PT93040A - Reactor e processo para a producao de negro de fumo com distribuicao das dimensoes das particulas alargada - Google Patents

Description

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QQy^||^=CH|^I^LL=ç^EÃO "REACTOR E PROCESSO PARA A PRODUCflO DE NEGRO DE FUMO COM DISTRIBUIÇÃO DAS DIMENSÕES DAS PARTTCUIAS ALARGADAS11

Campo Técnico A presente invenção refere-se S produção de negro de fumo e, mais particularmente, â produção de negro de fumo com distribuição das dimensões das partículas alargadas,

Fundamento da Invenção 0 processo básico da produção de negro de fumo é bem conhecido. Geralmente, o negro de fumo e produzido injectando uma matéria prima de hidrocarbonetos Cde aqui em diante- denominada 11 hidrocarboneto fornecido como matéria prima") num fluxo de gases quentes contendo oxigénio, sendo o hidrocarboneto fornecido como matéria prima pirolisado e convertido num fumo antes de ser arrefecido rapidamente por uma pulverização de água, 0 gas quente e produzido queimando fuel numa câmara de combustão, 0 gas quente escoa-se da câmara de combustão para uma câmara de reacção que es^ tã em comunicação aberta com a câmara de combustão, 0’ hidrocarboneto fornecido como matéria prima e introduzido no gas quente enquanto o gas quente se escoa através da câmara de reacção, forman do-se assim uma mistura da reacção que compreende partículas de negro de fumo em formação, A mistura da reacção escoasse da câmara de reacção para uma câmara de saída* que esta em comunicação * 2

aberta com a camara de reacção, Em determinado ponto na câmara de saída introduz-se uma pulverização de arrefecimento na mistura da reacção que se escoa, baixando assim a temperatura da mistura da reacção abaixo do valor necessário para a produção do negro de fju mo e interrompendo-se a reacção de formação do carbono, As partículas de negro de fumo são depois separadas do fluxo de gls,

Ha varias propriedades fTsicas do negro de fumo que podem variar-se para produzir negros de fumo distintos, particularmente eficientes para certas aplicações, A distribuição das dimensões das partTculas e uma dessas propriedades físicas do negro de fumo e e uma medida da uniformidade das dimensões das partTculas individuais de negro de fumo, Num negro de fumo com uma distribuição das dimensões das partTculas estreita, as partTculas individuais de negro de fumo tem dimensões substaneialmente uniformes, Um negro de fumo com uma distribuição das dimensões das partTculas alar gada tem partTculas individuais de negro de fumo cujas dimensões, variam de maneira relativamente ampla, 0 negro de fumo com distribuição das dimensões das partTculas alargada e particularmente apropriado para ser usado como pigmento negro em tintas, plásticos e agentes de coloração ("to·· ners") xerogrãficos, Um negro de fumo com distribuição das dimensões das partTculas alargada tem algumas partTculas que são relativamente pequenas e outras que são reiativamente grandes, Quando se misturam as partTculas solidas de negro de fumo com um iTquido, as partTculas reiativamente pequenas preenchem os intervalos .entre as partTculas relativamente grandes, Quando se misturam as partTculas de negro de fumo com distribuição estreita das dimen- " 3 *

sões das partículas com um líquido, os Intervalos entre as partículas de carbono são completamente preenchidos com líquido porque não hã quaisquer partículas de carbono mais pequenas para preencher esses intervalos. Portanto, numa dada unidade de volume do líquido pode ajustar-se uma maior massa de partículas de negro de fumo com distribuição alargada das dimensões das partículas. Por conseguinte, pode usar-se uma carga maior de negro de fumo com distribuição das partículas alargada nas tintas e nos plásticos para obter tintas e plásticos negros mais escuros, Alem disso, o negro de fumo com distribuição das dimensões das partículas alargada dispersa-se mais facilmente nos líquidos, Alem disso, os negros de fumo com distribuição das dimensões das partículas alarg_a da não reduzem de maneira apreciável a lisura dos produtos de plástico extrudidos que contenham negro de fumo com distribuição das dimensões das partículas alargada, 0 negro de fumo com distribuição das dimensões das partículas alargada tem ate aqut sido produzido em reactores de negro de fumo nos quais o hidrocarboneto fornecido como matéria prima e injectado num fluxo de gás contendo oxigénio quente movendo-se em espiral com uma velocidade rélativamente baixa, Os reactores !de fumo com um fluxo do gas movendo-se em espiral denomfnam^se por vezes reactores "de fluxo tangencial", Embora estes reactores de fluxo tangencial da técnica anterior sejam eficientes para produzir negro de fumo com distribuição das partículas alargada, ha al^ guns inconvenientes para a produção de negro de fumo com distribuição das dimensões das partículas alargada num reactor de fluxo tangencial. Um inconveniente do reactor de fluxo tangencial ê que a força centrífuga criada pelo fluxo do gas em espiral tende a for çar o hidrocarboneto fornecido coroo matéria prima Injectado a cho car coro as paredes do reactor, 0 hidrocarboneto introduzido coroo roateria priroa relativamente frio introduzido no reactor transforma-se em coque ao contacto coro as paredes interiores quentes do reactor, podendo muitas vezes provocar um choque térmico e o fen-dilharoento das paredes internas do reactor, 0 coque e muitas vezes denominado "coque aderente por choque" e os pedaços do reactor fissurado "areia refractaria". 0 coque aderente por choque e a areia refractaria muitas vezes destacam-se das paredes interiores do reactor, reentrando no fluxo dos gases quentes, contaminando o produto de negro de fumo, 0 problema do choque do hidrocarboneto fornecido coroo matéria prima aumenta quando aumentar a quantidade de hidrocarboneto injectado no fluxo dos gases quentes. Isso limita a quantidade de hidrocarboneto fornecido como matéria prima que pode ser inje£ tado no fluxo de gas quente em espiral sem que o coque aderente por choque e a areia refractaria se tornem num problema importante, Para um dado caudal de gases quentes, uma quantidade menor de hidrocarboneto fornecido como matéria prima tem como consequência uma menor densidade do hidrocarboneto injectado no fluxo de gas quente. A menor densidade de hidrocarboneto no fluxo de gas quente tem como consequência um menor rendimento de negro de fumo por unidade de gas quente e por unidade de hidrocarboneto fornecido como matéria prima injectado, Analogamente, uma densidade mais ele vada tem como resultado uma maior produção de negro de fumo, Por conseguinte, a quantidade limitada de hidrocarboneto fornecida co mo matéria prima que pode ser injectada no fluxo de gas quente em espiral e a correspondente menor produção de negro de fumo- combi-

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nadas coni a baixa velocidade necessária para a produção da distri_ buição alargada das dimensSes das partículas têm como consequência uma taxa de produção baixa de negro de fumo com distribuição alargada das dimens-Ses das partículas com um reactor de fluxo tan gencial, 0 negro de fumo com distribuição alargada das dimensões das partículas pode também ser produzido em reactores de negro de fumo de fluxo tangencial de grande diâmetro. Estes reactores são cilíndricos e tem um diâmetro até cerca de 2,44 m Ç81) „ 0 hidro-carboneto fornecido como matéria prima I injectado axialmente no centro do fluxo de gas que se escoa em espiral, Devido ao diâmetro extremamente grande dos reactores, o hidrocarboneto Injectado normalmente não choca com as Daredes internas do reactor nem cria coque aderente por choque nem areia refractãria, Contudo, os rea£ tores de grande diâmetro são muito caros devido aos elevados custos de capital exigidos para fabricar peças grandes constituintes desses reactores de maiores dimensões, Os reactores de grande diâ metro são também dispendiosos na sua operação devido ao grande vo lume dè gas quente por tinidade de hidrocarboneto fornecido como matéria prima necessário para o funcionamento dos reactores,

Por conseguinte, existe a necessidade de um processo para a produção de negro de fumo com distribuição alargada das dimensões das partículas que seja genericamente mats eficiente e prod£ za negro de fumo com distribuição alargada das dimensées das partículas com maior produção e com menos impurezas, -6 f

Sumario da Invenção

Genericamente, a presente invenção resolve os problemas atrãs referidos encontrados na teenica anterior proporcionando um reactor de negro de fumo que compreende uma câmara de combustão que produz um fluxo de gas quente, um estrangulador que recebe o fluxo de gases quentes proveniente da camara de combustão e uma câmara de saída que recebe o fluxo dos gases quentes proveniente do estrangulador. A relação entre a area da secção transversal da câmara de combustão e a area da secção transversal do estrangulador é menor que ou igual a cerca de 6,9, e a relação entre a area de fluxo da secção transversal da câmara de saTda e a area de flu xo da secção transversal do estrangulador é menor que ou igual a cerca de 3,5, 0 reactor dirige o fluxo de gas quente contendo oxi^ génio axialmente através do estrangulador e introduz um hidrocar-boneto como matéria prima no fluxo axial de gases quentes, forman_ do desse modo um fluxo axial de uma mistura da reacção que inclui gases quentes e partículas de negro de fumo em formação, 0 processo segundo a presente invenção inclui a fase de dirigir o fluxo de gases quentes através do estrangulador do aparelho segundo a presente invenção com uma velocidade linear de cerca de 366 m/s [1 2Q0 pés por segundo] e, de preferencia, menor que cerca de 305 m/s (1 QQQ pés por segundo], 0 aparelho e o processo segundo a presente invenção prodiu zem um negro de fumo com uma distribuição alargada das dimensões das partículas com taxas de produção relativamente elevadas. As dimensões da câmara de saída e da câmara de combustão relativamen

( -7-te as do estrangulador segundo a presente invenção permitem que o aparelho segundo a presente invenção funcione com uma velocidade relativamente baixa e mantenha um caudal de safda de gases quentes elevado e portanto uma taxa de produção de.negro de fumo elevada.

Quando a mistura da reacção for dirigida com uma velocida_ de relativamente baixa através do estrangulador como no processo segundo a presente invenção, a mistura da reacção fica sujeita a uma mistura com baixa turbulência. Por conseguinte, o hidrocarbo-neto fornecido como matéria prima não estabelece um contacto uni" forme com o oxigénio no fluxo de gases· quentes, Da? resulta que nem todo o hidrocarboneto se pirolisa nas mesmas condições, Uma porção do hidrocarboneto fornecido como matéria prima i pirolisa-da de maneira substancialmente imediata ao entrar no fluxo de gases quentes, enquanto outras porções do hidrocarboneto são pirol^ sadas mais a jusante, Em condições de reacção diferentes, formam--se partTculas de negro de fumo com dimensões diferentes, Por coji seguinte, algumas das partTculas de negro de fumo formadas· são pe quenas, enquanto outras são grandes, resultando daT uma distribui^ çao alargada das dimensões das partTculas,

Com o reactor e o processo segundo a presente invenção, há uma menor probabilidade de o hidrocarboneto fornecido como matéria prima chocar com as paredes internas do reactor devido, ao escoamento axial dos gases quentes que transportam as partTculas do hidrocarboneto axfalmente através do reactor, Por conseguinte, a mistura da reacção desloca-se substancialmente paralelamente ao eixo longitudinal central e Hs paredes internas do reactor, reduzindo-se substancialmente a formação de coque e areia refractãria que constituem contamtnantes,

Devido a menor probabilidade de o hldrocarboneto fornecido como matéria prima chocar com as oaredes Internas do reactor, o hidrocarboneto pode ser Introduzido com uma maior velocidade no fluxo axial de gases quentes, aumentando assim a densidade do hi drocarboneto fornecido como matéria prima no fluxo de gases quentes. Por conseguinte melhora-se o rendimento de negro de fumo pro duzido por unidade de gãs quente e por unidade de hldrocarboneto fornecido. Este aspecto da presente in-venção é particularmente vantajoso devido, a baixa velocidade do fluxo de gases quentes necessário nos reactores da técnica anterior para produzir neqro de fumo com distribuição alargada das dimensões das partTculas sem produzir também contaminantes. Aumentando-se o rendimento da produção de negro de fumo, aumenta-se a taxa de produção de negro de fumo sem aumentar a velocidade do fluxo de gases através do reactor.

Mais especTficamente, a Irea da secção transversal do es-trangulador segundo a presente invenção é de preferencia maior do que cerca de 322,58 cm [50 polegadas quadradas), de modo que se aumenta o caudal de saTda de gases quentes através do estrangula-dor a baixas velocidades.

Por conseguinte, um objecto da presente invenção consiste em proporcionar um reactor e um processo aperfeiçoados para a pr£ dução de negro de fumo com distribuição alargada das dimensões das partTculas. -9*

Outro objecto da premente invenção consiste em proporcionar um reactor e o processo para a produção de negro de fumo com distribuição alargada das dimensbes das partTculas, ao mesmo tempo que se reduz substancialmente a presença de coque aderente por choque e de areia refractarta no produto de negro de fumo,

Um outro objecto da oresente invenção consiste em proDor-cionar um reactor e um processo para a produção de negro de fumo com distribuição alargada das dimensSes das partTculas, com: um maior rendimento,

Outros objectos, caracterTsticas e vantagens serão ev 1 dejn ciados na leitura da descrição seguinte, feita com referencia aos desenhos anexos,

Breve Descrição do Desenho A figura unica e uma vista esquemática em corte, em planta, do reactor segundo uma forma de realização preferida da pre* sente invenção.

Descrição Pormenorizada da Forma· de Realização Preferida

Na figura, um reactor de negro de fumo para a produção de negro de fumo com distribuição alargada das dimensões das partTciu las esta designado globalmente por (10}, 0 reactor de negro de fu mo (10) inclui uma secção de combustão (12}, A secção de combustão (12} compreende uma câmara de entrada de ar (15[ cilíndrica, com uma abertura de entrada (18} na extremidade de montante da ca -10

mara de entrada de a'r, para a introdução de um quetniador de hidro carbonetos, e uma segunda abertura (21) na parede periférica da câmara de entrada de ar, para a introdução de um gas contendo oxj_ génio. Um estrangulador de combustão (24) estendesse desde a ex-tremidade de jusante da câmara de entrada de ar (15) e estã alinhado coaxialmente com a câmara de entrada de ar, 0 estrangulador de combustão (24) esta em comunicação aberta com a câmara de entra_ da de ar (15) através de uma abertura (27), na extremidade de ju-sante da câmara de entrada de ar, Uma câmara de combustão cilíndrica (30) esta montada na extremidade de jusante do estrangulador de combustão (24), A câmara de combustão (30) estã alinhada axialmente com o estrangulador de combustão (24) e com a câmara (15) de entrada de ar e estende-se para a frente a partir da extremidade de jusante do estrangulador de combustão, A câmara de combustão (30) esta em comunicação aberta com o estrangulador de combustão (24) através de uma abertura (33) na extremidade de mon_ tante da câmara de combustão. 0 reactor (10) também inclui uma secção de reacção (26) alinhada axialmente com a secção de combustão (12), A secção de reacção (36) compreende uma câmara de reacção (39) de forma cénica que se estende para a frente a partir da extremidade de jusante da câmara de combustão (30), A câmara de reacção (39) esta em comunicação aberta com a câmara de combustão (30) através da extremidade aberta de jusante (42) da câmara de combustão, A câmara de reacção (39) tem um diâmetro interior que diminui qradualmente H medida que a câmara de reacção converge no sentido de um estrari guiador de reacção cilíndrico (45), 0 estrangulador de reacção (45) estende-se para a frente a partir da extremidade convergente / -τπ

da câmara de reacção (39) e Q estrangulador de reacção esta em co municação aberta com a câmara de reacção através de uma abertura (48) na extremidade convergente da câmara de reacção, 0 estrangulador de reacção (45) define uma area de escoamento da secção transversal que e substancialmente uniforme ao longo do comprimento do estrangulador de reacção, A area de escoa mento da secção transversal do estrangul.ador de reacção (45) e de ^ 2 preferencia maior do que ou igual a cerca de 322,58 cm (50 polegadas quadradas) e mesmo mais preferivelmente maior do que cerca de 412,9 cm (65 polegadas quadradas), Alem disso, a câmara de combustão (30) também define uma area de escoamento da secção transversal e a relação entre a area de escoamento da secção transversal da câmara de combustão e a area de escoamento da secção transversal do estrangulador (45) e de preferencia menor do que ou igual a cerca de 6,9 e, mais preferivelmente, menor do que ou igual a cerca de 5,4.

Os injectores (50) para a injecçao do hidrocarboneto fornecido como matéria prima estão de preferencia situados ao longo do comprimento da câmara de reacção (39) e do estrangulador (45). Os injectores (5Q) estendem-se através das paredes exteriores da câmara de reacção (39) e do estrangulador (45) para o interior do reactor de negro de fumo (10), Os injectores de injecção do hidro carboneto são arrefecidos por um fluxo anular de ar através de condutas anulares (51) que envolvem Os injectores, Embora na figu ra estejam representados três conjuntos de injectores para a injecção do hidrocarboneto fornecido· como matéria prima, deve enten der-se que o reactor segundo a presente invenção não se limita a

um numero específico de injectores para a injecção do hidrocarbo-neto.

Uma camara de saída cilíndrica (54} esta montada na extremidade de jusante do estrangulador de reacção (45), A camara de saída (54) esta alinhada axtalmente com a secção de reacçao (36) e com a camara de combustão (12) do reactor de negro de fumo (10) e estende-se para a frente a partir da extremidade de jusante do estrangulador (45), A camara de saída (54) estâ em comunicação aberta com o estrangulador de reacção através de uma abertura (57) na extremidade de montante da câmara de saída, 0 diâmetro da canm ra de saída (54) e substancialmente maior que o diâmetro do estraji guiador de reacçao (45) e aumenta abruptamente na abertura (57) na extremidade de montante da camara de saída. Assim, a câmara de saída (57) define uma area de escoamento da secção transversal que ê maior do que a area de escoamento da secção transversal do estrangulador (45), A relação entre a ãrea de escoamento da secção transversal da câmara de saída e a area de escoamento da secção transversal do estrangulador e de preferencia menor do que ou igual a cerca de 3,5 e, mats preferivelmente, menor que cerca de 2,8. Um injector de pulverização de arrefecimento rápido (6Q) estende-se para o interior da camara de saída (54) num ponto distan te da abertura (57) na extremidade de montante da camara de saída,

Embora o reactor de negro de fumo (1Q) esteja representado na figura como tendo uma secção circular, deve entender-se que podem usar-se reactores de negro de fumo com secçSes não circulares na aplicação da presente invenção, »3 -13-1 0 processo de produção de negro de fumo começa na secção de combustão (12) do reactor de negro de fumo CIO], onde um material de hidrocarboneto, tal como gas natural, e misturado com um gas contendo oxigénio, por exemplo ar, e e queimado, Introduz-se uma quantidade de gas contendo oxigénio normalmente em excesso em relação a quantidade necessária para a combustão completa do mat£ rial de hidrocarbonetos, através da abertura de entrada de ar (21) na câmara de entrada de ar (15], 0 ar contendo oxigénio é dirigido pela abertura de entrada de ar (21) para o interior da câmara de entrada (15) substancialmente dtrectamente no sentido do centro da camara de entrada de ar de modo a não provocar um escoamento do gas turbilhonar ou tangencial ao longo das paredes internas da cã mara de entrada de ar, 0 material de hidrocarbonetos é introduzido através da abertura de entrada do hidrocarboneto (18] para o interior da camara de entrada de ar (15], 0 gãs quente produzido pela combustão do hidrocarboneto no gãs contendo oxigénio escoasse substancialmente axialmente atra^ vis do reactor (10)', isto é, o gas quente escoa-se substancialmein te paralelamente ao eixo longitudinal do reactor, 0 gãs quente es_ coa-se substancialmente axialmente a partir da camara de entrada de ar (15], através da abertura (27] na extremidade de jusante da camara de entrada de ar, axialmente através do estrangulador (24], através da abertura (33) na extremidade de montante da camara de combustão (3Q] e depois axialmente através da câmara de combustão no sentido da camara de reacção (39], Quando o gãs de combustão quente se escoa axialmente através da câmara de reacção convergeji te (39), através da abertura (38) na extremidade convergente da camara de reacção, e axialmente através do estrangulador de reac- -14*

ção (45), injecta-se 0 hfdrocarboneto fornecido como matéria prima através dos injectores (50} no fluxo de gãs de combustão quente. 0 gas de combustão contendo oxigénio quente pirolisa 0 hidro-carboneto quando este entre o fluxo de gas quente contendo oxigénio, formando desse modo um fluxo substanclalmente axial de uma mistura de reacção incluindo gãs quente e partfculas de negro de fumo em formação. A velocidade do gãs de combustão quente e portanto da mas_ sa da mistura da reacçSo e controlada pela quantidade de material de hidrocarbonetos e de gas contendo oxigénio introduzidos na se£ ção de combustão (12) do reactor (10} e pelo estrangulador de rea£ ção (45), de modo que a mistura de reacçSo desloca-se axialmente através do estrangul ador de choque com uma velocidade relativameji te baixa. Para a realização pratica da mistura de reacção através do estrangulador de reacção é mantida menor do que cerca de 365,76 m/s (1 200 pés por segundo} è, de preferencia, menor do que cerca de 304,8 m/s (1 000 pés por segundo}, A baixa velocidade da mistu ra de reacção através do estrangulador (45} cria um baixo grau de turbulência no fluxo da mistura de reacção, suficiente para provo_ car um baixo nTvel de mistura do hidroearboneto fornecido como rna têria prima e 0 gas quente, Contudo, 0 baixo grau de turbulência não é suficiente para misturar de maneira completamente uniforme 0 hidroearboneto fornecido como matéria prima com o gas quente, Como consequência disso, ha porções· do hidroearboneto que são pi-rol isadas antes de outras porções do hidroearboneto, Por conseguinte, algumas pgrções do hidroearboneto fornecido como matéria pH ma são pirolisadas em condições diferentes das de outras porções do hidroearboneto e, por conseguinte, algumas porções do hidroçar -15

s~ * ^ boneto transformam-se em partículas de negro de fumo relativamen-te grande, enquanto outras porções do h1drocarboneto se transformam em partículas de negro de fumo reiatlvamente pequenas, 0 resultado final e um negro de fumo com uma distribuição alargada das dimensões das partículas.

As partículas de negro de fumo formadas a partir do fluxo de hidrocarboneto plrollsado proveniente do estrangulador de rea£ ção (45) através da abertura (57) na extremidade traseira da canm ra de salda (54), e através da câmara de salda ao sentido de uma pulverização de agua injectada pelo Injector (60) de pulverização de arrefecimento rápido extingue a reacção de formação de carbono, As partículas de negro de fumo são depois separadas do fluxo de gases. Compreender-se-H que a recuperação do produto de negro de fumo não faz parte da presente Invenção, não sendo portanto descH ta em pormenor. A distribuição das dimensões das partículas de negro de fumo ê reflectlda por um termo sem dimensões denominado índice de heterogenldade (Hl). Quanto maior for ffl, mals alargada é a distribuição das dimensões das partículas, tJm negro de fumo com um Hl de 1,Q tem uma distribuição das dimensões das partículas uni-· forme. 0 HP § calculado de acordo com a seguinte equação:

D

Hl = J£S onde: = o valor médio do diâmetro do agregado, e D, „ = a média ponderada do diâmetro do agregado, win ·

Om e Diim são calculados de acordo com os métodos descri-m wm tos em Rubber Chemistry and Technology, Vo, 56, N9.5, Novembro-De zembro de 1983, pag, 892-899,917 e com base em medições feitas com a analise de imagens do mlcroscÕpto electronico descrita em ASPI D-3849-85, Quando se mantiver a velocidade do escoamento da mistu ra de reacção através do estrangulador de reacção inferior a cerca de 365,76 m/s (1 200 pês por segundo] e, de preferencia inferior a cerca de 304,8 m/s (1 000 pes por segundo], o negro de fumo resultante apresenta um Tndice de heterogeneidade (Hl) de cerca de 1,5 a cerca de 2,0, 0 escoamento axial do gás da combustão quente através do reactor de negro de fumo (10) reduz substancialmente o impacto do hidrocarboneto fornecido como matéria prima nas paredes internas da câmara de reacçao (39) e no estrangulador (45], Devido ao facto de o escoamento do gãs quente através do reactor (1Q] ser axial, o gãs quente desloca-se substancialmente paralelo as paredes internas da câmara de reacção (39] e do estrangulador de reacção (45), Por conseguinte, quando o hidrocarboneto fornecido como matéria prima entra no fluxo de gãs quente, o fluxo de gãs quente transporta o hidrocarboneto e as partículas de negro de fumo em formação paralelamente âs paredes internas da câmara de reacção e do estrangulador de reacção, impedindo assim substancialmente o contacto com as paredes internas da câmara de reacção e do estraji guiador de reacção. Eliminando-se o choque do hidrocarboneto for- -17-

necido como matéria prima e das partículas de negro de fumo em for mação, elim1na-se substancialmente a presença de coque aderente por choque e de areia refractãria no produto de negro de fumo,

Alem disso, eliminando o choque do htdrocarboneto e das partícu- . · las de negro de fumo em formação permite-se que o hidrocarboneto •seja introduzido com uma maior velocidade no fluxo de gas quente, aumentando assim a densidade do htdrocarboneto fornecido como matéria prima no fluxo de gas quente, Assim, serã melhorada a produ ção de. negro de fumo por unidade de gas quente e por unidade de hidrocarboneto, A eliminação do choque do htdrocarboneto fornecido como matéria prima permite também a conversão da quantidade nm xima de hidrocarboneto em negro de fumo e portanto 0’ máximo rendi_ mento em produto de negro de fumo,

Além disso, devido ao facto de a relação entre a ãrea de escoamento da secção transversal da câmara de combustão (30) e a ãrea de escoamento da secção transversal do estrangulador (45) ser menor do que ou igual a cerca de 6,9 e a relação entre a ãrea de escoamento da secção transversal da câmara de saída (54} e a ãrea de escoamento da secção transversal do estrangulador ser menor que ou igual a cerca de 3,5, pode manter-se um elevado caudal de passagem de gas quente e de hidrocarboneto fornecido como matéria pri_ ma através do estrangul ador, enquanto se mantém relativamente bai^ xa a velocidade dos gases quentes através do estrangulador, Além disso, devido ao facto de o estrangulador de reacção (45) ter uma 2 ãrea de escoamento da secção transversal maior do que 322,58 cm (50 polegadas quadradas], aumentam-se as capacidades de caudal de passagem e de elevada taxa de produção do reactor (TO}, -18

,r3 A presente invenção e ainda Ilustrada pelos exemplos seguintes, concebidos para ensinar as pessoas com conhecimentos nor mais da matéria como aplicar na pratica a presente invenção e representam a maneira considerada a melhor para a realização da pre sente invenção. As especificações dos reactores usados em cada um dos exemplos seguintes são dadas no Quadro 1, No Quadro 1 são us<a dos os símbolos seguintes para indicar as especificações dos rea£ tores: (A) é o diâmetro da câmara de combustão, (B) o diâmetro do estrangulador de reacção, (C) o diâmetro da câmara de saTda, (D) a área de escoamento da secção transversal da câmara de combustão, (E) a Irea de escoamento da secção transversal do estrangulador de reacção, (F) a ârea de escoamento da secção transversal da câmara de saTda e D/E e F/E as relações das respectivas areas de e£ coamento das secções transversais,

Exemplo 1

Fabricou-se um reactor de negro de fumo de acordo com a forma de realização aqui descrita e com as especificações dadas no Quadro 1, 0 negro de fumo foi produzido injectando hidrocarbo-neto como matéria prima num fluxo de gSs quente que se desloca axiãlmente através do estrangulador de reacção com uma velocidade de cerca de 288,34 m/s (958 pes por segundo)', Tratou-s o negro de fumo com hidróxido de potássio para bailar a estrutura do negro de fumo independentemente das outras propriedades do negro de fumo, por processos bem conhecidos pelos especialistas da matéria, Analisou-se depois o negro de fumo resultante para determinar varias propriedades do negro de fumo, estando os resultados indicados no Quadro 1. A graduação da cor foi medida de acordo com a -19 { norma A$TM D-3265-88, 9 ãre a da superfície de fedo foi medida de acordo com a norma ASTM 88A, sendo a ãrea da superfície CTAB medi^ da de acordo com a norma ASTM D-3765-85, a ãrea da superfície de azoto de acordo com a norma ASTM D-3G37-88 e a absorção DBP de acordo com a norma ASTM D-2414-88, A ãrea da superfície do rniero^ copio electronico e as dimensões medias das partículas foram medj[ das de acordo com a norma ASTM D-3849-87 e 0 Hl foi calculado como atrãs se descreveu, 0 negro de fumo resultante tinha um Hl igual a 1,59, que indica uma distribuição relativamente alargada das dimensões das partículas,

Exemplo 2

Fabricou-se um negro de fumo de acordo com a forma de rea lização preferida atrãs descrita, excepto nas especificações cons_ tantes do Quadro 1, Como se mostra no Quadro 1, 0 diâmetro, e po£ tanto a ãrea de escoamento de fluxo da secção transversal do es-trangulador, sao menores do que os doreaetor usados no Exemplo 1, Produziu-se negro de fumo injectandò hidrocarboneto como matéria prima no interior do fluxo de gases quentes que se desloca axial-mente através do estrangulador de reacção com uma velocidade de 498 m/s (1 635 pis por segundo^, Analisou-se 0 negro de fumo resultante para determinar as mesmas propriedades medidas no Exemplo 1, Q negro de fumo resultante tinha propriedades muito semelhan tes as do negro de fumo obtido no Exemplo 1, excepto a estrutura, como mostra a absorção DBP e 0 Ht que, com 0 'valor 1,51, era significativamente mais baixo que q Hl do negro de fumo do Exemplo 1 -2Q.

‘"te»»

Exemplo 3

Fabricou-se um reactor de negro de fumo de acordo com a forma de realização preferida apresentada no pedido de patente US 142 478, de Berg et al, depositado em Π de Janeiro de 1987, cuja descrição aqui se Incorpora por referencia, e com as especificações constantes do Quadro 1, A ãrea do escoamento da secção trans versai do estrangulador não era circular, Produz1u«se negro de fjj mo injectando h1drocarboneto como matéria prima num fluxo de gases quentes que se desloca axialmente através do reactor com uma velocidade de 498 m/s (1 635 pês por segundo}, Analisou-se o negro de fumo resultante para determinar as mesmas propriedades medidas no Exemplo 1. 0 negro de fumo resultante tinha propriedades muito semelhantes ãs do negro de fumo obtido no Exemplo 1, excepto a e^ trutura e o Hl que, com o valor 1,48, era s1gn1ficattvamente menor que o Hl do negro de fumo obtido no Exemplo 1, 0 Hl mais elevado do negro de fumo do Exemplo 1 relativamente ao Hl dos negros de fumo dos Exemplos 2 e 3 pode atribuir--se ã maior ãrea de escoamento da secção transversal do estrangulador de reacção e a baixa velocidade dos gases quentes usada no Ememplo 1, Q Hl mais elevado do negro de fumo obtido no Exemplo 1 indica uma distribuição sfgnificativamente mais alargada das dimensões das partTculas do negro de fumo obtido no Exemplo 1 que as do negro de fumo obtido nos Exemplos 2 e 3,

Exemplo 4

No reactor de negro de fumo usado do Exemplo 1 anterior, .* 2]« produziu-se negro de fume tnjectando hidrocarboneto no Interior de um fluxo de gases quentes que se deslocam axialmente através do reactor com uma velocidade de 252 m/s (828 pés por segundo]. Como no Exemplo 1, tratou-se o negro de fumo com hidroxido de cal cio para baixar a estrutura do negro de fumo, Analisou-se o negro de fumo resultante para determinar as mesmas propriedades que se mediram no Exemplo 1, 0 negro de fumo resultante tinha um Hl de 1,64, que também indica uma distribuição relativamente alargada das dimensões das partículas,

Exemplo 5

No reactor de negro de fumo usado no Exemplo 2, produziu--se negro de fumo injectando hidrocarboneto como matéria prima no interior de um fluxo de gases quentes que se deslocam a uma velocidade de 489,5 m/s (1 638 pés por segundo], Analisou-se o negro de fumo resultante para determinar as mesmas propriedades medidas no Exemplo 1, 0 negro de fumo resultante tinha propriedades muito semelhantes as do negro de fumo do Exemplo 4, excepto a estrutura, como se mostra pelos valores D PB e Hl que, com o valor 1,55, era significativamente mais baixo que o Hí de negro.de fumo do Exemplo 4.

Exemplo 6

No reactor de negro de fumo usado do Exemplo 3 anterior, produziu-se negro de fumo por injecção de hidrocarboneto como matéria prima no interior de um fluxo de gases quentes que se de$l£ ca com uma velocidade de 460 m/s (Ί 569 pés por segundo}, Anall- „22 ( sou-se o negro de fumo resultante para determinar as mesmas propriedades medidas no Exemplo 1, 0 negro de fumo resultante tinha propriedades muito semelhantes Is do negro de fumo do Exemplo 4 excepto a estrutura e o Hl que, com o valor 1,50, era significati_ vamente menor que o Hl do negro de fumo do Exemplo 4,

Como no Exemplo 1, o valor mais elevado do negro de fumo do Exemplo 4 relativamente ao Hl dos negros de fumo dos Exemplos 5 e 6 pode atribuir-se I maior area de escoamento da secção trans versai do estrangulador de reacçao e S baixa velocidade dos gases quentes usada no Exemplo 4, ^ais uma vez o valor mais elevado do Hl do negro de fumo do Exemplo 4 indica uma distribuição significativamente mais larga das dimensSes das partículas do negro de fumo do Exemplo 4 do que a dos negros de fumo obtidos dos Exemplos 5 e 6. -23- 7* f Λ*

Quadro 1

Exemplos 1 2 3 4 5 6 Especificações do reactor A (cm) 53,34 53,34 53,34 53,34 53,34 53,34 (polegadas) 21 21 21 21 21 . 21 B (cm) 24,86 17,78 17,78 24,86 17,78 17,78 (polegadas) 9 7 7* 9 7 7* C (cm) 38,1 38,1 38,1 38,1 38,1 38,1 (polegadas) 15 15 15 15 15 15 D (cm2) 2,232,27 2,232,27 2,232,27 2,232,27 2,232,27 2,232,27 p (polegadas ) 346 346 346 346 346 346 E (cm2) 412,9 245,16 245,16 412,9 245,16 245,16 2 (polegadas) 64 38 38 64 38 38 F (cm2) 1 141,93 1,141,93 1,141,93 1,141,93 1,141,93 1,141,93 2 (polegadas ) 177 177 177 177 177 177 D/E 5,4 9,1 9,1 5,4 9,1 9,1 F/E 2,8 4,6 4,6 2,8 4,6 4,6 **

Velocidade dos gases quentes através do estrangulador de reacção (m/s) 288,34 (pés/s) 946 498,028 1635 498,028 1635 252,07 828 489,53 1638 459,9 1569 coloração %, relativa a IRB 3 127 121 120 123 109 113 ftrea da superfície de iodo (mg/g) 127 124 122 97 107 107 Srea de superfície CTAB (m2/g) 116 123 121 102 100 104 Ârea de superfície de azoto (m2/g) 120 127 130 95 » « ** Absorção DBP (ml/lOOg) 66 135 134 63 123 123 Microscopio electrõnico (m2/g) 123,4 135,3 131 ,9 94 105,6 105,3 Dimensões me dias das par ticulas (nm) 19,4 18,4 19,2 25,1 23,1 23,8 Hl 1 ,59 1 ,51 1 ,48 1 ,64 1 ,55 1 ,50 * Diâmetro efecttvo com base na area de escoamento da secção transversal ** ã temperatura da cFtama calculada, exclutndo os gases da com-bustão formados a partir do bidrocarboneto fornecido como ma_ -25

teria prima

Deve entender-se que o anterior se refere exclusivamente a formas de realização preferidas da presente invenção, podendo introduzlr-se na mesma numerosas alteraçdes sem nos afastarmos do espirito nem do cfojectivo da presente invenção definidos nas reiviin dicaçoes ,

Claims (8)

1. ·> REIVINDICAÇÕES 1.- Aparelho para a produção de negro de fumo com um índice de.heterogeneidade maior do que 1,55 e menor ou igual a cerca de 2,0, caracterizado por compreender: meios para produzir um fluxo de gás quente indicando uma câmara de combustão, tendo a câmara de combustão uma abertura de saída de modo que o gás quente flui da câmara de combustão e definindo uma área de fluxo na seccão transversal; um estrangulador com uma abertura de saída para receber o fluxo de gás quente proveniente da câmara de combustão, e uma abertura de saída de modo que o gás quente flua através do es-trangulador, definindo o estrangulador uma área de fluxo da secção transversal, sendo a relação entre a área de fluxo da secção transversal da câmara de combustão e a área de fluxo da secção transversal do estrangulador menor ou igual a cerca de 6,9; / -27- -¾. uma câmara de saída com uma abertura de entrada para receber o fluxo de ar quente proveniente da câmara de saída, definindo a câmara de saída uma área de fluxo da secção transversal e sendo a relação da ãrea de fluxo da secção transversal da câmara de saída e a ãrea de fluxo da secção transversal do estrangulador menor ou igual a cerca de 3,5; meios para dirigir o fluxo de gás quente substancialmente axialmente através do estrangulador; e meios para introduzir o hidrocarboneto usado como matéria prima no interior do fluxo substancialmente axial do gãs quente a montante da abertura de saída do estrangulador formando assim um fluxo substancialmente axial da mistura de reacção incluindo gãs quente e partículas de negro de fumo .em formação, de modo que a mistura da reacção sofre uma mistura de turbulência baixa e se reduz substancialmente a formação de coque e areia refractãria, mantendo-se no entanto uma elevada produção de negro de fumo.
2. 2, - Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a ãrea da secção transversal do estrangulador ser maior do que cerca de 322,58 cm2 (50 polegadas quadradas).
3. 3. - Processo para a produção de negro de fumo com um índice de heterogeneidade maior do que 1,55 e menor ou igual a cerca de 2,0, caracterizado por compreender as fases de: -28- produzir um fluxo de gás quente com uma câmara de combustão, tendo a câmara de combustão uma abertura de saída a partir da qual o gãs quente flui da câmara de combustão e definindo uma ãrea de fluxo da secção transversal; proporcionar um estrangulador com uma abertura de entrada para receber o fluxo de gãs quente proveniente da câmara de combustão e uma abertura de saída de modo que o gãs quente flui através do estrangulador, definindo o estrangulador uma ãrea de fluxo da secção transversal e sendo a relação da ãrea de fluxo da secção transversal da câmara de combustão e a ãrea de fluxo da secção transversal do estrangulador menor ou igual a cerca de 6,9? proporcionar uma câmara de saída com uma abertura de entrada para receber o fluxo de gãs quente proveniente do estrangulador e uma abertura de saída de modo que o gás quente flua através da câmara de saída, definindo a câmara de saída uma ãrea de fluxo da secção transversal e sendo a relação entre a ãrea de fluxo da secção transversal da câmara de saída e a ãrea de fluxo da secção transversal do estrangulador menor ou igual a cerca de 3,5? dirigir o fluxo de gãs quente substancialmente axialmente através do estrangulador; e introduzir o hidrocarboneto usado como matéria prima no fluxo substancialmente axial de gãs quente a montante da abertura de saída do estrangulador, formando-se assim um fluxo substancialmente axial da mistura de reacçao incluindo gás quente e partículas de negro de fumo em formação, de modo que a mistura da reac-

   7 reacção sofre uma mistura turbulenta baixa e se reduz substancialmente a formação de coque e areia refractãria, mantendo-se no entanto elevada a produção de negro de fumo.
4. 4. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracteri-zado por a área da secção transversal do estrangulador proporciona do ser maior do que cerca de 322,58 cm2 (50 polegadas quadradas)..
5. 5. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracteri-zado por o gás quente ser dirigido através do estrangulador a uma velocidade linear menor do que cerca de 365,76 m/s (1 200 pés/s).
6. 6. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracteri-zado por a secção transversal do estrangulador ter uma área maior do que cerca de 322,58 cm2 (50 polegadas quadradas).
7. 7. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o gás quente ser dirigido através do estrangulador com uma velocidade linear menor do que cerca de 304,8 m/s ( 1 000 pés/s).
8. 8.- Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a área da secção transversal do estrangulador ser maior do que cerca de 322,58 cm2 (50 polegadas quadradas), Lisboa, 1 de Fevereiro de 1990 O A-:s',te Oficial da Prcprisdcds industrial