CZ287335B6 - Process for producing carbon black and apparatus for making the same - Google Patents

Description

Způsob výroby sazí a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby sazí s definovanými fyzikálními vlastnostmi rozkladem uhlovodíkového plynu v rozkladném reaktoru s plazmovým hořákem, podle kterého je do zplodin rozkladu přimícháváno přídavné plynné médium. Vynález se dále týká zařízení k provádění způsobu výroby sazí s definovanými fyzikálními vlastnostmi, tvořeného tepelně izolovaným rozkladným reaktorem s předřazeným plazmovým hořákem napájeným uhlovodíkovým plynem a s dodávacími kanály pro přívod přídavného plynného média, uspořádanými ve stěně reaktoru.

Dosavadní stav techniky

Ve spojení s rozkladem uhlovodíků v plazmových hořácích je znám způsob pro poskytnutí reaktorových komor pro další zpracování produktů reakce nebo produktů rozkladu. Takovéto reaktory jsou známé například pro výrobu acetylénu. Reaktorové komory byly též použity ve spojení s výrobou sazí a vodíku, kdy byly nasazeny speciální teploty pro dosažení zvláštních charakteristik konečného produktu. Ze spisů EP 0.392.121 a z US 4.213.939 jsou známy reaktoiy pro výrobu sazí tradičním způsobem výroby, který spočívá ve spalování uhlovodíků pomocí dodávky vzduchu. Reaktory sestávají ze spalovací komory, zúžené sekce a reakční komory s ní sdružené. Zúžená sekce a reakční komora jsou vybaveny dodávacími kanály procházejícími stěnami pro vpouštění přívodního materiálu. Ze spisu GB 1.400.266 je znám způsob výroby sazí pyrolýzou uhlovodíků v plazmovém reaktoru. Plazmový reaktor je vybaven dvěma válcovými elektrodami uspořádanými koaxiálně jedna proti druhé. Uhlovodíkový plyn je používán jako plazma vytvářející plyn a je hnán axiálně reaktorem. Vsázka uhlovodíku je ve formě kapalné nebo plynné přiváděna do plazmového proudu tak, že může být dosaženo vyššího využití tepla plazmy a je dosaženo zvýšeného výtěžku produktu. V dolní části plazmového reaktoru je dodáván druhý proud uhlovodíků za účelem snížení růstu částic sazí. Uhlovodíky takto dodávané nejsou předehřátý a nejsou využity pro získání řízených tepelných zón v plazmovém reaktoru. Spis GB 1.400.266 ukazuje způsob a plazmový reaktor pro výrobu sazí, podle kterého je plazmový reaktor navržen se dvěma válcovitými elektrodami uspořádanými koaxiálně jedna proti druhé. Uhlovodíky jsou dodávány na jednom konci reaktoru pro vytváření plazmy ajsou poté vedeny axiálně plazmovým reaktorem. Uhlovodíky mohou být dodávány také přívody blízko středu plazmového reaktoru, aby bylo dosazeno lepšího využití tepla plazmy a přívody v blízkosti dna plazmového reaktoru pro temperování a snížení růstu částic sazí. Přívodní materiál není dodáván za účelem získání předem stanoveného rozdělení teploty v reaktoru jako je ukázáno v předloženém vynálezu. Je též znám způsob pro zavedení speciálních plynů podél stěn reaktoru za účelem zamezení tvorby usazenin a za účelem chlazení stěnových ploch. U žádných z těchto známých reaktorů však nebyla docílena dostatečně rovnoměrná jakost vyrobených sazí pokud se týká jejich struktury. To je pravděpodobně způsobeno tvorbou různých libovolných tepelných zón v reaktoru, které jsou výsledkem neřízeného vývoje uhlíku a tím vzniká relativně nespecifikovaná jakost konečného produktu. Zavedením plynu podél stěny reaktoru za účelem zabránění tvorby usazenin došlo k podobným postranním účinkům, jakož i k vytvoření tepelných zón, které měly škodlivý vliv na produkty. Bez těchto plynů však velmi často vznikly problémy s usazeninami na stěnách reaktoru a měly za následek odstavení zařízení pro seškrabání usazenin za účelem opětného zprovoznění reaktoru. Tyto problémy všeobecně vedly k přerušovanému provozu reaktorů s následným zvýšením provozních nákladů. Cílem vynálezu je odstranit nedostatky dosavadního stavu techniky a poskytnout reaktor, kteiý umožňuje lepší řízení obdržených produktů. Dalším cílem tohoto vynálezu je poskytnout reaktor, který může být udržen v trvalém provozu, a u kterého se

- 1 CZ 287335 B6 docílí přísná regulace vyvinuté teploty v celém reaktoru, a kde je možné regulovat jakékoliv příměsi a tím získat produkt o žádané jakosti a fyzikálních vlastnostech.

Podstata vynálezu

Nedostatky dosavadního stavu techniky podstatnou měrou odstraňuje a cíl vynálezu splňuje způsob výroby sazí s definovanými fyzikálními vlastnostmi rozkladem uhlovodíkového plynu v rozkladném reaktoru s plazmovým hořákem, podle kterého se do zplodin rozkladu přimíchává přídavné plynné medium podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se zplodiny rozkladu podrobují reakci s uhlovodíkovým plynem, který se přidává v definovaném množství a s definovanou teplotou postupně podél toku zplodin rozkladu pro vytváření tepelného spádu v reaktoru ve směru toku zplodin reakce od teploty 2000 °C až 1000 °C v oblasti prostoru reaktoru přilehlé plazmovému hořáku do teploty pod 1000 °C v oblasti reaktoru protilehlé plazmovému hořáku. S výhodou se může uhlovodíkový plyn před přidáním předehřívat, zplodiny rozkladu se mohou podrobovat reakci s plynem stejného druhu jako uhlovodíkový plyn tvořící plazmu nebo se mohou podrobovat reakci se zemním plynem. Nedostatky dosavadního stavu techniky podstatnou měrou odstraňuje a cíl vynálezu splňuje též zařízení k provádění způsobu výroby sazí s definovanými fyzikálními vlastnostmi, tvořené tepelně izolovaným rozkladným reaktorem s předřazeným plazmovým hořákem napájeným uhlovodíkovým plynem a s dodávacími kanály pro přívod přídavného plynného média, uspořádanými ve stěně reaktoru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že dodávacím kanálům uspořádaným ve stěnách rozkladného reaktoru podél toku zplodin rozkladu jsou přiřazeny ventily pro dodávku přídavného média a teplotní kontrolní přístroje pro regulaci teplotního spádu v reaktoru od 1000 °C až do 2000 °C v oblasti prostoru reaktoru přilehlé plazmovému hořáku do teploty pod 1000 °C v oblasti prostoru reaktoru protilehlé plazmovému hořáku. Uhlovodíkový plyn je dodáván do reaktoru jako předehřátý. V horní části reaktoru může mít plyn teplotu mezi 1000° C - 2000° C. S rostoucí vzdáleností od plazmového oblouku může být přiváděn plyn nižší teploty než 1000° C. Přívodní materiál může být vháněn četnými dodávacími kanály (4) pro získání předem stanoveného rozdělení teploty v komoře reaktoru. Předložený vynález ukazuje způsob a zařízení pro řízení růstu částic sazí pomocí řízení a vhánění uhlovodíkového plynu nebo topného plynu do reakční komory, do které jsou dodávány produkty rozkladu z připojené komory, v níž pracuje plazmový oblouk. Je to znak reakční komory, do které může být dodáván přídavný uhlovodík nebo topný plyn řízeným způsobem, který je řízen z hlediska teploty a/ nebo průtočného množství, takže zajišťuje vynikající výsledky tohoto vynálezu. Zejména je vybrána řada dodávacích kanálů tak, aby mohlo být dosaženo řízeného přidávání dodávaného uhlovodíkového plynu nebo topného plynu v rozsahu vícero oblastí uvnitř reaktoru. Horký přívodní materiál z uhlovodíků, dodávaný kanály, je rozložen na částice uhlíku, které se ukládají na částicích uhlíku vytvořených z plazmového oblouku a vytváří částice mající řízené fyzikální vlastnosti a speciální strukturu. Toto může být prováděno v různých zónách podél reaktoru speciálním rozvržením teploty. U reaktoru podle vynálezu se využívá možnosti řízení jak dodávky přídavných výchozích materiálů do vlastní reaktorové komory, tak i tepelných podmínek. Je též dána možnost dodávky žádoucích příměsí do konečného produktu reaktoru. S překvapením bylo zjištěno, že příměsi přídavných výchozích materiálů, tj. uhlovodíkového plynu do komory reaktoru, lze regulovat strukturu vyrobených sazí. Uhlovodík rozkládaný v reaktoru je přednostně zemní plyn nebo metan, které tvoří velmi čistou uhlovodíkovou směs, takže se v reaktoru v prvé řadě získá zcela čistý uhlík a vodík. Saze vytvořené v hořáku proudí do reaktorové komory, ve které se rozdělí. Podle vynálezu se dodává přídavný zemní plyn nebo metan, které mohou být předehřátý na požadovanou teplotu, např. vstupem do stěny reaktoru nebo výměnou tepla s výrobním tokem proudícím z prostoru reaktoru. Tento metan je rozložen v reaktoru podobným způsobem jako metan přiváděný z hořáku, ale jelikož se zde nachází rozdíl teploty, tyto již vytvořené částice sazí se budou chovat jako zárodky, na nichž se usadí rozložený uhlík dodaný stěnou reaktoru a zárodky vyrostou ve větší částice sazí nebo uhlíku. Toto usazení nebo růst uhlíkových částic

-2CZ 287335 B6 lze regulovat řízením množství uhlovodíků dodávaných do reakční komory, regulací přiváděné teploty pro přídavný uhlíkový materiál a příměsi v několika zónách o různých teplotách, čímž se vyvolá vývoj struktury na zárodku uhlíku z plazmového hořáku. Toto záměrné řízení tepelných podmínek, přimíšení a místo přimíšení poskytují možnost seřízení přesných podmínek tvorby struktury vyrobených sazí. Mechanismus řízení v reaktorové komoře může rovněž být takového charakteru, že bude žádoucí nedodávat další uhlovodíkový plyn do reaktorové komory, ale jen ovlivnit teplotu takovým způsobem, že vyrobené saze udrží svoji strukturu tím, že se nechají zchladnout požadovanou rychlostí na své cestě reakční komorou, takže nejsou neřízené nebo škodlivě ovlivněny změnou teploty. Obdobně lze do komory reaktoru zavést příměsi, které se budou rovněž usazovat na sazích a tím poskytnout žádaný účinek s ohledem na aplikační oblasti těchto sazí.

Přehled obrázků na výkrese

Způsob výroby uhlíku s definovanými fyzikálními vlastnostmi a zařízení k provádění tohoto způsobuje osvětleno pomocí výkresu, který schematicky objasňuje konstrukční princip reaktoru podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Na výkrese je naznačena základní koncepce reaktorové komory. Vlastní rozkladný reaktor je všeobecně naznačen vztahovou značkou L Plazmové hořáky jsou označeny vztahovou značkou 2 a produkty rozkladu vstupující do reaktoru, tj. saze a vodík, jsou všeobecně označeny šipkami a vztahovou značkou 3. Produkty rozkladu se rozdělí v reaktoru a uhlíková složka bude ovlivněna a vyvinuta stávajícími tepelnými podmínkami. Na obrázku je znázorněn základní koncept komory reaktoru, který by měl umožnit průměrnému odborníkovi, aby zkonstruoval technická řešení za pomoci běžných prostředků, jak je zde znázorněno, podstata reaktoru zahrnuje v zásadě dva hlavní komponenty, sice plazmový oblouk a reakční komoru. Je zřejmé, že tato reakční komora může být rovněž rozdělena do vícero sekcí, pokud by to bylo považováno za žádoucí, dále jsou na konci reakční komory obráceném k plazmovému hořáku výstupní prostředky pro produkty reakce. Znázorněný rozkladný reaktor je všeobecně označen vztahovou značkou _1. Plazmový hořák je označen vztahovou značkou 2 a produkty rozkladu vstupující do reaktoru, saze a vodík jsou označeny vztahovou značkou 3, označenou zde šipkami. Produkty rozkladu se samy rozšíří v reaktoru a uhlíkové komponenty budou ovlivněny a vyvíjeny převládajícími teplotními podmínkami. Boční stěny reaktoru jsou opatřeny vstupními potrubími pro přídavné uhlovodíkové plyny stejného druhu jako hlavní zaváděné médium. Tyto plyny jsou předehřívány a jejich teplota se může pohybovat mezi 1000 °C a 2000° C v horní oblasti prostoru, zatím co chladnější plyny mohou být zavedeny do nižší části reaktoru. Vstupní potrubí jsou označena vztahovou značkou 4. Těmito přívodními potrubími nebo tryskami lze rovněž dodávat příměsi nebo jen topné plyny, jako např. vodík, za účelem udržení speciálních tepelných podmínek v reaktoru. Horké uhlovodíkové plyny proudící do reaktoru z boku budou rovněž rozloženy a vyrobené saze se budou usazovat na zárodkových sazích z plazmového hořáku a tyto opět vyrostou. Nastavením teploty pro zavedení přídavných plynů lze rovněž regulovat růst a tím fyzikální vlastnosti vytvořených sazí. To lze provést v rozličných zónách podél reaktoru nastavením teploty. Příměsi zaváděné takovýmito přívodními potrubími se též usadí na sazích, čímž se docílí požadovaného účinku. Požadují-li se speciální vlastnosti založené na speciálních tepelných podmínkách, lze vynechat přísun uhlovodíků přívodními potrubími a učinit opatření jen pro dodržení specifických tepelných zón pro produkty rozkladu, přicházející z plazmového hořáku. Pomocí reaktoru podle vynálezu je možné docílit speciální struktury a fyzikální vlastnosti vyrobených sazí, což umožňuje dosažení speciálního výrobku upraveného pro následné aplikace. Shora uvedený popis kryje jen principy konstrukce takového reaktoru a způsob

výroby sazí o speciálních vlastnostech. Z uvedeného je zřejmé, že v rámci vynálezu lze vytvořit mnoho dalších modifikací.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby sazí s definovanými fyzikálními vlastnostmi rozkladem uhlovodíkového plynu v rozkladném reaktoru s plazmovým hořákem, podle kterého se do zplodin rozkladu přimíchává přídavné plynné médium, vyznačující se tím, že zplodiny rozkladu se podrobují reakci s uhlovodíkovým plynem, který se přidává v definovaném množství a s definovanou teplotou postupně podél toku zplodin rozkladu pro vytváření tepelného spádu v reaktoru ve směru toku zplodin reakce od teploty 2000 °C až 1000 °C v oblasti prostoru reaktoru přilehlé plazmovému hořáku do teploty pod 1000 °C v oblasti reaktoru protilehlé plazmovému hořáku.
2. 2. Způsob výroby sazí podle nároku 1, vyznačující se tím, že uhlovodíkový plyn se před přidáním předehřívá.
3. 3. Způsob výroby sazí podle nároku 1, vyznačující se tím, že zplodiny rozkladu se podrobují reakci s uhlovodíkovým plynem stejného druhu jako uhlovodíkový plyn tvořící plazmu.
4. 4. Způsob výroby sazí podle nároku 1, vyznačující se tím, že zplodiny rozkladu se podrobují reakci se zemním plynem.
5. 5. Zařízení k provádění způsobu výroby podle nároků 1 až 4 tvořené tepelně izolovaným rozkladným reaktorem s předřazeným plazmovým hořákem napájeným uhlovodíkovým plynem a s dodávacími kanály pro přívod přídavného plynného média, uspořádanými ve stěně reaktoru, vyznačující se tím, že dodávacím kanálům (4) uspořádaným ve stěnách rozkladného reaktoru (1) podél toku zplodin rozkladu, jsou přiřazeny ventily pro dodávku přídavného média a teplotní kontrolní přístroje pro regulaci teplotního spádu v reaktoru (1) od 1000 °C až do 2000 °C v oblasti prostoru reaktoru (1) přilehlé plazmovému hořáku (2) do teploty pod 1000 °C v oblasti prostoru reaktoru (1) protilehlé plazmovému hořáku (2).