FCC油等，炔烃，烯烃如乙烯、丙烯，脂族烃如戊烷、己烷等。
在第三反应区，炉内气氛被淬冷，以致产生炭黑的反应终止。在本发明中，用气体作为终止反应的介质。在被引入炉中时为气体状态的那些介质都可以使用。优选使用惰性气体如氮气。也优选使用不含水或含水不超过20％重量的气体，例如，适合使用除去炭黑后的炉气(多于20％重量的水蒸汽已被除去，或含有不超过20％重量水蒸汽)、二氧化碳，或其它工业上生产的或副产的气体(不含水或含有不超过20％的水)。用这些介质作为终止反应的介质，可以降低第三反应区中水蒸汽的浓度，并且可以减少炭黑的气化。另外，本发明终止反应的气体中水含量优选不超过15％重量，更优选不超过10％重量。
为了得到小颗粒且小分布范围的炭黑，必须进行非常快的淬冷，为了此目的，被引入的终止反应的气体必须快速混到来自第二反应区的高温气体流中。为实现该目的，将终止反应的气体沿着几乎与炉轴垂直的方向引入，并在至少两个点同时引入，优选不少于4个点。为此目的，终止反应的气体可以通过例如位于炉的不同位置的多个喷管或喷管上的多个喷孔被引入。此外，为了加速混合和提高冷却作用，将终止反应的气体引入到第三反应区的速度优选快于来自第二反应区的高温气流的速度，更优选的是，来自第二反应区的高温气流的速度为20-30米/秒，引入到第三反应区的终止反应的气体喷射速度至少为40米/秒。将第三反应区控制在这样的条件下，可以减少不必要的炭黑气化，并且可以实现快速淬冷。
含炭黑的冷却气流通过烟道被引入旋风分离器或布袋集尘器，气体和炭黑同往常一样被分开并收集。所收集的炭黑可以根据不同的目的进行后处理。
现在将参照实施例详细描述本发明。然而，应理解本发明不局限于这些具体的实施例。
用图1所示的生产设备，用具有表1和表2所示的组成和性质的燃料和原料烃，在表3所示的条件下生产出各种炭黑。表3列出了所得炭黑的性质即碘吸收值、SEM、和标准偏差，以及相对原料烃的产率。
图2描述了图1所述设备的一部分，主要描述了引入终止反应的介质的设备。图3描述了图2所示的本发明引入终止反应的介质的设备(从第一反应区侧面所观察到的)。图4示出了用于引入本发明终止反应的介质设备的另一个例子的横向横断面视图。图5示出了图4所示的本发明的设备的A-A横断面视图。图6和图7示出了分别从第一反应区侧面和第一反应区的背面所观察到的图4和图5所示的设备。
在这些图中，1是第一反应区，2是第二反应区，3是第三反应区，4是引入燃料的喷管，5是引入含氧气体的喷管，6是引入原料烃的喷管，7是引入终止反应的介质的喷管，8是喷射终止反应的介质的孔，9是引入高温气体的导管，10是炉壁。
    表1：原料烃的性质
    类型    杂酚油
比重(15℃)     1.1
碳含量(重量％)     90.8
氢含量(重量％)     6.1
粘度(50℃)     10cp
              表2：燃料
          类    型    煤气
  组    成(体积％)     CO2     2
    O     0.5
    CnHm     3.2
    CO     6.5
    H2     54
    CH4     28.6
    N2     5.2
                      表3：生产条件以及所得炭黑的性质
对比实施例1 实施例1 实施例2
空气量(Nm3/H) 800  800  800
燃料量(Nm3/H) 145  145  145
原料烃量(kg/H) 70  58  55
终止反应的条件 终止反应的介质种类 水  氮气  氮气
引入介质的点 340mm  340mm  340mm
所引入的介质量 150kg/H  200m3/H  500m3/H
碘吸收值(mg/g) 232  233  240
SEM(m2/g) 170  180  185
σ(μ) 4.6  4.2  4
相对于原料烃的产率(％) 23  28  25
实施例1，2
在表3所示的条件下获得炭黑。燃料和空气分别由喷管4和5被引入，高温气流在第一反应区1产生。原料烃由喷管6被引入，并在第二反应区引起产生炭黑的反应。然后，将氮气由喷管7引入并由孔8喷出。引入烃的喷管6的端部与孔8间的距离是340毫米。
所得到的炭黑的性质列于表3。对比实施例1
在表3所示的条件下获得炭黑。所进行的反应与实施例1，2没有太大的区别，不同的是用水作为终止反应的介质，得到具有相似碘吸收值的炭黑。值得注意的是，当得到相似的碘吸收值时，产率要比实施例1，2低。因此，在实施例1中，以比对比实施例高的产率获得高SEM，即小颗粒的炭黑。在实施例2中，用比实施例1多的终止反应的气体生产炭黑，以高产率获得具有更高SEM的炭黑。
综上所述，用气体作为终止反应的介质，并控制该介质与来自第二反应区的高温气体进行充分反应的条件，可以以高产率获得小颗粒的炭黑。试验方法：(1)碘吸收
按照JISK6221-1982进行测定(2)σ，SEM
将炭黑样品放入氯仿中，用200KHz的超声波照射并分散，然后将分散的样品装在基片上。通过电子显微镜观察该样品，并计算出用mμ(毫微米)表示的平均表面直径(∑nd3/∑nd2)和标准偏差(σ)。然后通过下式得到SEM(m2/g)：
SEM(m2/g)＝6000/(1.86×Da)
其中，Da是平均表面直径。
根据本发明，可以以高产率获得小颗粒的炭黑。

Claims (7)

1.一种在油炉中进行的生产炭黑的方法，该油炉包括：第一反应区，在该区通过燃烧燃料和空气或含氧的气体而产生高温气体；第二反应区，在该区原料烃被引入，并产生炭黑；和第三反应区，在该区气体被淬冷以终止产生炭黑的反应，其中终止产生炭黑的反应的介质是气体。
2.根据权利要求1的方法，其中终止反应的介质不含水或含水不超过20％。
3.根据权利要求1或2的方法，其中终止反应的介质是惰性气体。
4.根据权利要求1或2的方法，其中终止反应的介质沿着与炉轴垂直的方向被引入。
5.根据权利要求1或2的方法，其中引入终止反应的介质的速度比高温气体流由第二反应区流向第三反应区的速度快。
6.根据权利要求1或2的方法，其中高温气体流由第二反应区流向第三反应区的速度是20米/秒-30米/秒，引入终止反应的介质的速度不小于40米/秒。
7.根据权利要求1或2的方法，其中终止反应的介质被引入一次以上。
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