RU2179564C1 - Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon - Google Patents

Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon Download PDF

Info

Publication number
RU2179564C1
RU2179564C1 RU2001110540/12A RU2001110540A RU2179564C1 RU 2179564 C1 RU2179564 C1 RU 2179564C1 RU 2001110540/12 A RU2001110540/12 A RU 2001110540/12A RU 2001110540 A RU2001110540 A RU 2001110540A RU 2179564 C1 RU2179564 C1 RU 2179564C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mixing
products
standard deviation
channel
nozzle
Prior art date
Application number
RU2001110540/12A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Ю. Орлов
Original Assignee
Орлов Вадим Юрьевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Орлов Вадим Юрьевич filed Critical Орлов Вадим Юрьевич
Priority to RU2001110540/12A priority Critical patent/RU2179564C1/en
Priority to PCT/RU2001/000140 priority patent/WO2002081575A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2179564C1 publication Critical patent/RU2179564C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09CTREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/44Carbon
    • C09C1/48Carbon black
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09CTREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/44Carbon
    • C09C1/48Carbon black
    • C09C1/50Furnace black ; Preparation thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/12Surface area

Abstract

FIELD: commercial carbon used as filler of polymer materials. SUBSTANCE: proposed method consists in burning fuel gas, forming reaction zone due to separation of combustion products in multi-passage mixing nozzle into several flows, mixing hydrocarbon raw material with combustion products and cooling reaction products; rate of gas flow is maintained between 250 and 300 m/s at pressure differential at inlet and outlet of 0.02 to 0.04 MPa and distance not exceeding 2 to 5 diameter of passages; then flows are combined at abrupt deceleration and turbulent mixing; reaction products are cooled to 1100- 1200 C. Proposed method is performed in reactor having combustion chamber, chamber multipassage mixing nozzle and chamber for cooling the products; multipassage nozzle is made from refractory material at thermal conductivity of 1.5 to 4.8 W (m.K) and heat capacity of 0.7 to 1.08 kJ (kg. K); length of passage id equal to 2-5 its diameters; heat-insulating layer is laid around multi-passage mixing nozzle. Commercial carbon unit has the following sizes: mean diameter, 0.18 to 0.23 nm at standard deviation of ≥ 0,0881 nm, but ≤ 0,1617 nm; perimeter , 1.38 to 2.28 at standard deviation of ≥ 1,4703 nm, but ≤ 3,0334 nm; area of projection, 0.036 to 0.073 sq.nm at standard deviation of ≥ 0,0542 2 sq.nm. sq.nm, but ≤ 0,1363 sq.nm and area of pores 5.67 to 11.82 sq.nm at standard deviation of ≥ 19,8133 sq. nm, but ≤ 25,5591 sq. nm. EFFECT: enhanced stability of sizes; improved physico-mechanical properties of vulcanizers. 6 cl, 5 dwg, 6 tbl

Description

Изобретение относится к процессу производства технического углерода из жидкого сырья, который используется как наполнитель полимерных материалов. The invention relates to a process for the production of carbon black from liquid raw materials, which is used as a filler for polymeric materials.

Процесс сажеобразования включает в себя несколько стадий: диспергирование жидкого углеводородного сырья в потоке газов горения, испарение образовавшихся капель, химическое разложение паров сырья, образование частиц сажи из продуктов пиролиза. Вторая стадия, как наиболее медленная, лимитирует скорость всего процесса в целом и поэтому может сильно влиять на качество получаемого продукта. Из-за большой скорости реакции разложения пиролиз паров идет параллельно и одновременно с испарением капель, и если оно происходит быстро, то после образования зародышей сажи последующий рост всех ее частиц происходит почти одновременно. В результате должен получиться продукт с однородным по размеру частиц составом. The soot formation process includes several stages: dispersing liquid hydrocarbon feedstock in a stream of combustion gases, evaporating droplets formed, chemical decomposition of the vapor of the feedstock, the formation of soot particles from the pyrolysis products. The second stage, as the slowest one, limits the speed of the whole process as a whole and therefore can greatly affect the quality of the resulting product. Due to the high rate of the decomposition reaction, vapor pyrolysis proceeds in parallel and simultaneously with the evaporation of droplets, and if it occurs quickly, then after the formation of soot nuclei, the subsequent growth of all its particles occurs almost simultaneously. The result should be a product with a uniform particle size composition.

В известных способах получения технического углерода описанных, например, в RU 2097398, RU 2083614, US 3477816, US 4360497 для получения технического углерода с высокой активностью повышают температуру газов горения до 2000oС и/или увеличивают их скорость в зоне смешения за счет уменьшения диаметра этой зоны.In the known methods for producing carbon black described, for example, in RU 2097398, RU 2083614, US 3477816, US 4360497 to produce carbon black with high activity, the temperature of the combustion gases is increased to 2000 ° C and / or their velocity in the mixing zone is increased due to a decrease in diameter this zone.

Первая из этих мер требует повышения жаростойкости огнеупорного материала реактора и значительно увеличивает стоимость производства сажи. Вторая вызывает необходимость увеличить избыточное давление при подаче воздуха в реактор до 1,5 атм. При этом велики затраты на работу воздуходувки. The first of these measures requires increasing the heat resistance of the refractory material of the reactor and significantly increases the cost of soot production. The second makes it necessary to increase the excess pressure when air is supplied to the reactor to 1.5 atm. At the same time, the costs of the blower are high.

Кроме того, при дальнейшем увеличении нагрузки на реактор и создании большегрузных реакторов, имеющих большие габаритные размеры, получить технический углерод с высокими усиливающими свойствами, затруднено. In addition, with a further increase in the load on the reactor and the creation of heavy-load reactors having large overall dimensions, it is difficult to obtain carbon black with high reinforcing properties.

В патенте RU 2131766 (ОАО "Ярославский технический углерод") 20.06.1999 описаны реактор и способ получения технического углерода с размерами частиц 110-600 ангстрем при степени срастания частиц в агрегате в пределах 0,03-0,09. Он имеет многоканальную зону смешения фаз, в котором общее суммарное сечение каналов примерно равно сечению зоны смешения в обычном одноканальном реакторе. Распределение общего расхода сырья по нескольким каналам позволяет вводить его в каждый из них с помощью одной или двух струйных форсунок с соответственно меньшим диаметром выходного отверстия. Это способствует более тонкому первичному распылению сырья, более быстрому испарению капель, большей однородности частиц технического углерода по размерам, меньшим средним размерам этих частиц и их большей активности. Однако в готовой продукции велико количество включений и сажа, получаемая в таком реакторе недостаточно однородна. In the patent RU 2131766 (OJSC "Yaroslavl carbon black") 06/20/1999 describes a reactor and a method for producing carbon black with particle sizes of 110-600 angstroms with a degree of fusion of particles in the unit in the range of 0.03-0.09. It has a multichannel phase mixing zone in which the total total cross-section of the channels is approximately equal to the cross-section of the mixing zone in a conventional single-channel reactor. Distribution of the total feedstock consumption over several channels allows introducing it into each of them using one or two jet nozzles with a correspondingly smaller diameter of the outlet. This contributes to a finer primary atomization of the raw materials, faster evaporation of the droplets, greater uniformity of the carbon black particles in size, smaller average sizes of these particles and their greater activity. However, the number of inclusions and soot obtained in such a reactor is not uniform enough in the finished product.

Настоящее изобретение направлено на дальнейшее увеличение однородности частиц и обеспечение более высокого выхода высокоактивного технического углерода при уменьшении коксообразования. The present invention is aimed at further increasing the uniformity of the particles and providing a higher yield of highly active carbon black while reducing coke formation.

Поставленная задача решается тем, что в техническом углероде агрегаты имеют следующие размеры: средний диаметр 0,18-0,23 нм при стандартном отклонении ≥0,088 нм, но ≤0,161 нм, периметр 1,38-2,28 нм при стандартном отклонении ≥1,4703 нм, но ≤3,0334 нм, площадь проекции 0,036-0,073 нм2 при стандартном отклонении ≥0,0542 нм2, но ≤0,1363 нм2, площадь пор 5,67-11,82 нм2 при стандартном отклонении ≥19,8133 нм2, но ≤25,5591 нм2. Под стандартным (выборочным) отклонением понимают положительный квадратный корень из выборочной дисперсии и определяют по формуле:

Figure 00000002

где n - количество исследованных агрегатов;
xi - i-oe значение рассматриваемой величины;
Figure 00000003
среднее арифметическое рассматриваемой величины.The problem is solved in that the aggregates in carbon black have the following dimensions: average diameter 0.18-0.23 nm with a standard deviation ≥0.088 nm, but ≤0.161 nm, the perimeter 1.38-2.28 nm with a standard deviation ≥1 , 4703 nm, but ≤3.0334 nm, projection area 0.036-0.073 nm 2 with standard deviation ≥0.0542 nm 2 , but ≤0.1363 nm 2 , pore area 5.67-11.82 nm 2 with standard deviation ≥19.8133 nm 2 , but ≤25.5591 nm 2 . Under the standard (selective) deviation is understood as the positive square root of the sample variance and is determined by the formula:
Figure 00000002

where n is the number of investigated aggregates;
x i - i-oe value of the considered quantity;
Figure 00000003
arithmetic mean of the considered value.

В предложенном способе получения технического углерода, включающем сжигание топливного газа в зоне горения, формирование зоны реакции за счет разделения общего объема продуктов горения на несколько потоков одинакового поперечного сечения, смешение углеводородного сырья с продуктами горения в каждом потоке и охлаждение продуктов реакции сажеобразования, в зоне реакции обеспечивают теплообмен между вышеуказанными потоками, равномерно распределяют температурное поле в поперечном сечении многоканального смесительного сопла по всей его длине в пространстве, окружающем потоки, обеспечивают одинаковые температурные условия для проведения реакции сажеобразования в каждом потоке, при этом поддерживают в зоне реакции скорость потока 250-300 м/с и перепад давления на входе и на выходе 0,02-0,04 МПа, затем на расстоянии, не превышающем 2-5 диаметров каналов, объединяют сажегазовые потоки, обеспечивая при этом их резкое торможение и турбулентное перемешивание, далее охлаждают продукты реакции сажеобразования до температуры 1100-1200oС. Углеводородное сырье поступает в зоны смешения под углом 90-135o к направлению потока продуктов горения, перед подачей в зону смешения подогревают углеводородное сырье до температуры 180-210oС и подают под давлением 1,8-2 МПа, для осуществления теплообмена между потоками размещают их в материале, обладающем теплопроводностью около 1,2-4,8 Вт/(м•К) и теплоемкостью около 0,7-1,08 кДж/(кг•К), дополнительно охлаждают продукты реакции сажеобразования до температуры 750-800oС.In the proposed method for producing carbon black, which includes burning fuel gas in a combustion zone, forming a reaction zone by dividing the total volume of combustion products into several streams of the same cross section, mixing hydrocarbon materials with combustion products in each stream and cooling the products of soot formation reaction in the reaction zone provide heat exchange between the above flows, evenly distribute the temperature field in the cross section of the multi-channel mixing nozzle throughout e length in the space surrounding the streams, provide the same temperature conditions for the soot formation reaction in each stream, while maintaining in the reaction zone a flow velocity of 250-300 m / s and a pressure drop at the inlet and outlet of 0.02-0.04 MPa then soot-gas flows are combined at a distance not exceeding 2-5 diameters of the channels, providing their sharp braking and turbulent mixing, then the products of the soot formation reaction are cooled to a temperature of 1100-1200 o C. The hydrocarbon feed enters the mixing zones through d at an angle of 90-135 o to the direction of the flow of combustion products, before being fed into the mixing zone, the hydrocarbon feed is heated to a temperature of 180-210 o C and fed under a pressure of 1.8-2 MPa, for heat exchange between the streams they are placed in a material with thermal conductivity about 1.2-4.8 W / (m • K) and a heat capacity of about 0.7-1.08 kJ / (kg • K), additionally cool the soot formation reaction products to a temperature of 750-800 o C.

В реакторе для получения технического углерода, содержащем последовательно установленные камеру горения со средствами сжигания топлива с воздухом, многоканальное смесительное сопло со средствами для ввода сырья, камеру со средствами для охлаждения сажегазовых продуктов, многоканальное сопло выполнено из корундового или циркониевого огнеупора с теплопроводностью около 1,2-4,8 Вт/(м•К) и теплоемкостью около 0,7-1,08 кДж/(кг•К), при этом длина канала смесительного сопла составляет не более 2-5 диаметров канала многоканального смесительного сопла, а вокруг многоканального смесительного сопла расположен теплоизоляционный слой. Кроме того, средства для ввода сырья выполнены с возможностью подвода сырья в каналы смесительного сопла под углом 90-135o к направлению потока, под одинаковым давлением и с одинаковой температурой.In the reactor for producing carbon black, containing a sequentially installed combustion chamber with means for burning fuel with air, a multi-channel mixing nozzle with means for introducing raw materials, a chamber with means for cooling soot and gas products, a multi-channel nozzle is made of corundum or zirconium refractory with a thermal conductivity of about 1.2 -4.8 W / (m • K) and heat capacity of about 0.7-1.08 kJ / (kg • K), while the length of the channel of the mixing nozzle is not more than 2-5 diameters of the channel of the multi-channel mixing la, and around the multi-channel mixing nozzle is insulating layer. In addition, the means for introducing raw materials are configured to supply raw materials to the channels of the mixing nozzle at an angle of 90-135 o to the direction of flow, under the same pressure and with the same temperature.

На фиг. 1 изображен реактор для производства технического углерода; на фиг. 2 - распределение среднего диаметра проекции агрегата; на фиг. 3 - распределение площади проекции агрегата; на фиг. 4 - распределение периметра проекции агрегата; на фиг. 5 - распределение площади проекции пор агрегата. In FIG. 1 shows a reactor for the production of carbon black; in FIG. 2 - distribution of the average diameter of the projection of the unit; in FIG. 3 - distribution of the projection area of the unit; in FIG. 4 - distribution of the perimeter of the projection of the unit; in FIG. 5 - distribution of the projection area of the pores of the unit.

Лучшие варианты осуществления изобретения
Рассмотрим процессы, происходящие при получении технического углерода. Струя жидкого сырья, направленная под углом к скорости газового потока, в зоне смешения в результате пульсаций распадается сначала на достаточно крупные капли с размерами 0,1-1 мм. При скорости газа 200-400 м/с происходит дальнейшее дробление некоторой части капель на более мелкие размером до нескольких мкм. Необходимая для испарения теплота подводится через внешнюю поверхность капли двумя путями: конвективным теплообменом капель с горячим газом и тепловым излучением стенок реактора. В обычных условиях конвективный теплообмен существенно преобладает над тепловым излучением. При более низкой температуре газов горения капли не успевают испариться до достижения ими граница зоны смешения и зоны реакции. Кроме непосредственного участия в теплопередаче от газа к каплям, влияние теплового излучения на процесс сажеобразования может проявляться и следующим образом.
The best embodiments of the invention
Consider the processes that occur when receiving carbon black. A stream of liquid raw materials directed at an angle to the gas flow velocity in the mixing zone, as a result of pulsations, first breaks up into rather large droplets with sizes of 0.1-1 mm. At a gas velocity of 200-400 m / s, a further part of the droplets is crushed into smaller droplets up to several microns in size. The heat required for evaporation is supplied through the outer surface of the droplet in two ways: convective heat transfer of droplets with hot gas and thermal radiation from the walls of the reactor. Under ordinary conditions, convective heat transfer substantially prevails over thermal radiation. At a lower temperature of the combustion gases, the droplets do not have time to evaporate until they reach the boundary of the mixing zone and the reaction zone. In addition to direct participation in heat transfer from gas to droplets, the influence of thermal radiation on the soot formation process can also manifest itself as follows.

Дело в том, что внутри достаточно крупных капель могут существовать зародыши парообразования - парогазовые пузырьки (или даже твердые частицы) с микронными размерами, в сотни раз меньшими среднего размера капель. При перегреве жидкости проникающим в нее тепловым излучением эти зародыши могут спонтанно расти, что приводит к внутреннему вскипанию капли, которое заканчивается ее "взрывом" и дроблением на более мелкие. Перегревание капель и рост паровых пузырьков в них идут одновременно. Однако тепловое излучение достигает капель вблизи оси реактора не сразу. На небольших расстояниях от форсунки, где счетная концентрация капель высокая, излучение стенок реактора существенно экранируется другими каплями, удаленными от оси. По мере разгона капель поток становится прозрачнее, и достигающее их тепловое излучение от стенок реактора возрастает, стремясь к максимальному значению. В канале большого диаметра 2R>0,3 м проникновение теплового излучения к каплям затруднено эффектом экранировки. Взрывное вторичное дробление капель, их полное испарение не успевает завершиться в зоне реакции, процесс испарения затянут по времени, что приводит к увеличению неоднородности размеров получаемого продукта, ухудшая его качество. Напротив, если диаметр канала зоны реакции меньше 0,3 м, например, вдвое, то качество получаемого в таком реакторе технического углерода, активность сажи, оказываются выше. Кроме того, в настоящем изобретении достигается пространственно-временное разделение стадий испарения сырья, пиролиза паров и сажеобразования, что позволяет в более широких пределах изменять режимные параметры процесса получения сажи и свойства продукта. The fact is that inside sufficiently large droplets there may exist vaporization nuclei — vapor-gas bubbles (or even solid particles) with micron sizes hundreds of times smaller than the average droplet size. When the liquid overheats, the thermal radiation penetrating into it, these nuclei can spontaneously grow, which leads to internal boiling of the drop, which ends with its “explosion” and crushing into smaller ones. The overheating of the droplets and the growth of steam bubbles in them go simultaneously. However, thermal radiation does not reach drops near the axis of the reactor immediately. At small distances from the nozzle, where the counted concentration of droplets is high, the radiation from the walls of the reactor is substantially shielded by other droplets that are far from the axis. As the droplets accelerate, the flow becomes more transparent, and the thermal radiation reaching them from the walls of the reactor increases, tending to the maximum value. In a channel of large diameter 2R> 0.3 m, the penetration of thermal radiation to droplets is hindered by the screening effect. Explosive secondary crushing of droplets, their complete evaporation does not have time to complete in the reaction zone, the evaporation process is delayed in time, which leads to an increase in the heterogeneity of the size of the obtained product, worsening its quality. On the contrary, if the diameter of the channel of the reaction zone is less than 0.3 m, for example, half, then the quality of carbon black obtained in such a reactor and the activity of soot are higher. In addition, the present invention achieves the spatiotemporal separation of the stages of evaporation of the feedstock, vapor pyrolysis and soot formation, which allows a wider range of variation in the process parameters of the carbon black production process and product properties.

Процесс сажеобразования в заявленном реакторе предусматривает наличие следующих рабочих зон. The process of soot formation in the claimed reactor provides for the following working areas.

Зона горения. Предназначена для горения топлива (природного газа) с использованием воздуха среднего давления (t=480-510oС и выше, Ризб=0,06-0,065 МПа) с целью получения продуктов сгорания (Н2О, N2, СО2, О2) с температурой 1600-1700oС. В ней происходит эффективное сжигание топлива (α=1,1-1,5) с развитием максимально допустимых рабочих температур продуктов сгорания с наличием остаточного (активного) кислорода, необходимого для восполнения теплового баланса процесса сажеобразования технического углерода активных марок.Burning area. Designed for burning fuel (natural gas) using medium-pressure air (t = 480-510 o C and above, P huts = 0.06-0.065 MPa) in order to obtain combustion products (N 2 O, N 2 , CO 2 , О 2 ) with a temperature of 1600-1700 o С. It effectively burns fuel (α = 1.1-1.5) with the development of the maximum allowable working temperatures of the combustion products with the presence of residual (active) oxygen necessary to replenish the heat balance of the process carbon black formation of active grades.

Зона реакции. Предназначена для смешения продуктов горения топлива с углеводородным сырьем (tc=180-210oС, Ризб=1,8-2,0 МПа) и последующих реакций сажеобразования (пиролиз, декарбонизация, конденсация, графитация) при рабочей температуре 1580-1650oС. В этой зоне обеспечивается эффективное смешение высокотемпературных продуктов горения топлива и углеводородного сырья за счет разделения общего объема продуктов горения на несколько потоков и пропорциональной подачи углеводородного сырья по каналам смесительного сопла. Равномерное распределение температурного поля, как по радиусу сечения каждого потока, так и по его длине осуществляется за счет обеспечения теплообмена между потоками. Для этого каналы смесительного сопла располагают осесимметрично относительно продольной оси камеры горения и выполняют из материала, обладающего высокой теплопроводностью и высокой теплоемкостью. Например, из корундового огнеупора, имеющего теплопроводность около 4,8 Вт/(м•К) и теплоемкость около 1,08 кДж/(кг•К), или циркониевого огнеупора с теплопроводностью около 1,2 Вт/(м•К) и теплоемкостью около 0,7 кДж/(кг•К), что обеспечивает равномерный прогрев смесительного сопла и одинаковые температурные условия работы всех реакционных каналов. Осуществляются регулирование и постоянный контроль подаваемого в каждый канал сырья. В реакционных каналах создаются одинаковые рабочие условия tраб=1550-1560oС и перепад давления между зоной горения и зоной реакции 0,02-0,04 МПа. При использовании вышеуказанных приемов ускоряются процесс испарения сырья и протекание дальнейших реакций сажеобразования. На расстоянии, не превышающем 2-5 диаметра реакционного канала, производят вывод сажегазовых потоков в общий канал реактора с резким увеличением диаметра проходного сечения. При этом происходят торможение движения общего потока и его турбулентное перемешивание за счет образования обратных вихревых потоков на выходе из каждого реакционного канала. Это способствует росту и агломерации сажи с образованием агрегатов с развитой структурой.Reaction zone. Designed for mixing fuel combustion products with hydrocarbon raw materials (t c = 180-210 o C, P h = 1.8-2.0 MPa) and subsequent soot formation reactions (pyrolysis, decarbonization, condensation, graphitization) at a working temperature of 1580-1650 o C. In this zone, efficient mixing of high-temperature combustion products of fuel and hydrocarbon feeds is ensured by dividing the total volume of combustion products into several streams and proportional supply of hydrocarbon feed through the channels of the mixing nozzle. The uniform distribution of the temperature field, both along the radius of the cross section of each stream and along its length, is achieved by providing heat exchange between the flows. For this, the channels of the mixing nozzle are arranged axisymmetrically with respect to the longitudinal axis of the combustion chamber and are made of a material having high thermal conductivity and high heat capacity. For example, from corundum refractory having a thermal conductivity of about 4.8 W / (m • K) and a heat capacity of about 1.08 kJ / (kg • K), or a zirconium refractory with a thermal conductivity of about 1.2 W / (m • K) and heat capacity of about 0.7 kJ / (kg • K), which ensures uniform heating of the mixing nozzle and the same temperature conditions of operation of all reaction channels. The regulation and constant control of raw materials supplied to each channel are carried out. In the reaction channels the same working conditions are created t slave = 1550-1560 o C and the pressure drop between the combustion zone and the reaction zone of 0.02-0.04 MPa. Using the above techniques, the evaporation of raw materials and the progress of further soot formation reactions are accelerated. At a distance not exceeding 2-5 of the diameter of the reaction channel, the soot-gas flows are output to the common channel of the reactor with a sharp increase in the diameter of the passage section. In this case, the motion of the general flow is inhibited and its turbulent mixing due to the formation of reverse vortex flows at the outlet of each reaction channel. This contributes to the growth and agglomeration of soot with the formation of aggregates with a developed structure.

Зона предварительной закалки. Прекращение реакции сажеобразования производят уменьшением рабочей температуры до 1100-1200oС. Для этого в сажегазовую смесь подают предварительно подогретую до температуры 95-100oС химически очищенную воду под давлением 2,0-2,5 МПа. Для обеспечения полноты разложения углеводородного сырья различного качества место ввода воды и условия ее диспергирования (количество и тип форсунок, температура и давление воды) выбираются опытным путем.Pre-hardening zone. The soot formation reaction is terminated by reducing the operating temperature to 1100-1200 o C. For this, chemically purified water under a pressure of 2.0-2.5 MPa is pre-heated to a temperature of 95-100 o C. To ensure the completeness of the decomposition of hydrocarbons of various quality, the place of water injection and the conditions for its dispersion (number and type of nozzles, temperature and pressure of water) are selected empirically.

Зона закалки. Далее в зоне охлаждения сажегазовая смесь охлаждается до температуры 750-800oС и подается в рекуперативный воздухоподогреватель для нагрева технологического воздуха, поступающего в реактор для горения топлива.Hardening zone. Further, in the cooling zone, the gas-black mixture is cooled to a temperature of 750-800 o C and is fed to a recuperative air heater to heat the process air entering the reactor for burning fuel.

Реактор для получения технического углерода содержит корпус 1, в котором последовательно расположены камера горения 2, снабженная воздушной камерой для подачи воздуха 3 и камерой для ввода топливного газа 4, многоканальное смесительное сопло 5, состоящее из двух каналов 6. Каналы смесительного сопла расположены параллельно оси реактора. В каждом канале установлены сырьевые форсунки 7. За смесительным соплом расположены камера предварительного охлаждения 8 с водяными форсунками 9 для предварительной закалки и охлаждения сажегазовой смеси и камера охлаждения 10 с водяной форсункой 11. Реактор может быть снабжен рекуперативным воздухоподогревателем, который обеспечивает подогрев технологического воздуха до температуры 500oС и более, поступающего в реактор для горения топлива. Количество каналов может быть иным, например 3-6. Сравнительно небольшой диаметр канала обеспечивает распределение температурного поля в нем как по радиусу сечения канала, так и на протяжении его длины до выхода в зону предварительной закалки реакционных газов. Многоканальное сопло выполняется из материала с высокой теплоемкостью и теплопроводностью, например, корундового или циркониевого огнеупора, что обеспечивает равномерный прогрев смесительного сопла в поперечном сечении и одинаковые температурные условия для работы всех реакционных каналов. Большая внутренняя поверхность реакционных каналов способствует тому, что наряду с существованием конвективного теплообмена интенсифицируется лучистый теплообмен между углеводородным сырьем и внутренней поверхностью реакционного канала. Распределение общего расхода сырья по нескольким, например 2...6 каналам, позволяет вводить сырье в каждый из них с помощью одной или двух струйных форсунок с небольшим диаметром отверстия, дающего тонкое первичное распыливание сырья. Тепловая изоляция 12 вокруг смесительного сопла позволяет создать изотермические условия эксплуатации реакционных каналов и снизить тепловые потери от корпуса реактора в зоне установки смесительного сопла до 1-2%. Длина смесительного сопла, не превышающая 2-5 диаметра реакционного канала, позволяет обеспечить наиболее полное разложение сырья при одновременном уменьшении возможности образования грита. В реакторе может достигаться производительность по углеводородному сырью до 5000 кг/ч и более при одновременном уменьшении времени реакций сажеобразования за счет интенсификации скорости их прохождения.The reactor for producing carbon black comprises a housing 1 in which a combustion chamber 2 is arranged in series, provided with an air chamber for supplying air 3 and a chamber for introducing fuel gas 4, a multi-channel mixing nozzle 5 consisting of two channels 6. The channels of the mixing nozzle are parallel to the axis of the reactor . Raw nozzles 7 are installed in each channel 7. A pre-cooling chamber 8 with water nozzles 9 for preliminary quenching and cooling of the gas-gas mixture and a cooling chamber 10 with a water nozzle 11 are located behind the mixing nozzle. The reactor can be equipped with a recuperative air heater that heats the process air to temperature 500 o C or more entering the reactor for burning fuel. The number of channels may be different, for example 3-6. The relatively small diameter of the channel ensures the distribution of the temperature field in it both along the radius of the channel section and throughout its length until it reaches the preliminary quenching zone of reaction gases. A multi-channel nozzle is made of a material with high heat capacity and thermal conductivity, for example, corundum or zirconium refractory, which ensures uniform heating of the mixing nozzle in cross section and the same temperature conditions for the operation of all reaction channels. The large inner surface of the reaction channels contributes to the fact that along with the existence of convective heat transfer, the radiant heat exchange between the hydrocarbon feed and the inner surface of the reaction channel is intensified. Distribution of the total consumption of raw materials over several, for example 2 ... 6 channels, allows you to enter the raw materials into each of them using one or two jet nozzles with a small diameter of the hole, giving a fine primary atomization of the raw material. Thermal insulation 12 around the mixing nozzle allows you to create isothermal operating conditions for the reaction channels and reduce heat loss from the reactor vessel in the installation zone of the mixing nozzle to 1-2%. The length of the mixing nozzle, not exceeding 2-5 the diameter of the reaction channel, allows for the most complete decomposition of the feedstock while reducing the possibility of formation of grit. In the reactor, the hydrocarbon feed rate can be achieved up to 5000 kg / h or more while reducing the time of soot formation reactions due to the intensification of their passage rate.

Исследования полученного технического углерода N220 проводились на электронном микроскопе с увеличением х 1•104. Для исследования было взято 445 агрегатов углерода фирмы Cabot (образец 1), 265 агрегатов, полученных с использованием предложенного изобретения на шестиканальном реакторе (образец 2) и 602 агрегата, полученных на четырехканальном реакторе (образец 3). Результаты (физико-химических анализов образцов технического углерода отражены в табл. 1. Размеры полученных агрегатов и распределение агрегатов по размерам отражены в табл. 2-5.Studies of the obtained carbon black N220 were carried out on an electron microscope with an increase of x 1 • 10 4 . For the study, 445 Cabot carbon aggregates (sample 1), 265 aggregates obtained using the proposed invention in a six-channel reactor (sample 2), and 602 units obtained in a four-channel reactor (sample 3) were taken. The results (physicochemical analyzes of carbon black samples are shown in Table 1. The sizes of the aggregates obtained and the size distribution of the aggregates are shown in Table 2-5.

Анализ результатов морфологических исследований 3-х образцов технического углерода, имеющих близкие физико-химические показатели, показал, что улучшенный углерод по настоящему изобретению имеет значительно меньший размер агрегатов, более узкое распределение агрегатов по размерам и меньшую пористость поверхности, что позволяет получить вулканизаторы с лучшими физико-механическими показателями (см. табл. 6). Analysis of the results of morphological studies of 3 samples of carbon black having similar physicochemical parameters showed that the improved carbon of the present invention has a significantly smaller aggregate size, a narrower aggregate size distribution and lower surface porosity, which allows to obtain vulcanizers with better physical -mechanical indicators (see tab. 6).

В предложенном изобретении вышеуказанное разделение процесса сажеобразования на зоны и обеспечение наилучших параметров процесса позволяет равномерно распределить углеводородное сырье в потоках продуктов сгорания топлива и ускорить процесс испарения углеводородного сырья, обеспечить необходимое технологическое время для проведения реакции сажеобразования при прохождении пароуглеродной смеси в условиях замкнутого объема реакционного канала, обеспечить необходимое технологическое время для роста и агломерации сажи за счет торможения газового потока при объединении сажевых потоков перед их охлаждением. Технический углерод, полученный заявленным способом в многоканальном реакторе, обладает улучшенными усиливающими свойствами. In the proposed invention, the above separation of the soot formation process into zones and the provision of the best process parameters makes it possible to evenly distribute the hydrocarbon feed in the fuel combustion product streams and accelerate the hydrocarbon feed evaporation process, provide the necessary process time for the soot formation reaction during the passage of the carbon mixture in the closed volume of the reaction channel, provide the necessary technological time for the growth and agglomeration of soot due to the brake zheniya gas stream by combining particulate flows before cooling. Carbon black obtained by the claimed method in a multichannel reactor has improved reinforcing properties.

Claims (6)

1. Технический углерод, отличающийся тем, что агрегаты имеют следующие размеры: средний диаметр 0,18-0,23 нм при стандартном отклонении ≥0,0881 нм, но ≤0,1617 нм, периметр 1,38-2,28 нм при стандартном отклонении ≥1,4703 нм, но ≤3,0334 нм, площадь проекции 0,036-0,073 нм2 при стандартном отклонении ≥0,0542 нм2, на ≤0,1363 нм2, площадь пор 5,67-11,82 нм2 при стандартном отклонении ≥19,8133 нм2, но ≤25,5591 нм2.1. Carbon black, characterized in that the aggregates have the following dimensions: average diameter 0.18-0.23 nm with a standard deviation of ≥0.0881 nm, but ≤0.1617 nm, the perimeter of 1.38-2.28 nm at standard deviation ≥1.4703 nm, but ≤3.0334 nm, projection area 0.036-0.073 nm 2 with standard deviation ≥0.0542 nm 2 , at ≤0.1363 nm 2 , pore area 5.67-11.82 nm 2 with a standard deviation of ≥19.8133 nm 2 , but ≤25.5591 nm 2 . 2. Способ получения технического углерода, включающий сжигание топливного газа в зоне горения, формирование зоны реакции за счет разделения общего объема продуктов горения в многоканальном смесительном сопле на несколько потоков одинакового поперечного сечения, смешение углеводородного сырья с продуктами горения в каждом потоке и охлаждение продуктов реакции сажеобразования, отличающийся тем, что в зоне реакции поддерживают скорость газового потока, равную 250-300 м/с при перепаде давления на входе и на выходе 0,02-0,04 МПа, при этом на расстоянии, не превышающем 2-5 диаметров каналов, объединяют сажегазовые потоки, обеспечивая при этом их резкое торможение и турбулентное перемешивание, охлаждение продуктов реакции ведут до 1100-1200oС.2. A method of producing carbon black, including burning fuel gas in a combustion zone, forming a reaction zone by dividing the total volume of combustion products in a multi-channel mixing nozzle into several streams of the same cross section, mixing hydrocarbon materials with combustion products in each stream and cooling the products of soot formation reaction , characterized in that in the reaction zone support the gas flow rate equal to 250-300 m / s with a pressure drop at the inlet and outlet of 0.02-0.04 MPa, while at a distance Phenomenon, not exceeding 2-5 diameters of the channels, combine soot-gas flows, while providing their sharp braking and turbulent mixing, cooling the reaction products lead to 1100-1200 o C. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что углеводородное сырье подают в зоны смешения под углом 90-135o к направлению потока продуктов горения.3. The method according to p. 2, characterized in that the hydrocarbon feed is fed into the mixing zone at an angle of 90-135 o to the direction of flow of combustion products. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что перед подачей в зоны смешения углеводородное сырье подогревают до температуры 180-210oС и подают под давлением 1,8-2,0 МПа.4. The method according to p. 2, characterized in that before being fed into the mixing zone, the hydrocarbon feed is heated to a temperature of 180-210 o C and served under a pressure of 1.8-2.0 MPa. 5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что продукты реакции сажеобразования дополнительно охлаждают до 750-800oС.5. The method according to p. 2, characterized in that the soot formation reaction products are additionally cooled to 750-800 o C. 6. Реактор для получения технического углерода, содержащий последовательно установленные камеру горения со средствами для сжигания топлива с воздухом, многоканальное смесительное сопло со средствами для ввода сырья, камеру со средствами для охлаждения сажегазовых продуктов, отличающийся тем, что многоканальное сопло выполнено из огнеупорного материала с теплопроводностью 1,5-4,8 Вт/(м•К) и теплоемкостью 0,7-1,08 кДж/(кг•К), при этом длина канала составляет 2-5 его диаметров, а вокруг многоканального смесительного сопла расположен теплоизоляционный слой. 6. A reactor for producing carbon black, comprising a sequentially mounted combustion chamber with means for burning fuel with air, a multi-channel mixing nozzle with means for introducing raw materials, a chamber with means for cooling soot and gas products, characterized in that the multi-channel nozzle is made of refractory material with thermal conductivity 1.5-4.8 W / (m • K) and a heat capacity of 0.7-1.08 kJ / (kg • K), while the length of the channel is 2-5 of its diameters, and around the multi-channel mixing nozzle there is a thermal insulation onny layer.
RU2001110540/12A 2001-04-10 2001-04-10 Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon RU2179564C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001110540/12A RU2179564C1 (en) 2001-04-10 2001-04-10 Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon
PCT/RU2001/000140 WO2002081575A1 (en) 2001-04-10 2001-04-10 Carbon black, method of production thereof and a reactor for producing carbon black.

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001110540/12A RU2179564C1 (en) 2001-04-10 2001-04-10 Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon
PCT/RU2001/000140 WO2002081575A1 (en) 2001-04-10 2001-04-10 Carbon black, method of production thereof and a reactor for producing carbon black.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2179564C1 true RU2179564C1 (en) 2002-02-20

Family

ID=26653598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001110540/12A RU2179564C1 (en) 2001-04-10 2001-04-10 Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2179564C1 (en)
WO (1) WO2002081575A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2446195C1 (en) * 2010-07-26 2012-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Техуглерод и огнеупоры" Method of producing low-dispersed technical carbon and reactor for realising said method
US8871173B2 (en) 2010-02-19 2014-10-28 Cabot Corporation Method for carbon black production using preheated feedstock and apparatus for same
RU2738368C1 (en) * 2020-06-10 2020-12-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН) Method of producing electroconductive technical carbon
RU203961U1 (en) * 2020-12-28 2021-04-29 Общество с ограниченной ответственностью "Карбострим " Small-sized reactor for producing carbon black by controlled pyrolysis of hydrocarbon gas

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3867513A (en) * 1970-01-08 1975-02-18 Phillips Petroleum Co Method for producing carbon black
DE2608417C3 (en) * 1976-03-01 1981-02-12 Degussa Ag, 6000 Frankfurt METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING Soot
US4729885A (en) * 1986-02-11 1988-03-08 Phillips Petroleum Co. High mixing reactor process
RU2131766C1 (en) * 1998-04-07 1999-06-20 Открытое акционерное общество "Ярославский технический углерод" Reactor for production of carbon black

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8871173B2 (en) 2010-02-19 2014-10-28 Cabot Corporation Method for carbon black production using preheated feedstock and apparatus for same
RU2545329C2 (en) * 2010-02-19 2015-03-27 Кабот Корпорейшн Method and device for production of carbon black with application of heated initial material
US9574087B2 (en) 2010-02-19 2017-02-21 Cabot Corporation Method for carbon black production using preheated feedstock and apparatus for same
RU2446195C1 (en) * 2010-07-26 2012-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Техуглерод и огнеупоры" Method of producing low-dispersed technical carbon and reactor for realising said method
RU2738368C1 (en) * 2020-06-10 2020-12-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН) Method of producing electroconductive technical carbon
RU203961U1 (en) * 2020-12-28 2021-04-29 Общество с ограниченной ответственностью "Карбострим " Small-sized reactor for producing carbon black by controlled pyrolysis of hydrocarbon gas

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002081575A1 (en) 2002-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2087413C1 (en) Method and apparatus for cleaving hydrocarbons
US2368828A (en) Process for producing carbon black
US4740290A (en) Process for thermal cracking of heavy oil
Ono et al. Influence of furnace temperature and residence time on configurations of carbon black
CZ293107B6 (en) Process for producing carbon black and apparatus for making the same
CN206253030U (en) A kind of feedstock oil mixing and emulsifying device
RU2179564C1 (en) Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon
US3988478A (en) Carbon black
US2976127A (en) Apparatus for making carbon black
KR20130094708A (en) Carbon black reactor
US2723300A (en) Quenching method for short-time, hightemperature gas-phase reactions
JPH0987541A (en) Carbon black and its production
SE431196B (en) SET THROUGH HYDROLYSIS OF SILICONE TETRAFLUORIDE IN A LAYER PRODUCING FINALLY DISTRIBUTED SILICO OXIDE
US3172729A (en) Preheater
RU2161549C1 (en) Method of producing nickel carbonyl powders with chain structure and bulk density of less than 1
RU2446195C1 (en) Method of producing low-dispersed technical carbon and reactor for realising said method
RU2394054C2 (en) Method of producing semi-active technical carbon and reactor for realising said method
JPS61501574A (en) Hydrocarbon pretreatment method for catalytic cracking
RU2580917C1 (en) Method of producing soot and reactor therefor
US3322506A (en) Carbon black apparatus
RU2389747C1 (en) Method of producing soot and reactor for realising said method
US5049369A (en) Control of a carbon black reactor
JPS6047097A (en) Hydrocarbon steam decomposition
JPS5998167A (en) Carbon black burner assembly and oil burner carbon black production
US2719078A (en) Channel process oil enrichment