NO176522B - Fremgangsmåte ved fremstilling av karbon med definerte fysikalske egenskaper samt apparat for gjennomföring av fremgangsmåten - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av karbon med definerte fysikalske egenskaper samt et apparat for gjennomføring av fremgangsmåten.

Apparatet omfatter en spaltningsreaktor og en plasmabrenner i tilknytning til denne for termisk spalting av hydrokarbongasser og spaltningsreaktoren kort benevnt reaktoren er utformet som et avgrenset, isolert rom med innløp for tilsetningsstoffer/gasser gjennom reaktorrommets vegger. Det er kjent i forbindelse med spaltning av hydrokarboner i plasmabrennere å anordne reaktorkammere for videre behandling av reaksjonsproduktene eller spaltningsproduktene. Slike reaktorer er f.eks. kjent til fremstilling av acetylen. Det har også vært benyttet reaktorkammere i forbindelse med fremstilling av karbon og hydrogen hvor man har innstilt spesielle temperaturer i reaktoren for å oppnå en spesiell egenskap for sluttproduktet.

Fra EP 411 160, EP 315 442, US 4 213 939 og US 4 824 643 er kjent frem-gangsmåter og reaktorer som benytter den tradisjonelle fremstillingsmetoden for produksjon av carbon black, hvor oppvarmingen foregår ved fullstendig eller ufullstendig forbrenning av hydrokarboner ved tilførsel av luft. Reaktorene er utformet med en eller flere venturier for å oppnå øket forbrenningsgasshastighet. Hydrokarboner i form av olje blir tilført gjennom en eller flere tilførselskanaler i reaktorens vegger. Hydrokarbonene som tilføres er imidlertid ikke forvarmet og anvendes ikke for temperaturregulering i reaktoren.

Fra GB 1 400 266 er kjent en fremgangsmåte og en plasmareaktor for produksjon av carbon black. Plasmareaktoren er utformet med to rørformede elektroder plassert etter hverandre. Som plasmadannende gass anvendes hydrokarboner som føres aksialt gjennom plasmareaktoren. Hydrokarboner kan også tilføres gjennom tilførselsåpninger i plasmareaktorens sidevegger for bedre å utnytte plasma-varmen slik at effektiviteten økes og i nedre del av plasmareaktoren for kjøling av produktene. Hydrokarbonene som tilføres er ikke forvarmet og anvendes ikke for temperaturregulering i reaktoren.

Det er videre kjent å innføre spesielle gasser langs reaktorveggene for å unngå avsetninger og for å kjøle veggområdene.

Man har imidlertid ved alle disse kjente reaktorer ikke oppnådd en tilstrekkelig jevn kvalitet for det dannede karbon med hensyn til dets struktur. Dette skyldes sannsynligvis dannelsen av forskjellige, vilkårlige temperatursoner i reaktoren, som fører til en ukontrollert karbonutvikling og derved en relativt uspesifisert kvalitet på sluttproduktet. Ved innføring av gass langs reaktorveggen for å hindre avsetning er det oppstått lignende bieffekt og etablering av temperatursoner som har hatt en uheldig påvirkning på produktene. Uten slike gasser har man svært ofte hatt problemer med avsetning på reaktorveggene som har medført driftsstans for avskraping, slik at reaktoren igjen effektiviseres. Disse problemer har ført til at reaktorer stort sett har vært kjørt med intermitterende drift med derav følgende, økende driftsomkostninger.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte ved fremstilling av karbon med definerte fysikalske egenskaper samt å tilveiebringe en reaktor som muliggjør en større kontroll over de produkter som fremstilles.

Det er videre en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe en reaktor som kan holdes kontinuerlig i drift og hvor man har nøye kontroll over temperaturut-viklingen gjennom hele reaktoren, hvor det er mulig å styre eventuelle tilset-ninger og således å fremstille et produkt med en ønsket kvalitet og fysikalske egenskaper.

Disse hensikter oppnås ved en fremgangsmåte og et apparat av den inn-ledningsvis nevnte art, som er kjennetegnet ved det som fremgår av patent-kravene.

Ved fremgangsmåten og ved reaktoren i henhold til oppfinnelsen benytter man seg av muligheten til å styre både tilførsel av ytterligere utgangsprodukter i selve reaktorrommet og til å styre temperaturforholdene. Det gis dessuten mulighet til å tilføre ønskede tilsetningsstoffer til sluttproduktene fra reaktoren. Man har overraskende funnet at det ved tilsetning av ytterligere utgangsprodukt, dvs. hydrokarbongass i reaktorkammeret kan oppnås en styring av strukturen for det dannede karbon. Det hydrokarbon som spaltes i reaktoren er fortrinnsvis en naturgass eller metan, som utgjør en meget ren hydrokarbonblanding, slik at det i reaktoren inntrer hovedsakelig helt rent karbon og rent hydrogen. Karbonet som spaltes i brenneren strømmer inn i reaktorkammeret og fordeles i dette. I henhold til oppfinnelsen tilføres ytterligere naturgass eller metan som på forhånd kan være oppvarmet til en ønsket temperatur, f.eks. gjennom innløp i reaktorveggen eller varmevekslet mot produktstrømmen ut fra reaktorrommet. Denne metan spaltes i reaktoren på tilsvarende måte som det metan som kommer fra plasmabrenneren, men da det her foreligger en temperaturforskjell vil disse allerede dannede karbonpartikler virke som kim på hvilket det spaltede karbon tilført gjennom reaktorens sidevegg vil avsette seg og vokse på disse kimer til større sotpartikler eller karbonpartikler. Denne avsetning eller vekst av karbonpartikler vil kunne styres ved styring av tilførselsmengde av hydrokarboner i reaktorkammeret, ved styring av innmatingstemperaturen for det ytterligere kar-bonmateriale og ved tilsetning i flere soner med forskjellig temperatur, slik at det fremkommer en stmkturutvikling på kimene av karbon fra plasmabrenneren. Denne bevisste styring av temperaturforholdene, tilsetningen og tilsetningssted gir muligheten til innstilling av nøyaktig de strukturforhold for det utviklede karbon som er ønsket. Styringsmekanismen i reaktorkammeret kan også være slik at det kan være ønskelig ikke å tilføre ytterligere hydrokarbongass i reaktorkammeret, men kun foreta en temperaturpåvirkning, slik at det dannede karbon beholder sin struktur, idet det avkjøles i et ønsket tempo på sin vei gjennom reaksjonskammeret og derved ikke påvirkes ukontrollert eller ufordelaktig av temperaturforandringen.

I reaktorkammeret kan det på tilsvarende måte innføres tilsetningsstoffer som også vil avsette seg i karbonet og gi ønskede effekter med hensyn til karbonets anvendelsesområder.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjelp av et utførelses-eksempel, som rent skjematisk er fremstilt på tegningen, som illustrerer prinsippene for utformingen av reaktoren ifølge oppfinnelsen.

På tegningen er det vist grunnkonseptet for et reaktorkammer, idet en fagman vil være i stand til å utvikle de tekniske løsninger ved hjelp av velkjente midler. Reaktorkammeret slik det er illustrert her er av samme prinsippielle art som beskrevet i søkerens norske patentsøknad 91 4904 Selve spaltningsreaktoren er generelt betegnet med 1. Plasmabrenneren er betegner med 2 og de i reaktoren inntredende spaltningsprodukter, karbon og hydrogen er generelt betegnet med 3. Her angitt med piler. Spaltningsproduktene vil fordele seg i reaktoren og karbonandelen vil påvirkes og utvikles på de herskende temperaturforhold.

I reaktorens sidevegger er det anordnet innføringsrør for ytterligere hydrokarbongasser av samme art som innføringsmediet. Disse gasser er oppvarmet på forhånd og kan ha en temperatur mellom 1000 og 2000° i rommets øvre område mens gasser med lavere temperatur kan innføres lenger nede i reaktoren. Inn- føringsrørene er betegnet med 4. Gjennom disse innføringsrør 4 eller dyser kan det også tilføres tilsetningsstoffer eller det kan her kun tilføres oppvarmingsgasser f.eks. hydrogen for å opprettholde spesielle temperaturbetingelser i reaktoren. De varme hydrokarbongasser som strømmer inn i reaktoren fra siden vil også spaltes og det dannede karbon vil avsette seg på karbonet fra plasmabrenneren som vil danne kimer, slik at disse kimer gror til partikler. Ved innstilling av temperaturen for innføringen av tilleggsgassene kan således partik-kelveksten styres for derved også å styre de fysikalske egenskaper for det dannede karbon. Dette kan gjøres i de forskjellige soner langs reaktoren eller ved spesielle innstillinger av temperaturene. Tilføringsstoffer som innføres gjennom slike innføringsrør vil også avsette seg på karbonet og gi de ønskede sideeffekter. Hvis det er ønsket spesielle kvaliteter basert på spesielle temperaturforhold kan man også utelate tilføring av hydrokarboner gjennom innførings-rørene men kun sørge for opprettholdelsen av bestemte temperatursoner for spaltningsproduktene fra plasmabrenneren.

Det skulle således være klart at det ved hjelp av reaktoren ifølge oppfinnelsen er mulig å oppnå spesielle strukturer og fysikalske egenskaper for det dannede karbon, slik at det er mulig å fremstille et spesialprodukt som er tilpasset den senere bruk.

Det er ovenfor kun beskrevet prinsippene for oppbyggingen av en slik reaktor og en fremgangsmåte til fremstilling av spesielle kvaliteter av karboner. Det skulle av den ovenfor-stående beskrivelse være klart at mange modifikasjoner ville være mulig innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av karbon med definerte fysikalske egenskaper i en spaltningsreaktor (1) hvor spaltningsreaktoren (1) står i tilknytning til en plasmabrenner (2) og er utstyrt med tilførselskanaler (4) gjennom sine reaktorvegger,karakterisert vedat det i tillegg til spaltningsproduktene (3) fra plasmabrenneren (2) innføres ytterligere hydrokarbongass og/eller oppvarmingsgass fra tilførselskanaler (4) gjennom spaltningsreaktorens (1) sidevegger ved en temperatur melllom 1000°C og 2000°C i spaltningsreaktorens

(1) øvre område, og gass med lavere temperatur enn 1000°C innføres ved et eller flere steder lenger nede i spaltningsreaktoren (1) med økende avstand fra plasmabrenneren (2), idet tilførselen av ytterligere hydrokarbongass/oppvarmingsgass styres for innstilling av en forutbestemt temperaturfordeling i spaltningsreaktoren (1), og med tilførsel av definerte mengder hydrokarbongasser gjennom tilførselsrørene (4), for i og for seg kjent spalting av de tilførte gasser i karbon og hydrogen, slik at karbonet fra tilførselsrørene (4) avsetter seg på karbonet fra plasmabrenneren (2) og utvikler partikler med ønskede egenskaper.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat det gjennom innføringsrørene (4) kun tilføres oppvarmede hydrokarbongasser av samme art som gjennom plasmabrenneren (2) .

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat det gjennom innføringsrørene (4) kun inn-føres oppvarmingsgasser.

4. Apparat for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge krav 1 for fremstilling av karbon omfattende en spaltningsreaktor (1) og en plasmabrenner (2) i tilknytning til denne, hvor spaltningsreaktoren (1) er utformet som et avgrenset, termisk isolert rom, med tilførselskanaler (4) for tilsetningsstoffer/gasser gjennom spaltningsreaktorens (1) vegger, karakterisert vedat tilførselskanalene (4) gjennom spaltningsreaktorens (1) vegger innbefatter tilførselskanaler for innføring av hydrokarbongasser og/eller oppvarmingsgasser, hvor tilførselskanalene (4) er utstyrt med temperaturreguleringsinnretninger for innstilling av ønskede temperatursoner i spaltningsreaktoren (1) og hvor tilførselskanalene (4) er tilsluttet ledninger med ventiler for alternativ tilførsel av oppvarmingsmedium, fortrinnsvis hydrogen, eller hydrokarbongass.