FR3132303A1 - Procédés de fabrication de noirs de carbone à partir de matières premières à faible rendement et produits issus de ceux-ci à l’aide de processus au plasma ou à chauffage électrique - Google Patents
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Abstract
Des procédés de fabrication de noir de carbone à partir de matières premières de noir de carbone à faible rendement sont décrits à l’aide d’un processus qui implique l’utilisation d’une énergie électrique pour provoquer la formation de noir de carbone à partir d’une ou de plusieurs matière(s) première(s) de noir de carbone. Les noirs de carbone produits à partir de ces matières premières de noir de carbone sont en outre décrits. Les avantages obtenus avec les procédés sont en outre décrits.
Description
La présente invention concerne des procédés de fabrication de noir de carbone à partir de matières premières alternatives fournissant du noir de carbone, qui, dans de nombreux cas, peuvent comprendre des matières premières gazeuses et/ou à faible rendement. Plus spécifiquement, la présente invention concerne des procédés de fabrication de noirs de carbone qui utilisent des processus au plasma ou à chauffage électrique. La présente invention concerne en outre des noirs de carbone formés à partir de matières premières alternatives qui produisent du noir de carbone qui comprennent des matières premières gazeuses et/ou à faible rendement.
Le noir de carbone est utilisé pour modifier les propriétés mécaniques, électriques et optiques dans des compositions. Les noirs de carbone et autres charges sont utilisés comme pigments, matières de remplissage et/ou agents de renforcement pour le mélange et la préparation de compositions utilisées dans les applications de caoutchouc, de plastique, de papier ou de textile. Les propriétés du noir de carbone ou d’autres charges constituent des facteurs importants dans la détermination des différentes caractéristiques de performances de ces compositions. Les compositions élastomères sont principalement utilisées pour la fabrication de pneumatiques et des ingrédients supplémentaires sont souvent ajoutés afin de transmettre des propriétés spécifiques au produit fini ou à ses composants. Les noirs de carbone sont utilisés pour modifier les propriétés fonctionnelles, la conductivité électrique, la rhéologie, les propriétés de surface, la viscosité, les apparences et d’autres propriétés dans les compositions élastomères et d’autres types de compositions.
Le processus traditionnel et le plus courant pour la production industrielle de noirs de carbone est le processus en four. Lors de ce processus, une première matière première qui contient du carbone liquide, comme les graisses de décantation, est injectée dans un flux gazeux chaud brûlé ou en combustion pauvre en combustible. Certaines des matières premières se pyrolysent afin de produire du noir de carbone et des sous-produits (principalement de l’hydrogène) ; le reste s’oxyde afin de produire du CO, du CO2, et du H2O. Les matières premières conventionnelles ou traditionnelles sont les graisses de décantation, les boues huileuses décantées, les graisses d’unités de cokéfaction, un dérivé de goudron de houille, ou un résidu de liquide lourd issu d’un processus de craquage d’éthylène. Ces matières premières de noir de carbone sont simultanément lourdes (gravité spécifique > 1,02), présentent un rapport atomique H:C de 1,23 tout au plus, sont riches en aromatiques (Indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) ≥ 100), et sont des liquides à température et pression ambiantes (ex. : 25°C à 1 atm). Elles sont toutes généralement dérivées de combustibles fossiles.
Les processus de production de noir de carbone à chauffage électrique constituent des alternatives au processus de production de noir de carbone en four, comme cela est décrit dans le brevet U.S. n°1 536 612. Lors de ces processus, de l’électricité est utilisée afin de fournir tout ou partie de l’énergie nécessaire pour provoquer la pyrolyse rapide et à haute température d’une matière première qui contient du carbone en particules de noir de carbone et en sous-produits gazeux. Il s’agit de l’inverse du processus de production en four, lors duquel la combustion partielle d’un combustible fournit cette énergie. Les gaz brûlés sont soit produits dans la matière première qui contient du carbone, soit mélangés directement avec celle afin de provoquer une pyrolyse en noir de carbone. Bien que le processus de production en four domine la production commerciale de noir de carbone, un processus électrique offre un ou plusieurs avantage(s) potentiel(s) par rapport au processus en four.
Un processus électrique peut utiliser de l’électricité renouvelable, à la place de la combustion d’un combustible fossile, ce qui confère à ce processus une empreinte de gaz à effet de serre sensiblement moins élevée par rapport au processus en four. Les processus électriques peuvent présenter un rendement plus élevé de noir de noir de carbone par unité de matière première consommée, ce qui permet de réduire les coûts d’exploitation, par rapport au processus en four. L’utilisation d’une énergie électrique pour fournir tout ou partie de l’énergie nécessaire pour provoquer la pyrolyse peut permettre un meilleur contrôle de l’environnement chimique de phase gazeuse dans lequel le noir de carbone se forme. Étant donné que l’énergie n’a pas besoin de provenir entièrement d’une combustion, l’environnement chimique pendant la formation de particules peut être rendu plus réducteur (en opposition avec l’oxydation). Cela offre un procédé supplémentaire de contrôle de la chimie de surface finale des particules.
Les processus de production de noir de carbone à chauffage électrique ont tendance à utiliser du gaz naturel, de l’éthane, ou des matières premières similaires qui contiennent du carbone en phase gazeuse pour la production de noir de carbone, comme cela est décrit par exemple dans le brevet U.S. n°10 100 200. L’un des inconvénients de ces matières premières en phase gazeuse est leur tendance à produire une structure de très mauvaise qualité pour une surface donnée. Cette structure peut être de trop mauvaise qualité pour pouvoir satisfaire les exigences des grades ASTM pour le renforcement de caoutchouc.
Un autre inconvénient des processus de production de noir de carbone à chauffage électrique est qu’ils utilisent un gaz porteur. Cela est dû au fait que l’exposition directe de surfaces chaudes, activement chauffées, telles que celles produites au niveau d’électrodes, à une matière première qui contient du carbone, peut provoquer une formation rapide de coke et de graves problèmes d’exploitabilité. De plus, de nombreux matériaux d’électrodes peuvent être corrodés en service par les gaz d’hydrocarbures à haute température.
L’utilisation d’un gaz porteur, comme de l’hydrogène, ou de l’argon, résout ces deux problèmes, mais en introduit un autre : le volume du gaz porteur doit être important par rapport à celui de la matière première. Étant donné que des températures élevées sont nécessaires pour produire des surfaces adéquates dans le cadre d’un processus de production de noir de carbone à base d’aérosol, cela signifie qu’une quantité toujours plus importante de gaz doit être utilisée, par rapport à celle de matière première, au fur et à mesure que la surface requise du produit augmente. L’augmentation du volume de gaz porteur fait considérablement augmenter les coûts d’investissement.
Il serait économiquement utile et bénéfique pour l’environnement d’utiliser des matières premières gazeuses, renouvelables, recyclées et/ou durables à faible rendement dans le cadre d’un processus de production de noir de carbone existant. Ces matières premières ne seraient pas nécessairement à base de combustible fossile. Il pourrait s’agir d’éthylène, qui peut être produit à partir de craquage d’éthane ou de bio-éthanol. Il pourrait également s’agir de gaz naturel, qui peut être à base de fossile ou produit à partir de décharges ou de la décomposition de matières organiques. Ces matières premières pourraient également être de l’huile végétale, des huiles dérivées de la pyrolyse de pneumatiques recyclés, de plastiques, de déchets municipaux ou de biomasse, ou du gaz naturel produit à partir de décharges.
Malheureusement, ces matières premières de noir de carbone à faible rendement offrent généralement de mauvais rendements, des surfaces réduites, et/ou des structures de mauvaise qualité dans le cadre d’un processus de production de noir de carbone, par rapport aux matières premières de noir de carbone traditionnellement utilisées. Les performances de ces matières premières dans le cadre d’un processus de production de noir de carbone à chauffage électrique peuvent également être tellement mauvaises qu’il peut être impossible d’obtenir la structure nécessaire pour la plupart des grades ASTM avec celles-ci. La structure maximale qui peut être obtenue avec une surface donnée pour une matière première permet de définir le grade que peut offrir la matière première.
Ainsi, il est nécessaire dans le secteur de proposer une solution qui permette d’utiliser un processus de production de noir de carbone à chauffage électrique qui puisse améliorer considérablement la structure du noir de carbone produit.
Ainsi, il est nécessaire dans le secteur de proposer une solution qui permette d’utiliser un processus de production de noir de carbone à chauffage électrique qui puisse améliorer considérablement la qualité de la structure du noir de carbone produit.
De plus, il est nécessaire dans le secteur de proposer une solution qui permette d’utiliser différentes quantités de matières premières de formation de noir de carbone à faible rendement dans le cadre d’un processus de production de noir de carbone à chauffage électrique existant, et de produire des noirs de carbone comparables à ceux formés à partir de matières premières traditionnelles (ex. : production de noirs de carbone avec des rendements acceptables et/ou des surfaces étendues, et/ou des structures de grande qualité). Il est plus intéressant en termes d’investissement et de ressources de développement d’utiliser un processus de production de noir de carbone à chauffage électrique qui ait recours à ces matières premières à faible rendement, au lieu de développer, de concevoir et de fabriquer un nouveau processus.
RÉSUMÉ DE LA PRÉSENTE INVENTION
RÉSUMÉ DE LA PRÉSENTE INVENTION
L’un des objectifs de la présente invention est de prévoir des procédés de préparation ou de production de noir de carbone à partir de matières premières telles que des matières premières de noir de carbone à faible rendement.
Un autre objectif de la présente invention est de prévoir des procédés de préparation ou de production de noir de carbone à partir de matières premières telles que des matières premières gazeuses.
Un autre objectif de la présente invention est de prévoir des procédés de préparation ou de production de noir de carbone à l’aide d’un processus à chauffage électrique, et d’augmenter considérablement la qualité de la structure du noir de carbone produit.
Un autre objectif de la présente invention est de prévoir des procédés de préparation ou de production de noir de carbone à l’aide d’un processus à chauffage électrique, et de réduire les coûts d’investissement, en obtenant une surface donnée à une température de réaction moins élevée pour le processus de production de noir de carbone à chauffage électrique.
Un autre objectif de la présente invention est de prévoir des noirs de carbone produits à partir de matières premières telles que des matières premières à faible rendement.
Un autre objectif de la présente invention est de prévoir des noirs de carbone produits à partir de matières premières telles que des matières premières gazeuses.
Un autre objectif est de prévoir des procédés d’utilisation de matières premières de noir de carbone avec lesquels au moins une partie ou plus de la quantité totale de matière première est une matière première de noir de carbone à faible rendement.
Un autre objectif est de prévoir un procédé de production de noirs de carbone à partir de matières premières à faible rendement de sorte que le noir de carbone résultant présente un rendement acceptable (bon, par exemple), une surface acceptable (étendue, par exemple), et/ou une structure acceptable (de grande qualité, par exemple).
Afin d’obtenir ces avantages et d’autres, et selon les objectifs de la présente invention, illustrés à titre d’exemple et largement décrits ici, la présente invention, en partie, concerne un procédé de production d’un noir de carbone. Le procédé comprend l’étape de chauffage électrique d’un gaz porteur ou d’une matière première de noir de carbone, ou des deux, afin de provoquer la pyrolyse d’au moins une partie de la matière première de noir de carbone. La matière première de noir de carbone comprend au moins une première matière première de noir de carbone et au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement. Dans le cadre d’un processus de la présente invention, la première matière première de noir de carbone est tout d’abord mise en contact avec un gaz porteur chauffé formé en chauffant électriquement un gaz porteur afin de former un flux de réaction, puis en combinant en aval la matière première de noir de carbone à faible rendement avec le flux de réaction présent de façon à former le noir de carbone. Le procédé comprend en outre la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction. Dans le cadre du procédé, la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend de préférence au moins 10 % en poids de la matière première totale et tout au plus 90 % en poids de la matière première totale (sur la base du poids total).
En outre, la présente invention, en partie, concerne un autre procédé de production d’un noir de carbone. Le procédé comprend l’étape de chauffage électrique d’un gaz porteur ou d’une matière première de noir de carbone, ou des deux, afin de provoquer la pyrolyse d’au moins une partie de la matière première de noir de carbone. La matière première de noir de carbone comprend au moins une première matière première de noir de carbone et au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement. Lors du procédé de la présente invention, la première matière première de noir de carbone et la matière première de noir de carbone à faible rendement sont mises en contact avec un gaz porteur chauffé formé en chauffant électriquement un gaz porteur afin de former un flux de réaction et de former le noir de carbone. La au moins une première matière première de noir de carbone et au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement peuvent se trouver sous la forme d’un mélange ou peuvent être introduites séparément au même endroit ou quasiment au même endroit. Le procédé comprend en outre la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction. Dans le cadre du procédé, la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend de préférence au moins 10 % en poids de la matière première totale et tout au plus 90 % en poids de la matière première totale (sur la base du poids total).
En outre, la présente invention, en partie, concerne des noirs de carbone dans lesquels au moins 10 % en poids de la matière première utilisée pour former le noir de carbone sont au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement et au moins 10 % en poids de la matière première utilisée pour former le noir de carbone sont au moins une matière première de noir de carbone.
La présente invention concerne en outre des produits et/ou articles, comme, sans s’y limiter, des composites élastomères formés à partir d’un ou plusieurs des noirs de carbone de la présente invention.
Il doit être compris que la description générale qui précède et la description détaillée qui suit sont uniquement à titre exemplaire et explicatif et sont destinées à mieux expliquer la présente invention.
Les dessins joints, qui sont intégrés à et font partie de la présente demande, illustrent les différentes caractéristiques de la présente invention et, avec la description, servent à expliquer les principes de la présente invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La est un graphique qui illustre le rapport atomique H:C (atome d’hydrogène/atome de carbone) pour des matières premières de noir de carbone traditionnelles, en comparaison avec les matières premières à faible rendement qui sont, en partie, utilisées dans la présente invention.
La [ ] est un graphique qui illustre la gravité spécifique de matières premières de noir de carbone traditionnelles, en comparaison avec les matières premières à faible rendement qui sont, en partie, utilisées dans la présente invention.
La est un graphique qui illustre la valeur BMCI de matières premières de noir de carbone traditionnelles, en comparaison avec les matières premières à faible rendement qui sont, en partie, utilisées dans la présente invention.
La est une vue en coupe d’un exemple de réacteur adapté pour préparer le noir de carbone de la présente invention.
La est une vue en coupe d’un autre exemple de réacteur adapté pour préparer le noir de carbone de la présente invention.
La [ ] est une vue en coupe d’un autre exemple de réacteur adapté pour préparer le noir de carbone de la présente invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE LA PRÉSENTE INVENTION
La [
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La
La
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DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE LA PRÉSENTE INVENTION
La présente invention concerne des procédés de production de noirs de carbone qui utilisent des matières premières de noir de carbone à faible rendement, telles que définies et décrites ici, et qui utilisent un processus de production de noir de carbone à chauffage électrique. La présente invention concerne en outre des noirs de carbone produits à partir d’un ou plusieurs de ces procédés. Avec les procédés de la présente invention, une partie de l’intégralité de la matière première de noir de carbone utilisée peut être une ou plusieurs de matières premières de noir de carbone à faible rendement. Avec les procédés de la présente invention, non seulement des quantités faibles à élevées de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent être utilisées, mais, en outre, la qualité du noir de carbone produit n’est pas sacrifiée. Ainsi, les procédés de la présente invention utilisent des matières premières de noir de carbone qui sont plus souhaitables pour des raisons environnementales et/ou d’autres raisons, et produisent des noirs de carbone comparables à ceux produits à l’aide de matières premières de noir de carbone traditionnelles utilisées avec les processus de production en four et/ou les processus au plasma traditionnels.
Un procédé de production de noir de carbone de la présente invention comprend, se compose essentiellement de, se compose de, ou inclut la combinaison d’au moins une première matière première de noir de carbone avec un flux gazeux chauffé électriquement (ou un flux de gaz porteur chauffé électriquement) afin de former un flux de réaction ; la combinaison en aval d’au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement avec le flux de réaction présent de façon à former le noir de carbone, et la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction. Dans le cadre du procédé, de préférence, la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale, et peut de préférence comprendre au moins 25 % en poids de la matière première totale ou au moins 50 % de la matière première totale ou au moins 60 % en poids de la matière première totale, et la première matière première de noir de carbone comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale.
Un autre procédé de la présente invention comprend, se compose essentiellement de, se compose de, ou inclut la combinaison d’une matière première de noir de carbone qui comprend, se compose essentiellement de, se compose de, ou inclut au moins une première matière première de noir de carbone et au moins un noir de carbone à faible rendement avec un flux gazeux chauffé électriquement (ou un flux de gaz porteur chauffé électriquement) afin de former un flux de réaction de façon à former le noir de carbone, et la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction. La matière première de noir de carbone peut être introduite sous la forme d’un mélange ou plusieurs matières premières de noir de carbone distinctes peuvent être introduites (par exemple, au même endroit ou quasiment au même endroit) et être combinées avec le flux gazeux chauffé électriquement. Dans le cadre du procédé, de préférence, la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale, et peut de préférence comprendre au moins 25 % en poids de la matière première totale ou au moins 50 % de la matière première totale, et la première matière première de noir de carbone comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale.
Pour les besoins de la présente invention, « une matière première de noir de carbone à faible rendement » est une matière première de noir de carbone qui présente au moins l’une des propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 100 (qui indique une teneur en aromatiques faible pour les substances liquides) (comme un BMCI inférieur à 99, inférieur à 95, inférieur à 90, inférieur à 85, inférieur à 80, inférieur à 75, inférieur à 70, comme un BMCI compris entre 50 et 99 ou entre 60 et 99, ou entre 70 et 99, ou entre 50 et 95 ou entre 50 et 90), et/ou
- un matériau qui contient du carbone qui est un gaz à température (ex. : 25°C) et pression (1 atm) ambiantes, et/ou
- un rapport atomique H:C supérieur à 1,23 (comme un rapport H:C de 1,24 ou plus, de 1,25 ou plus, de 1,26 ou plus, de 1,27 ou plus, de 1,28 ou plus, de 1,29 ou plus, de 1,30 ou plus, de 1,35 ou plus, de 1,40 ou plus, de 1,45 ou plus, de 1,50 ou plus, entre 1,235 et 1,5, ou entre 1,235 et 1,45, ou entre 1,235 et 1,4, ou entre 1,235 et 1,35, ou entre 1,235 et 1,3 ou entre 1,235 et 1,29, ou entre 1,235 et 1,28, ou entre 1,235 et 1,27 ou entre 1,24 et 1,5, ou entre 1,25 et 1,5 ou entre 1,26 et 1,5 ou entre 1,27 et 1,5 ou entre 1,28 et 1,5 ou entre 1,29 et 1,5 ou entre 1,3 et 1,5), et/ou
- une gravité spécifique de 1,02 maximum (comme 1,015 au maximum, 1,01 au maximum, 1,005 au maximum, 1,01 au maximum, 1,00 au maximum, 0,99 au maximum, 0,95 au maximum, entre 0,80 et 1,019, ou entre 0,80 et 1,015, ou entre 0,80 et 1,01, ou entre 0,80 et 1,005, ou entre 0,80 et 1,00, ou entre 0,80 et 0,95, ou entre 0,80 et 0,9, ou entre 0,80 et 1,015, ou entre 0,90 et 1.01, ou entre 0,90 et 1,005, ou entre 1,005 et 1,015).
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter uniquement la propriété de BMCI. La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter uniquement la propriété de rapport atomique H:C. La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter uniquement la propriété de gravité spécifique. La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter uniquement la propriété de gaz.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de BMCI et la propriété de rapport atomique H:C.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de BMCI et la propriété de gravité spécifique.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de BMCI et la propriété de gaz.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de BMCI, la propriété de rapport atomique H:C et la propriété de gravité spécifique.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de BMCI, la propriété de rapport atomique H:C et la propriété de gaz.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de BMCI, la propriété de rapport atomique H:C, la propriété de gravité spécifique et la propriété de gaz.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de rapport atomique H:C et la propriété de gravité spécifique.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de rapport atomique H:C et la propriété de gaz.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de BMCI, la propriété de gravité spécifique et la propriété de gaz.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut présenter la propriété de gravité spécifique et la propriété de gaz.
Une matière première de noir de carbone à faible rendement peut être une matière première dérivée de ce qui est considéré comme des sources durables, biologiques, et/ou recyclées. Par exemple, la matière première de noir de carbone à faible rendement peut être ou peut comprendre de l’éthylène, un gaz à température et pression ambiantes. L’éthylène peut être produit à partir d’éthanol biosourcé, comme à partir de la fermentation de maïs ou de la fermentation d’autres plantes. Le gaz naturel est un autre exemple de matière première de noir de carbone à faible rendement.
La matière première de noir de carbone à faible rendement, pour les besoins de la présente invention, peut être une matière première qui n’est pas dérivée de la production de carburant à base de combustible fossile ou du craquage de charbon, ou d’un craquage afin de produire des oléfines. Ainsi, la matière première de noir de carbone à faible rendement est une matière première autre que du liquide de goudron de houille, un liquide de raffinerie de pétrole, ou un résidu d’unité de craquage d’éthylène.
Les matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent également être, sans s’y limiter, les suivantes : une huile de pyrolyse de pneumatiques, une huile de pyrolyse de plastique, une huile recyclée, une huile algale, une huile dérivée de plante, une huile dérivée de la pyrolyse de déchets municipaux solides, une huile dérivée de la pyrolyse ou de la décomposition d’une biomasse (animale ou végétale) ou de déchets agricoles, une huile dérivée du traitement de sous-produits de production de pâte ou de papier, et/ou une autre huile issue principalement de biomatières, ou toute combinaison de ce qui précède. Des matières premières à faible rendement exemplaires comprennent, sans s’y limiter, une huile dérivée d’un végétal ou de toute autre plante, de l’éthanol biosourcé, une cire ou une résine produite par une plante ou un animal, une huile issue de graisse animale, une huile algale, une huile issue de la pyrolyse de boues d’épuration ou de déchets agricoles, un liquide de sous-produit issu du traitement d’une matière biogénique, un liquide produit par liquéfaction hydrothermique d’une biomatière, une résine liquide brute, un colophane de résine liquide, un brai de résine liquide, ou un acide gras de résine liquide, une huile produite à partir de matières recyclées, une huile dérivée de la pyrolyse de pneumatiques hors normes, rejetés ou en fin de vie, une huile dérivée de la pyrolyse de produits en plastique ou en caoutchouc mis au rebut ou recyclés, une huile dérivée de la pyrolyse de déchets municipaux solides, ou une huile dérivée de la pyrolyse de biomasse, ou une quelconque combinaison de ce qui précède. Ces matières premières liquides présentent un rapport atomique H:C supérieur à 1,23, ou une gravité spécifique maximale de 1,02, ou une valeur BMCI inférieure à 100. Des exemples spécifiques de matières premières de noir de carbone à faible rendement sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous :
Tableau 1.
| Libellé | H | I | J | K | L |
| Exemple de matière première | Huile de pyrolyse de pneumatiques Bolder350 | Huile brute de pyrolyse de pneumatiques Delta Energy | Huile de soja | Huile de maïs | Huile d’arachide |
| Source de données | e | f | g | h, i | h, i |
| Rapport atomique H :C | 1,32 | 1,50 | 1,87 | 1,87 | 1,87 |
| Gravité spécifique | 1,00 | 0,94 | 0,93 | 0,92 | 0,91 |
| Valeur BMCI | 94 | 62,5 | 56 | 54 | 50 |
| Teneur en soufre (% en poids) | 1,08 | 1,03 | 0 | 0 | 0 |
| Point éclair | 68 | 32 | >110 | 321 | 315 |
La est un graphique qui présente le rapport atomique H:C pour des matières premières de noir de carbone traditionnelles à haut rendement, par rapport à des huiles de pyrolyse de pneumatiques (TPO), des huiles végétales (huile vég.), et deux matières premières en phase gazeuse (gaz naturel et éthylène) (Gaz). Pour les matières premières traditionnelles, le rapport H:C est représenté pour une collection d’environ 1000 liquides de goudron de houille représentatifs, huiles de décantation et ECR utilisés comme des matières premières de noir de carbone pour le processus de production en four, entre 2016 et 2021. La plage de valeurs H:C peut être comparée avec les trois groupes de matières premières de noir de carbone à faible rendement. Il est évident que les matières premières traditionnelles présentent une faible valeur H:C ≤ 1,23 (la ligne en pointillés de la figure). Les matières premières de noir de carbone à faible rendement de la présentent toutes une valeur H:C > 1,23.
La est un graphique qui présente des exemples de gravité spécifique de matières premières de noir de carbone traditionnelles à haut rendement, par rapport à des huiles de pyrolyse de pneumatiques (TPO) et des huiles végétales (huile vég.). Pour les matières premières traditionnelles, la gravité spécifique est représentée pour une collection d’environ 1000 liquides de goudron de houille représentatifs, huiles de décantation et ECR utilisés comme des matières premières de noir de carbone pour le processus de production en four, entre 2016 et 2021. La plage de gravité spécifique peut être comparée avec deux groupes de matières premières de noir de carbone à faible rendement. Il est évident que les matières premières traditionnelles présentent généralement une gravité spécifique supérieure à 1,02 (la ligne en pointillés sur la figure), tandis que les matières premières de noir de carbone à faible rendement présentent une gravité spécifique égale ou inférieure à 1,02.
La est un graphique qui présente des exemples de valeurs BMCI pour des matières premières traditionnelles à haut rendement, par rapport à des huiles de pyrolyse de pneumatiques (TPO) et des huiles végétales (huile vég.). Pour les matières premières de noir de carbone traditionnelles, la valeur BMCI est représentée pour une collection d’environ 1000 liquides de goudron de houille représentatifs, huiles de décantation et ECR utilisés comme des matières premières pour le processus de production en four, entre 2016 et 2021. Leurs valeurs BMCI sont comparées avec deux groupes de matières premières à faible rendement. Quasiment toutes les matières premières traditionnelles présentent une valeur BMCI > 110, et tous les exemples illustrés ici présentent une valeur BMCI supérieure ou égale à 100 (la ligne en pointillés). À l’inverse, les groupes de TPO et d’huiles végétales présentent une valeur BMCI inférieure à 100.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : une matière première renouvelable, une matière première biosourcée ou biologique, et/ou un autre sous-produit d’un processus de raffinage, ou toute combinaison de ce qui précède.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles végétales ou autres huiles dérivées de plantes (comme l’huile de maïs et/ou l’huile de drêche de maïs de distillerie).
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : de l’éthanol biosourcé (issu de la fermentation de maïs ou de la fermentation d’autres plantes, végétaux ou fruits).
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les cires et résines d’origine végétale ou animale, comme la lanoline ou la gomme laque.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles issues de graisses animales.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles algales.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles issues de la pyrolyse de boues d’épuration ou de déchets agricoles.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les sous-produits liquides issus du traitement de matières biogéniques.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les liquides produits par liquéfaction hydrothermique de biomatières.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles de résine liquide, les colophanes de résine liquide, les brais de résine liquide, ou les acides gras de résine liquide (issus par exemple des processus de fabrication de papier).
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les matières premières renouvelables telles que les huiles produites à partir de matières recyclées.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles dérivées de la pyrolyse de pneumatiques hors normes, rejetés ou en fin de vie.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles dérivées de la pyrolyse de plastiques mis au rebut ou recyclés.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles dérivées de la pyrolyse de déchets municipaux solides.
D’autres exemples de matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent comprendre, sans s’y limiter, ce qui suit : les huiles dérivées de la pyrolyse de biomasse (huiles bio), d’origine animale ou végétale, par exemple.
Comme cela est indiqué ci-dessus, dans la présente invention, une partie (en % en poids) de la matière première totale utilisée dans les procédés de la présente invention (soit par étapes, soit introduite sous la forme de mélange ou introduite au même endroit ou quasiment au même endroit dans le réacteur) est composée d’une ou plusieurs matière(s) première(s) de noir de carbone à faible rendement, et une partie n’est pas une matière première de noir de carbone à faible rendement.
Pour les besoins de la présente invention, l’expression « quasiment au même endroit » signifie que l’introduction des multiples matières premières a lieu au même endroit (I1) ou dans les 5 % de I1 sur la base de la longueur totale du réacteur de noir de carbone.
De préférence, la quantité de matière première de noir de carbone à faible rendement (par étapes ou introduite sous la forme de mélange ou introduite au même endroit ou quasiment au même endroit avec une ou plusieurs autre(s) matière(s) première(s) de noir de carbone) est d’au moins 10 % en poids, ou d’au moins 15 % en poids, ou d’au moins 20 % en poids, ou d’au moins 25 % en poids, ou d’au moins 30 % en poids, ou d’au moins 35 % en poids, ou d’au moins 40 % en poids, ou d’au moins 45 % en poids, ou d’au moins 50 % en poids, ou d’au moins 55 % en poids, ou d’au moins 60 % en poids, ou d’au moins 65 % en poids, ou d’au moins 70 % en poids, ou d’au moins 75 % en poids, ou d’au moins 80 % en poids, ou d’au moins 85 % en poids, ou d’au moins 90 % en poids, mais inférieure à 100 % en poids et de préférence inférieure à 99 % en poids ou inférieure à 95 % en poids, comme entre 10 et 95 % en poids, ou entre 10 et 90 % en poids, ou entre 15 et 90 % en poids, ou entre 20 et 90 % en poids, ou entre 25 et 90 % en poids, ou entre 30 et 90 % en poids, ou entre 35 et 90 % en poids, ou entre 40 et 90 % en poids, ou entre 45 et 90 % en poids, ou entre 50 et 95 % en poids, ou entre 10 et 80 % en poids, ou entre 10 et 70 % en poids, ou entre 10 et 60 % en poids, ou entre 10 et 50 %, ou entre 10 et 40 % en poids, ou entre 10 et 30 %, ou entre 60 et 95 % en poids, ou entre 65 et 95 % en poids, ou entre 70 et 95 % en poids, ou entre 75 et 95 %, ou entre 60 et 95 % en poids, ou entre 60 et 90 % en poids, ou entre 60 et 85 % en poids, ou entre 60 et 80 % en poids, ou entre 60 et 75 % en poids, sur la base du pourcentage de poids total de toutes les matières premières utilisées.
Pour les besoins de la présente invention, une « première matière première de noir de carbone » ou une « matière première de noir de carbone à rendement élevé » est une matière première qui n’est pas une matière première de noir de carbone à faible rendement telle que définie ici. La première matière première de noir de carbone peut être considérée ou désignée comme une matière première de noir de carbone traditionnelle utilisée dans les processus de production de noir de carbone en four (matières premières de noir de carbone « traditionnelles »). Comme cela est décrit plus en détail ici, la première matière première de noir de carbone peut être un mélange de matières premières qui contient, éventuellement, de faibles quantités d’une matière première de noir de carbone à faible rendement.
Les premières matières premières de noir de carbone sont généralement issues de la famille d’huiles de décantation ou de boues huileuses décantées, de goudrons de houille ou de fractions de distillats de goudrons de houille, ou de résidus d’unités de craquage d’éthylène ou de phénol. Leurs caractéristiques, par rapport à la production de noir de carbone à l’aide d’un processus en four classique, sont décrites plus en détail ci-dessous.
Une première matière première de noir de carbone présente les trois propriétés suivantes :
- une valeur BMCI d’au moins 100 (comme d’au moins 101, d’au moins 102, d’au moins 103, d’au moins 104, d’au moins 105, d’au moins 110, d’au moins 115, d’au moins 120, d’au moins 130, d’au moins 140, d’au moins 150, d’au moins 160, d’au moins 170, comme entre 100 et 180, entre 101 et 180, entre 102 et 180, entre 103 et 180, entre 104 et 180, entre 105 et 180, entre 110 et 180, entre 115 et 180, entre 120 et 180, entre 130 et 180, entre 140 et 180, entre 150 et 180, entre 160 et 180, entre 100 et 175, entre 100 et 170, entre 100 et 165, entre 110 et 175, entre 115 et 175, entre 120 et 175, entre 125 et 170, entre 130 et 170),
- une gravité spécifique supérieure à 1,02 (par exemple supérieure à 1,025, supérieure à 1,03, supérieure à 1,035, supérieure à 1,04, supérieure à 1,05, comme entre 1,021 et 1,3, ou entre 1,025 et 1,3, ou entre 1,03 et 1,3, ou entre 1,05 et 1,3, ou entre 1,07 et 1,25),
- un rapport atomique H:C de 1,23 au maximum (par exemple, de 1,22 au maximum, de 1,21 au maximum, de 1,2 au maximum, de 1,15 au maximum, de 1,1 au maximum, de 1,05 au maximum, de 1 au maximum, de 0,9 au maximum, de 0,8 au maximum, comme entre 1,225 et 0,7, entre 1,225 et 0,8, entre 1,225 et 0,9, entre 1,225 et 1, entre 1,225 et 1,1, entre 1,22 et 0,7, entre 1,21 et 0,7, entre 1,2 et 0,7).
Éventuellement, la première matière première de noir de carbone peut également être un liquide à température et pression ambiantes (comme à 25°C et 1 atm). Bien qu’elle soit un liquide, la première matière première de noir de carbone peut être un brai ou une matière similaire qui présente une viscosité extrêmement élevée et n’a pas besoin de de présenter un fluage remarquable.
Des exemples de premières matières premières de noir de carbone figurent dans le tableau 2 ci-dessous, et comprennent les goudrons de houille, des liquides distillés à partir de goudrons de houille, les huiles de décantation ou les boues huileuses décantées obtenues à partir d’un craquage catalytique, et les huiles résiduelles issues du craquage de l’éthylène. Comme cela est indiqué dans le tableau 2, ces matières premières présentent un rapport H:C de 1,23 au maximum, une gravité spécifique supérieure à 1,02, et une valeur BMCI d’au moins 100.
Tableau 2 :
| Libellé | A | B | C | D | E | F | G |
| Exemple de matière première | Résidu d’unité de craquage de vapeur d’éthylène | Résidu d’unité de craquage de vapeur d’éthylène | Huile de décantation | Huile de décantation | Distillat de goudron de houille | Goudron de houille brut | Huile de décantation |
| Source de données | a | b | a | c | a | d | e |
| Rapport atomique H :C | 0,94 | 0,91 | 0,94 | 1,01 | 0,85 | 0,72 | 1,01 |
| Gravité spécifique | 1,07 | 1,08 | 1,10 | 1,11 | 1,14 | 1,22 | 1,10 |
| Valeur BMCI | 127 | 146 | 132 | 134 | 161 | 179 | 163 |
| Teneur en soufre (% en poids) | 0,2 | 0,17 | 1,1 | 0,95 | 0,6 | 0,38 | 1,36 |
| Point éclair | 70 | 86 | 130 | 90 | 90 |
La première matière première de noir de carbone peut également comprendre une fraction dérivée du raffinage ou de la distillation d’huile de pyrolyse de pneumatiques. La pyrolyse de pneumatiques peut être réalisée par n’importe quel procédé connu par l’homme du métier. Des procédés exemplaires comprennent, sans s’y limiter, ceux qui figurent dans les brevets US8350105 et US20180320082. La distillation de l’huile résultante peut également être réalisée par n’importe quel procédé connu par l’homme du métier. Des procédés exemplaires comprennent, sans s’y limiter, ceux qui figurent dans les brevets US9920262 et WO2019236214. L’huile de pyrolyse de pneumatiques peut être distillée afin de fournir au moins une fraction qui peut être utilisée comme une première matière première de noir de carbone et au moins une fraction qui est une matière première de noir de carbone à faible rendement. En fait, la distillation peut donner des fractions légères qui peuvent être utilisées de manière plus économique dans d’autres parties du processus de production de noir de carbone, comme en guise de combustible pour un sécheur pour le noir de carbone, ou pour un réchauffeur, afin de préchauffer l’une ou les deux de la première matière première de noir de carbone et de la seconde matière première de noir de carbone, comme cela est décrit dans le brevet US20130039841. Ainsi, l’intégration du processus de distillation au réacteur de noir de carbone peut offrir des avantages économiques et environnementaux par rapport au recyclage de pneumatiques remplis de noir de carbone.
Éventuellement, dans les procédés de la présente invention, la première matière première de noir de carbone, sur la base de la quantité totale de matière première utilisée (en % en poids), peut être utilisée dans une quantité (par étapes ou introduite sous la forme de mélange ou introduite au même endroit ou quasiment au même endroit avec une ou plusieurs autre(s) matière(s) première(s) de noir de carbone) d’au moins 10 % en poids, ou d’au moins 15 % en poids, ou d’au moins 20 % en poids, ou d’au moins 25 % en poids, ou d’au moins 30 % en poids, ou d’au moins 35 % en poids, ou d’au moins 40 % en poids, ou d’au moins 45 % en poids, ou d’au moins 50 % en poids, ou d’au moins 55 % en poids, ou d’au moins 60 % en poids, ou d’au moins 65 % en poids, ou d’au moins 70 % en poids, ou d’au moins 75 % en poids, ou d’au moins 80 % en poids, ou d’au moins 85 % en poids, ou d’au moins 90 % en poids, mais inférieure à 100 % en poids et de préférence inférieure à 99 % en poids ou inférieure à 95 % en poids, comme entre 10 et 95 % en poids, ou entre 10 et 90 % en poids, ou entre 15 et 90 % en poids, ou entre 20 et 90 % en poids, ou entre 25 et 90 % en poids, ou entre 30 et 90 % en poids, ou entre 35 et 90 % en poids, ou entre 40 et 90 % en poids, ou entre 45 et 90 % en poids, ou entre 50 et 95 % en poids, ou entre 10 et 80 % en poids, ou entre 10 et 70 % en poids, ou entre 10 et 60 % en poids, ou entre 10 et 50 %, ou entre 10 et 40 % en poids, ou entre 10 et 30 %, ou entre 60 et 95 % en poids, ou entre 65 et 95 % en poids, ou entre 70 et 95 % en poids, ou entre 75 et 95 %, ou entre 60 et 95 % en poids, ou entre 60 et 90 % en poids, ou entre 60 et 85 % en poids, ou entre 60 et 80 % en poids, ou entre 60 et 75 % en poids, sur la base du pourcentage de poids total de toutes les matières premières utilisées. D’autres quantités de la première matière première de noir de carbone, sur la base de la quantité totale de matière première utilisée (en % en poids), peuvent être de 49 % en poids ou moins, 45 % en poids ou moins, 40 % en poids ou moins, 35 % en poids ou moins, 30 % en poids ou moins, 25 % en poids ou moins, 20 % en poids ou moins, 15 % en poids ou moins, 10 % en poids ou moins, 9 % en poids ou moins, 8 % en poids ou moins, 7 % en poids ou moins, 6 % en poids ou moins, comme entre 5 et 49 % en poids ou entre 5 et 45 % en poids, ou entre 10 et 40 % en poids, ou entre 10 et 35 % en poids, ou entre 10 et 30 % en poids).
La première matière première de noir de carbone peut être un liquide à température et pression ambiantes (comme à 25°C et 1 atm). L’expression « Riche en espèces aromatiques » signifie que la matière première présente une quantité élevée de composés aromatiques. Par exemple, une quantité élevée de composés aromatiques s’entend lorsque le pourcentage de poids total d’aromatiques présents est d’au moins 20 % en poids, ou lorsque la valeur BMCI est d’au moins 100, ou les deux. La première matière première de noir de carbone peut être chauffée de sorte que la matière première soit sous forme de vapeur et puisse ainsi devenir ou être utilisée dans la pratique comme une vapeur riche en espèces aromatiques.
Par rapport aux étapes du procédé de la présente invention, certains procédés de la présente invention comprennent la combinaison d’un flux gaz chauffé électriquement (ou d’un flux de gaz porteur chauffé électriquement) avec la première matière première de noir de carbone et une matière première de noir de carbone à faible rendement. Comme cela est expliqué ci-après et ci-avant, la première matière première de noir de carbone et la matière première de noir de carbone à faible rendement peuvent être introduites ou combinées avec le flux gazeux chauffé par étapes (par exemple, la première matière première de noir de carbone est introduite en premier, puis la matière première de noir de carbone à faible rendement est introduite en aval, ou un mélange de la première matière première de noir de carbone et de la matière première de noir de carbone à faible rendement est introduit ou combiné avec le flux gazeux chauffé), ou la première matière première de noir de carbone et la matière première de noir de carbone à faible rendement sont introduites ou combinées avec le flux gazeux chauffé au même endroit ou quasiment au même endroit dans le réacteur de noir de carbone).
Dans d’autres procédés de la présente invention, la matière première de noir de carbone ou la partie de celle-ci est chauffée électriquement de sorte qu'une pyrolyse de la matière première se produise.
Dans les procédés de la présente invention, le chauffage électrique d’un gaz porteur et/ou de la matière première de noir de carbone peut être tel que le chauffage électrique est direct ou indirect (par exemple, en cas de chauffage direct, l’élément chauffant est en contact avec le gaz porteur et/ou la matière première).
Pour créer le flux gazeux chauffé électriquement, il existe au moins quatre procédés qui peuvent être utilisés pour les besoins de la présente invention. Dans n’importe lequel des procédés, une énergie électrique est utilisée pour chauffer un gaz porteur et/ou une matière première de noir de carbone de sorte que la pyrolyse d’au moins une partie de la matière première de noir de carbone se produise.
La présente invention peut être réalisée sous la forme de plusieurs variantes ou modes de réalisation.
Dans un premier procédé, un arc peut être utilisé pour chauffer électriquement un gaz porteur, qui est ensuite mis en contact avec la ou les matière(s) première(s) de noir de carbone, comme cela est décrit ici. Étant donné que l’arc crée un plasma, ce procédé est parfois désigné « procédé plasma ».
Dans un second procédé, un élément chauffant, résistif ou inductif, est utilisé pour chauffer électriquement le gaz porteur, qui est ensuite mis en contact avec la ou les matière(s) première(s) de noir de carbone, comme cela est décrit ici.
Dans un troisième procédé, un plasma inductif ou à micro-ondes est utilisé pour chauffer un gaz porteur ou les matières premières de noir de carbone elles-mêmes, sans contact direct entre le gaz et les électrodes.
Dans un quatrième procédé, un arc de plasma ou un élément chauffant est en contact direct avec la ou les matière(s) première(s) de noir de carbone, et est utilisé pour chauffer la matière première. Le brevet U.S. n°8 221 689 et le brevet U.S. n°7 563 525 ont en outre décrit ces procédés qui peuvent être utilisés dans la présente invention.
Les procédés utilisés pour former ou créer le flux gazeux et/ou la matière première de noir de carbone chauffé(e) électriquement et le ou les appareil(s)/dispositif(s) et conditions/paramètres pour y parvenir sont disponibles dans le commerce et peuvent être adoptés ou utilisés ici pour les procédés de la présente invention.
Plus précisément, et simplement en guise d’exemples, un exemple du premier procédé (un procédé au plasma avec gaz porteur), et le second procédé (un processus à chauffage électrique avec un gaz porteur), sont décrits plus en détail.
Le procédé au plasma peut être utilisé pour produire du noir de carbone en chauffant un flux de gaz porteur adéquat à des températures élevées de sorte que la pyrolyse de la ou des matière(s) première(s) de noir de carbone puisse se produire en cas de combinaison avec le flux de gaz porteur chauffé électriquement (ex. : 3000°C ou plus). Le chauffage peut être réalisé avec un arc électrique. Dès que le flux de gaz porteur chauffé est formé, une ou plusieurs matière(s) première(s) de noir de carbone peut/peuvent être introduite(s) dans ce flux de gaz porteur chauffé ou combinée(s) avec ce flux de gaz porteur chauffé. Le flux de gaz porteur chaud contient une partie substantielle de l’énergie nécessaire pour provoquer la pyrolyse rapide et à haute température de la matière première en noir de carbone et en sous-produits gazeux. D’autres détails de ce processus, qui peut être adopté dans les procédés de la présente invention, figurent dans le brevet U.S. n°9 574 086.
Un exemple de configuration et de réacteur pour le processus au plasma 10 est illustré sur la , qui illustre une vue en coupe d’un réacteur de noir de carbone 10. Un gaz porteur, tel que de l’hydrogène ou de l’argon, est introduit, par exemple, via un conduit 2, dans une chambre de génération de plasma 6 de diamètre 5. Le flux global de matières a lieu dans la direction A. Les électrodes 3 génèrent un arc électrique 4 qui chauffe le gaz porteur, généralement dans des conditions de plasma.
Le gaz porteur chauffé est ensuite combiné ou mélangé avec une matière première de noir de carbone, qui, par exemple, peut être introduite par des injecteurs 7 et 8. L’injecteur 7 peut être positionné à un endroit qui présente un diamètre inférieur au diamètre 5. Sur la , l’injecteur 8 est illustré en aval de l’injecteur 7 au niveau d’un goulot d’étranglement 9 ayant le plus petit diamètre du réacteur de noir de carbone 10. En variante, l’injecteur 8 peut être positionné en aval de l’injecteur 7 mais dans une zone qui présente un diamètre supérieur à celui du goulot d’étranglement 9. L’injecteur 7, par exemple, peut introduire ou injecter une première matière première de noir de carbone dans le réacteur et une autre matière première de noir de carbone, comme une matière première de noir de carbone à faible rendement, peut être introduite au niveau du point d’injection 8. La distance entre les injecteurs 7 et 8 doit être suffisamment longue pour permettre à la première matière première de noir de carbone injectée dans le réacteur 10 au niveau de l’injecteur 7 d’être mélangée avec le gaz porteur. Dans la présente invention, en règle générale, au moins une partie, si ce n’est la totalité, de la première matière première de noir de carbone peut être injectée ou introduite au moins avant d’introduire la matière première de noir de carbone à faible rendement dans le réacteur. De préférence, une majorité de la première matière première de noir de carbone est introduite avant d’introduire une quelconque matière première de noir de carbone à faible rendement. Afin de faciliter ce processus de mélange, le gaz porteur chaud peut être forcé dans le goulot d’étranglement plus étroit 9 afin d’augmenter la turbulence et de permettre un mélange rapide. Étant donné que la première matière première de noir de carbone est généralement injectée sous la forme d’un liquide, la turbulence accrue produite par la contraction peut également faciliter l’atomisation des gouttelettes liquides.
Après l’injection de la première matière première de noir de carbone et de la matière première de noir de carbone à faible rendement, le flux combiné de gaz porteur chaud et de matière première en réaction pénètre dans une chambre de réaction adaptée 14 de diamètre 11. Le diamètre 11 et le diamètre 5 peuvent être sensiblement supérieurs à celui du goulot d’étranglement 9. À un certain endroit 12 en aval du point d’injection final de matière première, le mélange est trempé à l’aide d’une pulvérisation de gaz ou de liquide 13.
Le goulot d’étranglement 9 de la peut être optionnel et ne pas être utilisé. Éventuellement, un seul point d’injection peut être utilisé (par exemple, soit le point d’injection 7, soit le point d’injection 8), au niveau duquel la première matière première de noir de carbone et la matière première de noir de carbone à faible rendement sont introduites sous la forme d’un mélange. En guise d’autre option, d’autres points d’injection que les deux points d’injection destinés à la matière première, illustrés en 7 et 8, peuvent être utilisés.
Il est possible de remplacer intégralement, ou partiellement, l’appareil de chauffage au plasma de la par un système 15 composé d’un fil chauffant électriquement résistif, ou d’éléments chauffés par induction, comme cela est illustré sur la , qui illustre une vue en coupe d’un autre réacteur 15. Le processus et l’appareil sont similaires à ceux de la , à l’exception près que le gaz porteur est désormais chauffé par un autre moyen qu’un arc de production de plasma. La illustre un ensemble d’éléments chauffants résistifs 16 (comme des tiges) positionnés sur le trajet d’un gaz porteur qui est introduit par un conduit (non illustré) d'une manière similaire à l’appareil de la . Sur la , les éléments chauffants résistifs 16 chauffent le gaz porteur qui circule dans la direction A. Après l’étape de chauffage du gaz porteur, le processus peut être identique à celui décrit en lien avec la . En variante ou en outre, des éléments chauffants céramiques, comme de l’oxyde de magnésium ou de la zircone stabilisée à l’yttrium, peuvent être utilisés.
Les éléments 16 peuvent être chauffés en les soumettant à un passage de courant électrique, ou peuvent être chauffés par induction, comme en les soumettant à des micro-ondes, une radiofréquence ou tout autre rayonnement électromagnétique adéquat. Comme cela est connu dans l’art, l’énergie électromagnétique contenue dans le rayonnement micro-ondes provoque un déplacement d’électrons dans les tiges, et leur chauffage. Ce procédé permet un réacteur sans pénétration directe pour les branchements électriques, ce qui peut être bénéfique dans certains cas. Par exemple, les tiges de SiC deviennent chaudes lorsqu’elles sont soumises à un rayonnement micro-ondes. Dans le présent mode de réalisation, il est inutile d’avoir des fils électriques ou d’autres conducteurs qui se croisent dans la chambre de chauffage, ce qui réduit la complexité de conception.
Les procédés de la présente invention peuvent être appliqués à un processus à chauffage électrique et un réacteur tels qu’illustrés sur la . La illustre une vue en coupe d’un autre exemple d’un réacteur de noir de carbone 20 qui présente des caractéristiques similaires à l’appareil 10 de la . Contrairement à la , le réacteur 20 présente deux goulots d’étranglement contracté 64 et 65 à diamètre rétréci à chaque extrémité d’une chambre intermédiaire 58. Le gaz porteur chaud qui provient du conduit 2 circule vers le goulot d’étranglement contracté 64. La première matière première de noir de carbone est fournie par des injecteurs 7 ou 8, ou par les deux en même temps, et mélangée avec le gaz porteur.
Sur la , la longueur entre l’introduction du gaz porteur et le milieu de la contraction 64 est indiquée comme la longueur 60. Cette longueur peut de préférence être comprise entre 1X (fois) et 10X le diamètre le plus petit de la première contraction 64. L’ajustement de cette longueur peut permettre d’équilibrer la structure de noir de carbone et de réduire le coût du processus. La hauteur ou le diamètre 5 est illustré(e) pour la chambre de gaz chauffé et cette hauteur est supérieure à la hauteur ou au diamètre 64. La hauteur ou le diamètre 64 peut être au moins 20 %, au moins 30 %, au moins 40 %, au moins 50 % inférieur(e) à la hauteur ou au diamètre 5.
Après l’introduction de la première matière première de noir de carbone, le flux gazeux chaud mélangé avec la matière première pénètre dans une première chambre de réaction 58. La chambre a pour fonction d’offrir un temps de séjour de sorte que les réactions de pyrolyse qui produisent du noir de carbone puissent subir un temps d’induction puis débuter, et, éventuellement, de produire une population des particules d’ensemencement pour le développement ultérieur de la structure. La longueur de cette chambre 66 peut généralement être comprise entre 1X et 20X le diamètre le plus petit de la première contraction 64.
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut être introduite à l’extrémité de la première chambre de réaction 58. Elle peut être introduite à l’aide d'un injecteur ou d’un groupe d'injecteurs 59 positionné(s) à l’intérieur ou à proximité d’une seconde contraction 65 et/ou sensiblement en aval des premiers emplacements 7 et/ou 8. En variante, la matière première de noir de carbone à faible rendement peut être introduite avec une lance sensiblement en amont de la contraction 65, mais dans la chambre 58.
La distance 66 entre les goulots d’étranglement contractés 64 et 65 peut être supérieure au diamètre 64 et peut être ajustée afin de modifier ou d’optimiser les propriétés du produit. Les goulots d’étranglement contractés 64 et 65 peuvent avoir des diamètres identiques ou différents. L’homme du métier saura comment ajuster ces diamètres afin d’obtenir les caractéristiques de mélange souhaitées pour le flux de réaction.
Après l’introduction de la matière première de noir de carbone à faible rendement, le mélange circule vers une seconde chambre de réaction 61. Il est ensuite trempé à l’aide d’une pulvérisation refroidissante de liquide ou de vapeur 62, comme cela est connu dans l’art. La longueur entre le point d’injection de la matière première de noir de carbone à faible rendement 59 et le point de refroidissement 62 est indiquée en 67 sur la . Cette longueur est définie afin d’offrir un temps de séjour qui contrôle certaines propriétés du produit, comme cela est connu dans l’art.
Une configuration alternative introduit la première matière première de noir de carbone à l’emplacement 7 et/ou à l’emplacement 8, puis introduit la matière première de noir de carbone à faible rendement aux emplacements 8 et/ou 59 (et/ou un emplacement situé entre ceux-ci). Ces deux opérations peuvent être effectuées en même temps si les deux emplacements sont utilisés. Cela peut offrir un compromis bénéfique entre la qualité de la structure et le rendement ou le coût du processus. Dans tous les modes de réalisation qui précèdent, au moins une partie, de préférence la majorité de la première matière première de noir de carbone qui est utilisée, par exemple, ou l’intégralité de la première matière première de noir de carbone, est introduite avant et en amont de la matière première de noir de carbone à faible rendement.
Avec la présente invention, les procédés permettent d’utiliser une matière première de noir de carbone en phase gazeuse ou toute autre matière première de noir de carbone à faible rendement non traditionnelle pour produire des structures de noir de carbone d’une qualité supérieure à celle qui peut être obtenue avec les procédés conventionnels qui peuvent utiliser des matières premières de noir de carbone non traditionnelles.
En outre, avec la présente invention, il est possible de réduire la température nécessaire pour produire une surface donnée, par rapport à l’utilisation exclusive des matières premières non traditionnelles. Cela signifie qu’une quantité réduite de gaz porteur est nécessaire, et permet de réduire les coûts d’investissement dans le processus à chauffage électrique. Par exemple, la température peut être réduite de 2 à 5 % ou plus.
L’injecteur 7, par exemple, peut introduire ou injecter une première matière première de noir de carbone dans le réacteur. En variante, la première matière première de noir de carbone peut également être introduite dans la chambre à l’aide d’un conduit axial ou d’une lance. En guise d’autre variante, la première matière première de noir de carbone peut être injectée ou introduite par plusieurs procédés en même temps. La lance ou tout autre injecteur exposé(e) au réacteur peut avoir besoin d’être refroidi(e) ou protégé(e) contre la chaleur excessive dans le réacteur, par des procédés connus dans l’art.
Dans la présente invention, éventuellement, au moins tout ou partie de la première matière première de noir de carbone peut être injecté ou introduit avant d’introduire la matière première de noir de carbone à faible rendement dans le réacteur. De préférence, la quantité de la première matière première de noir de carbone injectée ou introduite dans le réacteur avant d’introduire la matière première de noir de carbone à faible rendement est supérieure à la quantité totale de première matière première de noir de carbone introduite lors des étapes ultérieures. Ainsi, la majorité (>50 %) de la première matière première de noir de carbone utilisée dans le réacteur est introduite ou injectée lors de la première étape (par exemple, au niveau de l’emplacement/l’injecteur 7 sur la ).
Les matières premières de noir de carbone peuvent être injectées dans le flux de gaz porteur chauffé par le biais d’une ou plusieurs buse(s) conçue(s) pour une distribution optimale de la matière première dans le flux gazeux. Ces buses peuvent être à fluide unique ou double. Les buses à fluide double peuvent utiliser, par exemple, de la vapeur, de l’air ou de l’azote pour atomiser la matière première. Les buses à fluide unique peuvent être atomisées par pression ou la matière première peut être directement injectée dans le flux gazeux. Dans ce dernier cas, l’atomisation se produit par la force du flux gazeux.
La matière première de noir de carbone peut être injectée par une lance d’injection axiale ou un conduit central peut être utilisé et/ou une ou plusieurs lance(s) radiale(s) peut/peuvent être prévue(s) sur la circonférence du réacteur sur un plan perpendiculaire au sens d’écoulement. Un réacteur peut contenir plusieurs plans avec des lances radiales dans la direction d’écoulement. Des buses de pulvérisation ou d’injection peuvent être prévues sur la tête des lances, à l’aide desquelles la matière première est mélangée dans le flux gazeux chauffé.
La première matière première de noir de carbone peut être introduite au niveau d'un ou plusieurs emplacement(s), ou en même temps au niveau de deux emplacements, ou au niveau de trois emplacements ou plus simultanément. La division de l’injection de la première matière première, en cas d’utilisation de plusieurs emplacements, entre ces emplacements, peut être variée afin de modifier les propriétés du produit et de réduire le coût du processus. Les injecteurs et la ou les chambre(s) du réacteur (ou des parties de celles-ci) peuvent être refroidi(e)s si nécessaire par des procédés connus dans l’art.
Dans un autre exemple de la présente invention, la première matière première de noir de carbone peut être un mélange d’une matière première de noir de carbone à haut rendement qui satisfait les paramètres de valeur BMCI, de gravité spécifique et de rapport H:C décrits ci-dessus et d’une matière première de noir de carbone à faible rendement, à condition que le mélange satisfasse les paramètres de valeur BMCI, de gravité spécifique et de rapport H:C décrits ci-dessus pour la première matière première de noir de carbone. Le mélange peut contenir plus de 50 % en poids de la matière première de noir de carbone à haut rendement par masse (ex. : 50,5 à 99,5 % en poids de la matière première de noir de carbone à haut rendement, comme 60 à 99 % en poids).
De la même manière, la matière première de noir de carbone à faible rendement peut éventuellement être un mélange d’une matière première de noir de carbone à haut rendement et d’une matière première de noir de carbone à faible rendement qui ne satisfait pas au moins l’un des paramètres de valeur BMCI, de rapport H:C et de gravité spécifique requis pour la première matière première de noir de carbone, à condition que le mélange ne satisfasse pas non plus au moins l’un des paramètres de valeur BMCI, de rapport H:C et de gravité spécifique requis pour la première matière première de noir de carbone. La matière première de noir de carbone à faible rendement peut être présente dans une quantité supérieure à 50 % de la matière première totale de ce mélange optionnel, par masse (ex. : 50,5 à 99,5 % en poids de la matière première de noir de carbone à faible rendement, comme 60 à 99 % en poids).
De plus, éventuellement, la quantité totale de première matière première de noir de carbone introduite dans le réacteur par la somme de tous les emplacements d’injection peut être inférieure à 50 % en poids sur la base de la quantité totale de matière première de noir de carbone utilisée n’importe où dans le réacteur. La quantité totale de matière première de noir de carbone à faible rendement peut être supérieure à 50 % en poids sur la base de la matière première totale.
Éventuellement, dans un procédé de la présente invention, le procédé comprend l’étape d’introduction d’au moins une première matière première de noir de carbone avec le flux gazeux chauffé, dans le réacteur de noir de carbone, afin de former un flux de réaction. La première matière première de noir de carbone peut être une ou une combinaison de deux premières matières premières de noir de carbone différentes ou plus. Lorsque plusieurs types de matières premières sont utilisés comme première matière première de noir de carbone, les multiples premières matières premières de noir de carbone peuvent être mélangées ensemble et injectées comme une matière mélangée par le biais d’un ou plusieurs emplacement(s), ou chaque matière première peut être injectée séparément dans le réacteur au même emplacement ou à des emplacements différents.
Éventuellement, dans un procédé de la présente invention, le procédé comprend l’étape d’introduction d’au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement dans un flux de réaction. La matière première de noir de carbone à faible rendement peut être une ou une combinaison de deux matières premières de noir de carbone à faible rendement différentes ou plus. Lorsque plusieurs types de matières premières sont utilisés comme matière première de noir de carbone à faible rendement, les multiples matières premières de noir de carbone à faible rendement peuvent être mélangées ensemble et injectées comme une matière mélangée par le biais d’un ou plusieurs emplacement(s), ou chaque matière première peut être injectée séparément dans le réacteur au même emplacement ou à des emplacements différents.
En règle générale, toutes les matières premières de noir de carbone utilisées dans un quelconque des procédés de la présente invention peuvent être injectées dans un réacteur par un seul flux ou une pluralité de flux à l’aide d’injecteurs, qui pénètrent dans les zones intérieures du flux gazeux chauffé. Un injecteur peut davantage garantir un niveau élevé de mélange et de cisaillement du flux gazeux chauffé et de la ou des matière(s) première(s) de noir de carbone. Cela garantit que la matière première se pyrolyse, et de préférence à une vitesse rapide et/ou un rendement élevé, afin de former le noir de carbone de la présente invention.
La première matière première de noir de carbone peut être introduite au niveau d'un emplacement dans le réacteur, ou de plusieurs emplacements dans le réacteur. Dans un mode de réalisation de la présente invention, la matière première de noir de carbone à faible rendement peut être introduite au niveau d'un emplacement dans le réacteur, ou de plusieurs emplacements dans le réacteur. Comme cela est indiqué, dans ce procédé de la présente invention, l’emplacement ou les emplacements dans le réacteur peut/peuvent se trouver en aval de l’emplacement/des emplacements au(x)quel(s) la première matière première de noir de carbone est injectée ou introduite. L’introduction de la matière première de noir de carbone à faible rendement peut être réalisée avec un ou plusieurs injecteur(s) (comme un ou des conduit(s) métallique(s) situé(s) sur la paroi du réacteur) qui introduit/introduisent la matière première dans le réacteur. L’injecteur peut avoir une tête d'injecteur ou une tête de pulvérisation sur l’extrémité. L’injecteur qui se trouve sur l’extrémité peut avoir, par exemple, un ou plusieurs orifice(s) (2, 3, 4 ou plus) autour de l’extrémité (en règle générale, plusieurs orifices répartis de manière uniforme).
Éventuellement, l’introduction de la matière première de noir de carbone à faible rendement dans le réacteur et dans le flux de réaction peut être telle que la matière première est introduite perpendiculairement à l’écoulement latéral du flux de réaction dans le réacteur, comme cela est illustré par exemple sur les figures 4 à 6. « Perpendiculairement » peut signifier plus ou moins 15 degrés par rapport à une injection perpendiculaire réelle de la matière première dans le flux de réaction.
Éventuellement, l’introduction de la matière première de noir de carbone à faible rendement dans le réacteur peut être effectuée à un emplacement qui présente un diamètre inférieur à celui du réacteur dans lequel la première matière première de noir de carbone a été introduite auparavant. Par exemple, l’injecteur 8 de la se trouve dans une partie plus étroite du réacteur 10 que l'injecteur 7. Cet emplacement peut être considéré comme un « étranglement » dans certains réacteurs de noir de carbone. Ce diamètre réduit peut être au moins 10 % inférieur, au moins 20 % inférieur ou au moins 30 % inférieur, ou 10 à 40 % inférieur au diamètre du réacteur dans lequel la première matière première de noir de carbone a été introduite auparavant.
Éventuellement, l’introduction de la matière première de noir de carbone à faible rendement dans le réacteur et dans le flux de réaction peut être effectuée à un emplacement qui se trouve à une distance de celui auquel la première matière première de noir de carbone est introduite ou injectée dans le réacteur, et cette distance peut être égale à au moins 1 ou au moins 2 fois le diamètre le plus petit, comme le diamètre 9 ou 64, de la chambre initiale 6 du réacteur (ou est égale à au moins 2 fois le diamètre du réacteur dans lequel la première matière première de noir de carbone a été introduite ou injectée). Cette distance peut être égale à au moins 2,25, au moins 2,5, au moins 2,75, au moins 3, au moins 3,25, au moins 3,5, au moins 3,75, ou au moins 4 fois le diamètre de la chambre initiale (par exemple, lorsque le gaz porteur et/ou la matière première est chauffé(e) électriquement) du réacteur (ou est égale à au moins 2,25, au moins 2,5, au moins 2,75, au moins 3, au moins 3,25, au moins 3,5, au moins 3,75, ou au moins 4 fois le diamètre du réacteur dans lequel la première matière première de noir de carbone a été introduite ou injectée).
La matière première de noir de carbone à faible rendement peut être introduite au niveau de l’emplacement 8 et/ou 59 par le biais d’un ou plusieurs injecteur(s).
Une fois que les matières premières (première matière première de noir de carbone et matière première de noir de carbone à faible rendement) ont été combinées avec le flux gazeux chauffé, les procédés de la présente invention comprennent généralement l’étape de refroidissement de la réaction.
La réaction est interrompue dans la zone de refroidissement du réacteur (voir 62 sur la ). Comme cela est illustré sur la , le refroidissement 62 se trouve en aval de la dernière zone d’injection de matière première et pulvérise un fluide de refroidissement, comme de l’eau, dans le flux des nouvelles particules de noir de carbone formées. En règle générale, le refroidissement sert à refroidir les particules de noir de carbone et à réduire la température du flux gazeux et la vitesse de réaction. La distance 67 correspond à la distance entre le début du dernier point d’injection de matière première et le point de refroidissement 62, et varie selon la position du refroidissement. Éventuellement, le refroidissement peut s’effectuer par étapes, ou avoir lieu en plusieurs points dans le réacteur. Une pulvérisation sous pression, une pulvérisation par atomisation gazeuse ou toute autre technique de refroidissement peut également être utilisée. En ce qui concerne le refroidissement complet des réactions afin de former le noir de carbone , n’importe quel moyen connu par l’homme du métier pour refroidir la réaction en aval de l’introduction des matières premières de noir de carbone peut être utilisé. Par exemple, un fluide de refroidissement, qui peut être de l’eau ou tout autre fluide adéquat, peut être injecté afin d’arrêter la réaction chimique.
Après le refroidissement, les gaz refroidis et le noir de carbone passent en aval dans n’importe quel moyen de refroidissement et de séparation conventionnel, moyennant quoi le produit est récupéré. La séparation du noir de carbone du flux gazeux est facilement réalisée par des moyens conventionnels tels qu’un précipitateur, un séparateur à cyclone, un filtre à sacs ou tout autre moyen connu par l’homme du métier. Une fois que le noir de carbone a été séparé du flux gazeux, il peut éventuellement être soumis à une étape de pelletisation.
Pour n’importe lequel des procédés de la présente invention, éventuellement, le noir de carbone produit n’est pas un noir de carbone qui présente un cœur et une couche supérieure.
Pour n’importe lequel des procédés de la présente invention, éventuellement, le noir de carbone est entièrement formé in situ dans le réacteur.
Éventuellement, un(e) ou plusieurs des matières premières de noir de carbone ou d’autres composants utilisés dans les procédés de la présente invention peuvent être préchauffé(e)s avant l’introduction dans le réacteur. Des températures et/ou des techniques de préchauffage adéquates peuvent être utilisées dans la présente invention, comme cela est indiqué, par exemple, dans le brevet US n°3 095 273 publié le 25 juin 1963 par Austin ; le brevet U.S. n°3 288 696 publié le 29 novembre 1966 par Orbach ; le brevet U.S. n°3 984 528 publié le 5 octobre 1976 par Cheng et al. ; le brevet U.S. n°4 315 901publié le 16 février 1982 par Cheng et al. ; le brevet U.S. n°4 765 964 publié le 23 août 1988 par Gravley et al. ; le brevet U.S. N°5 997 837 publié le 7 décembre 1999 par Lynum et al. Le brevet U.S n°7 097 822 publié le 29 août 2006 par Godal et al. ; le brevet U.S. n°8 871 173B2 publié le 28 octobre 2014 par Nester et al., ou CA 682982,. En variante ou en outre, la matière première de noir de carbone à faible rendement peut être préchauffée à une température supérieure à celle habituelle pour une matière première à plus haut rendement. Par exemple, la matière première de noir de carbone à faible rendement peut être chauffée à une température supérieure à 600°C, comme 600 à 800°C, même à pression ambiante. Étant donné que la matière première de noir de carbone à faible rendement présente une concentration réduite en asphaltènes, le chauffage à une température aussi élevée ne génère pas de quantités significatives de coke ou d’autres espèces solides autres que du noir de carbone. En variante ou en outre, une ou plusieurs des matières premières de noir de carbone peut/peuvent être combinée(s) avec un fluide adjuvant avant l’introduction dans le réacteur, comme cela est décrit par exemple dans le brevet U.S. n°10 829 642 de Unrau.
Éventuellement, le procédé est exécuté en l’absence d’au moins une substance qui est ou qui contient au moins un élément du groupe IA ou IIA (ou un ion de celui-ci) du tableau périodique.
Éventuellement, dans un quelconque des procédés de la présente invention, le procédé peut comprendre l’étape d’introduction d’au moins une substance qui est ou qui contient au moins un élément du groupe IA ou IIA (ou un ion de celui-ci) du tableau périodique. De préférence, la substance contient au moins un métal alcalin ou un métal alcalino-terreux. Il peut s’agir de lithium, de sodium, de potassium, de rubidium, de césium, de francium, de calcium, de baryum, de strontium ou de radium, ou de combinaisons de ceux-ci. Des mélanges d’un ou plusieurs de ces composants peuvent être présents dans la substance. La substance peut être un solide, une solution, une dispersion, un gaz ou n’importe quelle combinaison de ceux-ci. Plusieurs substances ayant un métal du groupe IA ou IIA identique ou différent peuvent être utilisées. Si plusieurs substances sont utilisées, elles peuvent être ajoutées ensemble, séparément, successivement ou à différents emplacements de réaction. Pour les besoins de la présente invention, la substance peut être le métal (ou ion de métal) lui-même, un composé contenant un ou plusieurs de ces éléments, y compris un sel contenant un ou plusieurs de ces éléments, et similaires. De préférence, la substance est capable d’introduire un métal ou un ion de métal dans la réaction en cours afin de former le produit de noir de carbone. Pour les besoins de la présente invention, de préférence, la substance est introduite avant le refroidissement complet, comme cela est décrit ci-dessus. Par exemple, la substance peut être ajoutée à n’importe quel point avant le refroidissement complet, y compris avant l’introduction de l’une des deux matière(s) première(s) de noir de carbone ; pendant l’introduction de l’une ou des deux matière(s) première(s) de noir de carbone ; après l’introduction de tout ou partie des matières premières de noir de carbone ; ou après l’introduction de toutes les matières premières, mais avant le refroidissement complet. Plusieurs points d’introduction de la substance peuvent être utilisés. La quantité de métal du groupe IA ou IIA qui contient la substance peut être n’importe quelle quantité, tant qu’un produit de noir de carbone peut être formé. Par exemple, la quantité de substance ajoutée peut être telle que 200 ppm ou plus de l’élément du groupe IA ou IIA soient présents dans le produit de noir de carbone formé à la fin. Les autres quantités peuvent être comprises entre environ 200 ppm et environ 5000 ppm ou plus, et les autres plages peuvent être comprises entre environ 300 ppm et environ 1000 ppm, ou entre environ 500 ppm et environ 1000 ppm de l’élément du groupe IA ou IIA présent dans le produit de noir de carbone formé. Ces niveaux peuvent dépendre de la concentration en ion de métal. Comme cela est indiqué, ces quantités d’élément du groupe IA ou IIA présent dans le produit de noir de carbone formé peuvent s’entendre par rapport à un ou plusieurs élément(s) du groupe IA ou IIA et sont par conséquent une quantité combinée des éléments du groupe IA ou IIA présents dans le produit de noir de carbone formé. La substance peut être ajoutée de n’importe quelle manière, y compris par n’importe quel moyen conventionnel. En d’autres termes, la substance peut être ajoutée de la même manière qu’une matière première de noir de carbone est introduite. La substance peut être ajoutée sous la forme d’un gaz, d’un liquide ou d’un solide, ou n’importe quelle combinaison de ceux-ci. La substance peut être ajoutée au niveau d’un ou plusieurs point(s) et peut être ajoutée sous la forme d’un seul flux ou d’une pluralité de flux. La substance peut être mélangée avec la matière première, un combustible et/ou un oxydant avant ou pendant leur introduction.
En ce qui concerne le noir de carbone formé par un quelconque des procédés de la présente invention, le noir de carbone formé ou produit peut être n’importe quel noir de carbone à grade de renforcement ou non. Les grades de renforcement peuvent être par exemple N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358 et N375. Les grades de semi-renforcement peuvent être par exemple N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787 et/ou N990.
Le noir de carbone peut être caractérisé par une surface, une structure, une taille d’agrégats, une forme et une distribution spécifiques ; et/ou les propriétés chimiques et physiques de la surface. Les propriétés du noir de carbone sont déterminées analytiquement par des tests connus dans l’art. Par exemple, la surface d’adsorption d’azote et la surface d’épaisseur statistique (STSA), une autre mesure de la surface, sont déterminées par l’adsorption d’azote selon la procédure de test ASTM D6556. L’indice d’iode peut être mesuré à l’aide de la procédure ASTM D1510. La « structure » du noir de carbone décrit la taille et la complexité des agrégats de noir de carbone formés par la fusion des particules primaires de noir de carbone les unes avec les autres. Telle qu’utilisée ici, la structure de noir de carbone peut être mesurée comme l’indice d’absorption d’huile (OAN) pour le noir de carbone non broyé, exprimé en millilitres d’huile pour 100 grammes de noir de carbone, selon la procédure définie dans ASTM D2414. L’indice d’absorption d’huile compressée (COAN) mesure la partie de la structure de noir de carbone qui n’est pas facilement altérée par l’application d’une contrainte mécanique. Le COAN est mesuré selon la norme ASTM D3493. La répartition de la taille des agrégats (ASD) est mesurée selon le procédé ISO 15825 à l’aide d’une photosédimentométrie avec centrifugeuse à disque, avec un modèle BI-DCP fabriqué par Brookhaven Instruments.
Les matériaux de noir de carbone qui présentent des propriétés adéquates pour une application spécifique peuvent être choisis et définis par les normes ASTM (voir, par exemple la norme ASTM D1765 Standard Classification System for Carbon Blacks Used in Rubber Products), comme les noirs de carbone N100, N200, N300, N500, N600, N700, N800 ou N900, les noirs de carbone N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787 ou N990, ou d’autres matériaux de qualité commerciale.
Le noir de carbone peut présenter n’importe quelle STSA comprise par exemple entre 5 m2/g et 250 m2/g, 11 m2/g et 250 m2/g, 20 m2/g et 250 m2/g ou plus, par exemple, d’au moins 70 m2/g, comme 70 m2/g à 250 m2/g, ou 80 m2/g à 200 m2/g ou 90 m2/g à 200 m2/g, ou 100 m2/g à 180 m2/g, 110 m2/g à 150 m2/g, 120 m2/g à 150 m2/g et similaires. Éventuellement, le noir de carbone peut présenter un indice d’iode (I2 No) compris entre environ 5 et environ 35 mg I2/g (selon la norme ASTM D1510).
Les particules de noir de carbone décrites ici peuvent présenter une BET, mesurée par la technique Brunauer/Emmett/Teller (BET) selon la procédure ASTM D6556, comprise entre 5 m2/g et 300 m2/g, comme entre 50 m2/g et 300 m2/g, comme entre 100 m2/g et 300 m2/g. La surface BET peut être comprise entre environ 100 m2/g et environ 200 m2/g ou entre environ 200 m2/g et environ 300 m2/g.
L’indice d’adsorption d’huile (OAN) peut être compris entre 40 ml/100g et 200 ml/100g, comme entre 60 ml/100g et 200 ml/100g, comme entre 80 ml/100g et 200 ml/100g, comme entre 100 ml/100g et 200 ml/100g ou entre 120 ml/100g et 200 ml/100g, ml/100g 140 ml/100g et 200 mm/100g ml/100g, 160 et 200 ml/100g, ou entre 40 ml/100g et 150 ml/100g ou 40 ml/100g et 150 ml/100g.
Le COAN peut être compris entre environ 40 ml/100 g et environ 150 ml/100g, comme entre environ 55 ml/100g et environ 150 ml/100g, comme entre environ 80 ml/100g et environ 150 ml/100g, ou entre environ 80 ml/100g et environ 120 ml/100g.
Le noir de carbone peut être un produit de carbone qui contient des espèces contenant du silicium et/ou des espèces contenant du métal et similaires, qui peut être obtenu en incluant l’étape supplémentaire d’introduction de ces espèces avec ou en plus de l’une ou des deux matières premières de noir de carbone. Le noir de carbone peut être, pour les besoins de la présente invention, un agrégat à phases multiples comprenant au moins une phase de carbone et au moins une phase d’espèces contenant du métal ou une phase d’espèces contenant du silicium (également désigné « noir de carbone traité au silicium, comme les matériaux ECOBLAK™ de Cabot Corporation).
Comme cela est indiqué, le noir de carbone peut être un noir de caoutchouc, et plus particulièrement un grade de renforcement de noir de carbone ou un grade de semi-renforcement de noir de carbone.
Éventuellement, le noir de carbone de la présente invention peut présenter des groupes fonctionnels ou des groupes chimiques (dérivés par exemple de molécules ou de polymères de taille réduite, ioniques ou non) qui sont directement reliés à la surface du carbone (de manière covalente, par exemple). Des exemples de groupes fonctionnels qui peuvent être directement reliés (de manière covalente, par exemple) à la surface des particules de noir de carbone et de procédés d’exécution de la modification de surface sont décrits, par exemple, dans le brevet U.S. n° 5 554 739 publié par Belmont le 10 septembre 1996 et le brevet U.S. n° 5 922 118 de Johnson et al. publié le 13 juillet 1999. À titre d’illustration, un noir de carbone à surface modifiée qui peut être utilisé ici est obtenu en traitant du noir de carbone avec des sels de diazonium formés par la réaction d’acide sulfanilique ou d’acide para-amino-benzoïque (PABA) avec du HCl et du NaNO2. La modification de surface par des processus d’acide sulfanilique ou d’acide para-amino-benzoïque à l’aide de sels de diazonium, par exemple, donne un noir de carbone qui présente des quantités effectives de groupes fonctionnels hydrophiles sur la couche de carbone.
La surface du noir de carbone peut être modifiée selon le brevet U.S. n°8 975 316 de Belmont et al..
D'autres techniques qui peuvent être utilisées pour fournir des groupes fonctionnels reliés à la surface du noir de carbone sont décrites dans le brevet U.S. n°7 300 964 publié par Niedermeier et al. le 27 novembre 2007.
Du noir de carbone oxydé (modifié) peut être préparé d’une manière similaire à celle utilisée sur le noir de carbone, comme cela est décrit, par exemple, dans le brevet U.S. n°7 922 805 publié par Kowalski et al. le 12 avril 2011, et dans le brevet U.S. n° 6 471 763 publié par Karl le 29 octobre 2002. Un noir de carbone oxydé est un noir de carbone qui a été oxydé à l’aide d’un agent oxydant afin d’introduire des groupes ioniques et/ou ionisables à la surface. Ces particules peuvent présenter un degré plus élevé de groupes contenant de l’oxygène à la surface. Les agents oxydants comprennent, sans s’y limiter, l’oxygène, l’ozone, les peroxydes tels que le peroxyde d’hydrogène, les persulfates, comme le persulfate de sodium et de potassium, les hypohalogénites tels que l’hypochlorite de sodium, les acides oxydants tels que l’acide nitrique, et les oxydants contenant un métal de transition, comme les sels de permanganate, le tétroxyde d’osmium, les oxydes de chrome, ou le nitrate d’ammonium. Des mélanges d’oxydants peuvent également être utilisés, et plus particulièrement des mélanges d’oxydants gazeux tels que de l’oxygène et de l’ozone. D’autres procédés de modification de surface, comme la chloration et la sulfonylation, peuvent également être utilisés pour introduire des groupes ioniques ou ionisables. Le noir de carbone peut être modifié en surface par n’importe quel procédé connu par l’homme du métier. Par exemple, le noir de carbone peut être traité thermiquement, comme cela est décrit dans le brevet US10767028.
Le noir de carbone peut être utilisé dans différentes applications, comme, en guise de renforcement dans des produits en caoutchouc, comme des composants de pneumatiques.
Le noir de carbone peut être intégré à des produits en caoutchouc, utilisés, par exemple, pour des bandes de roulement, et plus particulièrement des bandes destinées à des pneumatiques d’automobiles, de véhicules légers, de camions et de bus, des pneumatiques « tout terrain » (« OTR »), des pneumatiques d’avions et similaires ; des sous-chapes ; des couches de liaison ; des flancs ; de la gomme de pied destinée à des pneumatiques rechapés ; et d’autres usages liés à des pneumatiques.
Dans d’autres applications, les particules peuvent être utilisées dans des produits industriels en caoutchouc, comme des supports de moteurs, des supports hydrauliques, des appareils d’appui et des isolateurs sismiques, des chenilles ou bandes de roulement de chars d’assaut, des ceintures de minage, des tuyaux, des joints, des pales, des articles coupe-froid, des amortisseurs, des pièces anti-vibration, et autres.
Le noir de carbone peut être ajouté en variante ou en outre à des premiers agents de renforcement pour des composants de pneumatiques et/ou d’autres usages finaux en lien avec le caoutchouc industriel. Le noir de carbone peut être combiné avec du caoutchouc naturel et/ou synthétique dans le cadre d’un processus de mélange à sec ou humide adéquat qui repose sur un malaxeur discontinu interne, un malaxeur en continu ou un laminoir.
En variante, le noir de carbone peut être mélangé dans du caoutchouc via un processus de mélange-maître liquide. Par exemple, une boue qui contient les particules décrites ici peut également être combinée avec un latex élastomère dans une cuve puis coagulée par l’ajout d’un coagulant, comme un acide, à l’aide des techniques décrites dans le brevet U.S. n°6 841 606.
Le noir de carbone peut être introduit selon le brevet U.S. n°6 048 923 publié par Mabry et al. Le 11 avril 2000. Par exemple, un procédé de préparation d’un mélange-maître élastomère peut impliquer la fourniture simultanée d’un fluide à base de charge particulaire et d’un fluide à base de latex élastomère à une zone de mélange d’un réacteur de coagulum. Une zone de coagulum s’étend depuis la zone de mélange, de préférence en augmentant progressivement de manière transversale, dans la direction aval, entre une extrémité d’entrée et une extrémité de décharge. Le latex élastomère peut être naturel ou synthétique et la charge particulaire comprend, se compose essentiellement ou se compose du matériau décrit ci-dessus. La charge particulaire est fournie à la zone de mélange de préférence sous la forme d’un jet continu et à grande vitesse de fluide injecté, tandis que le fluide de latex est fourni à faible vitesse. La vitesse, le débit et la concentration en particules du fluide de charge particulaire sont suffisants pour provoquer un mélange à fort cisaillement du fluide de latex, et une faible turbulence du mélange dans au moins une partie amont de la zone de coagulum de façon à coaguler sensiblement la totalité du latex élastomère avec la charge particulaire avant l’extrémité de décharge. Une coagulation sensiblement complète peut se produire sans avoir besoin d’agent de coagulation à base d’acide ou de sel. Comme cela est décrit dans le brevet U.S. n°6 075 084, un élastomère supplémentaire peut être ajouté au matériau qui émerge de l’extrémité de décharge du réacteur de coagulum. Comme cela est décrit dans le brevet U.S. n°6 929 783, le coagulum peut ensuite être fourni à un équipement de déshydratation par extrusion. D’autres exemples de processus de mélange-maître adéquats sont décrits dans le brevet U.S. n° 6 929 783 de Chung et al. ; la demande de brevet US 2012/0264875A1 de Berriot et al. ; la demande de brevet U.S. 2003/0088006A1 de Yanagisawa et al. ; et le brevet EP 1 834 985 B1 publié par Yamada et al.
Le noir de carbone peut être évalué dans une formulation de caoutchouc adéquate, à l’aide de caoutchouc naturel ou synthétique. Les quantités adéquates de noir de carbone à utiliser peuvent être déterminées par des expérimentation et des calculs de routine, en tenant compte de facteurs tels que les charges typiques de noirs ASTM standard dans le cadre de processus de fabrication comparables, les paramètres spécifiques aux techniques et/ou équipements utilisés, la présence ou l’absence d’autres additifs, les propriétés souhaitées du produit final, etc.
Les performances du noir de carbone en tant qu’agent de renforcement pour des composés en caoutchouc peuvent être évaluées en déterminant, par exemple, les performances d’une composition de caoutchouc qui utilise les particules par rapport aux performances d’une composition de caoutchouc comparative qui est similaire en tous points, à l’exception de l’utilisation d’un grade de noir de carbone adapté à l’application donnée. Dans le cadre d’autres approches, les valeurs obtenues pour des compositions préparées selon l’invention peuvent être comparées avec les valeurs connues dans l’art et associées aux paramètres souhaités dans une application donnée.
Les tests de caoutchouc vert, les tests de durcissement et les tests de caoutchouc durci peuvent convenir. Parmi les tests de caoutchouc vert adéquats, ASTM D4483 définit un procédé de test pour le test de viscosité ML1+4 Mooney à 100°C. Le temps de grillage est mesuré selon la norme ASTM D4818.
La courbe de durcissement est obtenue par un analyseur de caoutchouc (RPA2000) à 0,5°, 100 cpm et 150C (NR) - 160C (SBR) selon la norme ASTM D5289.
Les caractéristiques de performances des échantillons durcis peuvent être déterminées à l’aide d’une série de tests adéquats. La résistance à la traction, l’allongement à la rupture et la résistance à différentes déformations (ex. : 100 % et 300 %) sont obtenus via la méthode A de la norme ASTM D412. Les propriétés mécaniques dynamiques, comme le module de conservation, le module de perte et tan δ sont obtenues à l’aide d’un test de déformation à 10 Hz, 60C et différentes amplitudes de déformation entre 0,1 % et 63 %. La dureté Shore A est mesurée selon la norme ASTM D2240. La résistance au déchirement d’échantillons de caoutchouc durcis de type « Die B » est mesurée selon la norme ASTM D624.
La surface non dispersée est calculée en analysant les images obtenues par microscopie optique à mode de réflexion pour des composés de caoutchouc durcis d’une surface transversale découpée, selon différents procédés. La dispersion peut également être représentée par la valeur Z (mesurée, après réticulation, selon le procédé décrit par S. Otto et Al dans Kautschuk Gummi Kunststoffe, 58 Jahrgang, NR 7-8/2005, article intitulé « New Reference value for the description of Filler Dispersion with the Dispergrader 1000NT ». La norme ISO 11345 définit des procédés visuels d’évaluation rapide et comparative du degré de macrodispersion de noir de carbone et de noir de carbone/silice dans du caoutchouc.
La résistance à l’abrasion est quantifiée sous la forme d’un indice sur la base de la perte d’abrasion d’un caoutchouc durci par une machine d’abrasion de Cabot (de type Lambourn). Des résultats de résistance à l’abrasion attractifs peuvent indiquer des propriétés d’usure avantageuses. De bons résultats d’hystérèse peuvent être liés à une faible résistance au roulement (et donc une meilleure économie en carburant) pour les applications liées aux pneumatiques de véhicules à moteur, une diminution de l’accumulation de chaleur, une durabilité prolongée des pneumatiques, des bandes de roulement et des carcasses, des économies de carburant pour les véhicules à moteur, etc.
L’indice d’iode (I2 No.) est déterminé selon la procédure de test ASTM D1510. La STSA (surface d’épaisseur statistique) est déterminée sur la base de la procédure de test ASTM D-5816 (mesurée par adsorption d’azote). L’indice d’adsorption d’huile est déterminé sur la base de la norme ASTM D2414. L’indice d’adsorption d’huile compressée est déterminé sur la base de la norme ASTM D3493 (ex. : D3493-20).
Sauf mention contraire, toutes les proportions de matériaux décrites sous forme de pourcentage ici s’entendent en pourcentage en poids.
La présente invention va être davantage clarifiée par les exemples suivants, qui sont destinés à être uniquement exemplaires.
La présente invention comprend les aspects/modes de réalisation/caractéristiques suivants, dans n’importe quel ordre et/ou n’importe quelle combinaison :
1. Procédé de fabrication d’un noir de carbone comprenant :
- le chauffage électrique d'un gaz porteur afin de former un gaz porteur chauffé de sorte que la pyrolyse d’au moins une partie d’une matière de première de noir de carbone se produise dans un réacteur de noir de carbone par contact avec ledit gaz porteur chauffé, dans lequel la matière première de noir de carbone comprend au moins une première matière première de noir de carbone et au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement ;
- la combinaison de la au moins une première matière première de noir de carbone avec ledit gaz porteur chauffé afin de former un flux de réaction, dans lequel la au moins une première matière première de noir de carbone comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ;
- la combinaison, en aval, d’au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement avec ledit flux de réaction présent afin de former le noir de carbone, dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ; et
- la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction, dans lequel la première matière première de noir de carbone est un liquide à température et pression ambiantes, et présente les propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) ≥ 100,
- un rapport atomique H:C ≤ 1,23, et
- une gravité spécifique > 1,02 ;
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 100, ou
- un rapport atomique H:C > 1,23, ou
- une gravité spécifique ≤ 1,02, ou
- est un gaz à température et pression ambiantes, et
dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids, sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone, et la au moins une première matière première de noir de carbone est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone.
2. Procédé de fabrication d’un noir de carbone comprenant :
- le chauffage électrique d'un gaz porteur afin de former un gaz porteur chauffé de sorte que la pyrolyse d’au moins une partie d’une matière de première de noir de carbone se produise dans un réacteur de noir de carbone par contact avec ledit gaz porteur chauffé, dans lequel la matière première de noir de carbone comprend au moins une première matière première de noir de carbone et au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement ;
- la combinaison de la au moins une première matière première de noir de carbone et de la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement sous forme de mélange ou d’ajouts distincts au même emplacement ou quasiment au même emplacement, avec ledit gaz porteur chauffé afin de former un flux de réaction, dans lequel la au moins une première matière première de noir de carbone comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone et la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ; et
- la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction, dans lequel la première matière première de noir de carbone est un liquide à température et pression ambiantes, et présente les propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) ≥ 100,
- un rapport atomique H:C ≤ 1,23, et
- une gravité spécifique > 1,02 ;
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 100, ou
- un rapport atomique H:C > 1,23, ou
- une gravité spécifique ≤ 1,02, ou
- est un gaz à température et pression ambiantes, et
dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids, sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone, et la au moins une première matière première de noir de carbone est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone.
3. Procédé de fabrication d’un noir de carbone comprenant :
- le chauffage électrique d’au moins une première matière première de noir de carbone afin de former un flux de réaction de sorte que la pyrolyse d’au moins une partie de la au moins une première matière première de noir de carbone se produise dans un réacteur de noir de carbone, dans lequel la au moins une première matière première de noir de carbone comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ;
- la combinaison, en aval, d’au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement avec ledit flux de réaction présent afin de former le noir de carbone, dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ; et
- la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction, dans lequel la première matière première de noir de carbone est un liquide à température et pression ambiantes, et présente les propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) ≥ 100,
- un rapport atomique H:C ≤ 1,23, et
- une gravité spécifique > 1,02 ;
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 100, ou
- un rapport atomique H:C > 1,23, ou
- une gravité spécifique ≤ 1,02, ou
- est un gaz à température et pression ambiantes, et
dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids, sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone, et la au moins une première matière première de noir de carbone est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone.
4. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, comprenant en outre le chauffage électrique de la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement.
5. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel le chauffage électrique de la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend le chauffage de la matière première de noir de carbone à faible rendement à une température comprise entre 600 et 800°C.
6. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, comprenant en outre le chauffage électrique d’au moins une première matière première de noir de carbone et de la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement.
7. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ledit chauffage électrique est réalisé à l’aide d’un arc.
8. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ledit chauffage électrique est réalisé à l’aide d’un élément chauffant résistif ou à induction.
9. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel l’élément chauffant est de l’oxyde de magnésium ou de la zircone stabilisée à l’yttrium.
10. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ledit gaz porteur chauffé présente une température supérieure à 2000°C.
11. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ledit chauffage électrique est réalisé à l’aide d’un procédé à induction ou à micro-ondes qui empêche tout contact direct entre une électrode et un gaz porteur ou la matière première de noir de carbone.
12. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ledit chauffage électrique est réalisé à l’aide d’un arc de plasma ou d’un élément chauffant en contact direct avec ladite matière première de noir de carbone.
13. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement est au moins l’une de ce qui suit :
- ledit indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 95, ou
- ledit gaz à température et pression ambiantes, ou
- ledit rapport atomique H:C > 1,3, ou
- ladite gravité spécifique ≤ 1.
15. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins l’un de ce qui suit : une huile dérivée d’un végétal ou de toute autre plante, de l’éthanol biosourcé, une cire ou une résine produite par une plante ou un animal, une huile issue de graisse animale, une huile algale, une huile issue de la pyrolyse de boues d’épuration ou de déchets agricoles, un liquide de sous-produit issu du traitement d’une matière biogénique, un liquide produit par liquéfaction hydrothermique d’une biomatière, une résine liquide brute, un colophane de résine liquide, un brai de résine liquide, ou un acide gras de résine liquide, une huile produite à partir de matières recyclées, une huile dérivée de la pyrolyse de pneumatiques hors normes, rejetés ou en fin de vie, une huile dérivée de la pyrolyse de produits en plastique ou en caoutchouc mis au rebut ou recyclés, une huile dérivée de la pyrolyse de déchets municipaux solides, ou une huile dérivée de la pyrolyse de biomasse, ou une quelconque combinaison de ce qui précède.
16. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel la au moins première matière première de noir de carbone comprend un ou plusieurs de graisses de décantation, de boues huileuses décantées, de goudron de houille, d’un dérivé de goudron de houille, d’un résidu d’unité de craquage d’éthylène, ou d’un résidu d’unité de craquage de phénol.
17. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel la première matière première de noir de carbone est une fraction obtenue à partir de la distillation d’huile de pyrolyse de pneumatiques.
18. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement représente 50 à 90 % en poids d’une matière première totale utilisée dans le cadre dudit procédé.
19. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement représente 60 à 90 % en poids d’une matière première totale utilisée dans le cadre dudit procédé. 20. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel le réacteur de noir de carbone possède une première chambre dans laquelle ledit chauffage électrique se produit et un goulot d’étranglement en aval de la première chambre et une chambre de réaction en aval du goulot d’étranglement et une zone de refroidissement en aval de la chambre de réaction, et dans lequel la première matière première de noir de carbone est injectée dans ledit goulot d’étranglement et la matière première de noir de carbone à faible rendement est injectée après ledit goulot d’étranglement.
21. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ledit réacteur de noir de carbone comprend un second goulot d’étranglement en aval de ladite chambre de réaction et avant ladite zone de refroidissement, et ladite matière première de noir de carbone à faible rendement est injectée dans ledit second goulot d’étranglement.
22. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite au moins première matière première de noir de carbone est introduite dans ledit réacteur de noir de carbone à un premier emplacement et à au moins un emplacement distinct en aval du premier emplacement.
23. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel la quantité de première matière première de noir de carbone introduite au premier emplacement est supérieure à 50 % de la quantité totale de la première matière première de noir de carbone.
24. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite au moins matière première de noir de carbone à faible rendement est introduite dans ledit réacteur de noir de carbone à au moins deux emplacements distincts, avec l’un des emplacements distincts qui se trouve en aval de l’autre.
25. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite au moins une première matière première de noir de carbone est un mélange qui comprend moins de 50 % en poids d’une matière première de noir de carbone à faible rendement sur la base du poids total de ladite première matière première de noir de carbone.
26. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite au moins une première matière première de noir de carbone est un mélange qui comprend moins de 5 % en poids d’une matière première de noir de carbone à faible rendement sur la base du poids total de ladite première matière première de noir de carbone.
27. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est un mélange qui comprend moins de 50 % en poids d’une matière première de noir de carbone à haut rendement sur la base du poids total de ladite matière première de noir de carbone à faible rendement.
28. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est un mélange qui comprend moins de 5 % en poids d’une matière première de noir de carbone à haut rendement sur la base du poids total de ladite matière première de noir de carbone à faible rendement.
29. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite matière première de noir de carbone à faible rendement présente ladite valeur BMCI < 100.
30. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite matière première de noir de carbone à faible rendement présente ledit rapport atomique H:C > 1,23.
31. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ladite matière première de noir de carbone à faible rendement est ledit gaz à température et pression ambiantes.
32. Procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants, dans lequel ledit noir de carbone récupéré est un noir de carbone de grade N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787 ou N990.
33. Noir de carbone fabriqué à partir d’un quelconque procédé selon l’un(e) quelconque des modes de réalisation/caractéristiques/aspects précédents ou suivants,
La présente invention peut comprendre n’importe quelle combinaison des différent(e)s caractéristiques ou modes de réalisation ci-dessus ci-dessous tels que définis dans les phrases et/ou paragraphes du présent document. Toute combinaison de caractéristiques décrites ici est considérée comme faisant partie de la présente invention et aucune limitation n’est prévue quant aux caractéristiques qui peuvent être combinées.
En outre, lorsqu’une quantité, une concentration ou tout(e) autre valeur ou paramètre est indiqué(e) sous la forme d’une plage, d’une plage préférée ou d’une liste de valeurs supérieures préférables et de valeurs inférieures préférables, cela doit être compris comme décrivant spécifiquement toutes les plages formées à partir de n’importe quelle paire d’une quelconque limite de plage supérieure ou valeur préférée et d’une quelconque limite de plage inférieure ou valeur préférée, que les plages soient décrites séparément ou non. Lorsqu’une plage de valeurs numériques est citée ici, sauf mention contraire, la plage est destinée à inclure les points limites de celle-ci, et l’ensemble des entiers et fractions qui font partie de cette plage. Il n’est pas prévu que l’étendue de l’invention soit limitée aux valeurs spécifiques citées lors de la définition d’une plage.
D’autres modes de réalisation de la présente invention seront apparents pour l’homme du métier à partir de la présente description et de la pratique de la présente invention décrite ici. Il est prévu que la présente description et les exemples soient considérés comme exemplaires uniquement, et que la véritable étendue de l’invention soit indiquée par les revendications suivantes et équivalents de celles-ci.
Claims (32)
- Procédé de fabrication d’un noir de carbone comprenant :
- le chauffage électrique d'un gaz porteur afin de former un gaz porteur chauffé de sorte que la pyrolyse d’au moins une partie d’une matière de première de noir de carbone se produise dans un réacteur de noir de carbone par contact avec ledit gaz porteur chauffé, dans lequel la matière première de noir de carbone comprend au moins une première matière première de noir de carbone et au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement ;
- la combinaison de la au moins une première matière première de noir de carbone avec ledit gaz porteur chauffé afin de former un flux de réaction, dans lequel la au moins une première matière première de noir de carbone comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ;
- la combinaison, en aval, d’au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement avec ledit flux de réaction présent afin de former le noir de carbone, dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ; et
- la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction, dans lequel la première matière première de noir de carbone est un liquide à température et pression ambiantes, et présente les propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) ≥ 100,
- un rapport atomique H:C ≤ 1,23, et
- une gravité spécifique > 1,02 ;
et dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement présente au moins l’une des propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 100, ou
- un rapport atomique H:C > 1,23, ou
- une gravité spécifique ≤ 1,02, ou
- est un gaz à température et pression ambiantes, et
dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids, sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone, et la au moins une première matière première de noir de carbone est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone. - Procédé de fabrication d’un noir de carbone comprenant :
- le chauffage électrique d'un gaz porteur afin de former un gaz porteur chauffé de sorte que la pyrolyse d’au moins une partie d’une matière de première de noir de carbone se produise dans un réacteur de noir de carbone par contact avec ledit gaz porteur chauffé, dans lequel la matière première de noir de carbone comprend au moins une première matière première de noir de carbone et au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement ;
- la combinaison de la au moins une première matière première de noir de carbone et de la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement sous forme de mélange ou d’ajouts distincts au même emplacement ou quasiment au même emplacement, avec ledit gaz porteur chauffé afin de former un flux de réaction, dans lequel la au moins une première matière première de noir de carbone comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone et la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ; et
- la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction, dans lequel la première matière première de noir de carbone est un liquide à température et pression ambiantes, et présente les propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) ≥ 100,
- un rapport atomique H:C ≤ 1,23, et
- une gravité spécifique > 1,02 ;
et dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement présente au moins l’une des propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 100, ou
- un rapport atomique H:C > 1,23, ou
- une gravité spécifique ≤ 1,02, ou
- est un gaz à température et pression ambiantes, et
dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids, sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone, et la au moins une première matière première de noir de carbone est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone. - Procédé de fabrication d’un noir de carbone comprenant :
- le chauffage électrique d’au moins une première matière première de noir de carbone afin de former un flux de réaction de sorte que la pyrolyse d’au moins une partie de la au moins une première matière première de noir de carbone se produise dans un réacteur de noir de carbone, dans lequel la au moins une première matière première de noir de carbone comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ;
- la combinaison, en aval, d’au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement avec ledit flux de réaction présent afin de former le noir de carbone, dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins 10 % en poids de la matière première totale de noir de carbone ; et
- la récupération du noir de carbone dans le flux de réaction, dans lequel la première matière première de noir de carbone est un liquide à température et pression ambiantes, et présente les propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) ≥ 100,
- un rapport atomique H:C ≤ 1,23, et
- une gravité spécifique > 1,02 ;
et dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement présente au moins l’une des propriétés suivantes :
- un indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 100, ou
- un rapport atomique H:C > 1,23, ou
- une gravité spécifique ≤ 1,02, ou
- est un gaz à température et pression ambiantes, et
dans lequel la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids, sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone, et la au moins une première matière première de noir de carbone est présente dans une quantité comprise entre 10 % en poids et 90 % en poids sur la base de ladite matière première totale de noir de carbone. - Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre le chauffage électrique de la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement.
- Procédé selon la revendication 4, dans lequel le chauffage électrique de la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement comprend le chauffage de la matière première de noir de carbone à faible rendement à une température comprise entre 600 et 800°C.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre le chauffage électrique d’au moins une première matière première de noir de carbone et de la au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit chauffage électrique est réalisé à l’aide d’un arc.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit chauffage électrique est réalisé à l’aide d’un élément chauffant résistif ou à induction.
- Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’élément chauffant est de l’oxyde de magnésium ou de la zircone stabilisée à l’yttrium.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ledit gaz porteur chauffé présente une température supérieure à 2000°C.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit chauffage électrique est réalisé à l’aide d’un procédé à induction ou à micro-ondes qui empêche tout contact direct entre une électrode et un gaz porteur ou la matière première de noir de carbone.
- Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit chauffage électrique est réalisé à l’aide d’un arc de plasma ou d’un élément chauffant en contact direct avec ladite matière première de noir de carbone.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement est au moins l’une de ce qui suit :
- ledit indice de corrélation du U.S. Bureau of Mines (BMCI) < 95, ou
- ledit gaz à température et pression ambiantes, ou
- ledit rapport atomique H:C > 1,3, ou
- ladite gravité spécifique ≤ 1.0.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement présente ladite gravité spécifique de 1,02 au maximum.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite matière première de noir de carbone à faible rendement comprend au moins l’un de ce qui suit : une huile dérivée d’un végétal ou de toute autre plante, de l’éthanol biosourcé, une cire ou une résine produite par une plante ou un animal, une huile issue de graisse animale, une huile algale, une huile issue de la pyrolyse de boues d’épuration ou de déchets agricoles, un liquide de sous-produit issu du traitement d’une matière biogénique, un liquide produit par liquéfaction hydrothermique d’une biomatière, une résine liquide brute, un colophane de résine liquide, un brai de résine liquide, ou un acide gras de résine liquide, une huile produite à partir de matières recyclées, une huile dérivée de la pyrolyse de pneumatiques hors normes, rejetés ou en fin de vie, une huile dérivée de la pyrolyse de produits en plastique ou en caoutchouc mis au rebut ou recyclés, une huile dérivée de la pyrolyse de déchets municipaux solides, ou une huile dérivée de la pyrolyse de biomasse, ou une quelconque combinaison de ce qui précède.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la au moins première matière première de noir de carbone comprend un ou plusieurs de graisses de décantation, de boues huileuses décantées, de goudron de houille, d’un dérivé de goudron de houille, d’un résidu d’unité de craquage d’éthylène, ou d’un résidu d’unité de craquage de phénol.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première matière première de noir de carbone est une fraction obtenue à partir de la distillation d’huile de pyrolyse de pneumatiques.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement représente 50 à 90 % en poids d’une matière première totale utilisée dans le cadre dudit procédé.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matière première de noir de carbone à faible rendement représente 60 à 90 % en poids d’une matière première totale utilisée dans le cadre dudit procédé.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur de noir de carbone possède une première chambre dans laquelle ledit chauffage électrique se produit et un goulot d’étranglement en aval de la première chambre et une chambre de réaction en aval du goulot d’étranglement et une zone de refroidissement en aval de la chambre de réaction, et dans lequel la première matière première de noir de carbone est injectée dans ledit goulot d’étranglement et la matière première de noir de carbone à faible rendement est injectée après ledit goulot d’étranglement.
- Procédé selon la revendication 20, dans lequel ledit réacteur de noir de carbone comprend un second goulot d’étranglement en aval de ladite chambre de réaction et avant ladite zone de refroidissement, et ladite matière première de noir de carbone à faible rendement est injectée dans ledit second goulot d’étranglement.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins première matière première de noir de carbone est introduite dans ledit réacteur de noir de carbone à un premier emplacement et à au moins un emplacement distinct en aval du premier emplacement.
- Procédé selon la revendication 22, dans lequel la quantité de première matière première de noir de carbone introduite au premier emplacement est supérieure à 50 % de la quantité totale de la première matière première de noir de carbone.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins matière première de noir de carbone à faible rendement est introduite dans ledit réacteur de noir de carbone à au moins deux emplacements distincts, avec l’un des emplacements distincts qui se trouve en aval de l’autre.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une première matière première de noir de carbone est un mélange qui comprend moins de 50 % en poids d’une matière première de noir de carbone à faible rendement sur la base du poids total de ladite première matière première de noir de carbone.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une première matière première de noir de carbone est un mélange qui comprend moins de 5 % en poids d’une matière première de noir de carbone à faible rendement sur la base du poids total de ladite première matière première de noir de carbone.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est un mélange qui comprend moins de 50 % en poids d’une matière première de noir de carbone à haut rendement sur la base du poids total de ladite matière première de noir de carbone à faible rendement.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une matière première de noir de carbone à faible rendement est un mélange qui comprend moins de 5 % en poids d’une matière première de noir de carbone à haut rendement sur la base du poids total de ladite matière première de noir de carbone à faible rendement.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite matière première de noir de carbone à faible rendement présente ladite valeur BMCI < 100.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite matière première de noir de carbone à faible rendement présente ledit rapport atomique H:C > 1,23.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite matière première de noir de carbone à faible rendement est ledit gaz à température et pression ambiantes.
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