RU2614964C1

RU2614964C1 - Method of producing semi-active technical carbon

Info

Publication number: RU2614964C1
Application number: RU2015154217A
Authority: RU
Inventors: Сергей Яковлевич Зенков; Денис Петрович Баев; Александр Владимирович Богодухов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Омский завод технического углерода"
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-03-31

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to production of semi-active technical carbon from liquid hydrocarbon material. Method involves pre-heating liquid hydrocarbon material and process air, mixing latter with natural gas and combustion of produced mixture to produce streams of combustion products, axial supply therein of a stream of sprayed liquid hydrocarbon material, containing steam, narrowing formed stream of sprayed hydrocarbon raw material and combustion products, its thermal oxidative decomposition. Before feeding into streams of combustion products hydrocarbon material is sprayed with steam.

EFFECT: invention improves quality of semi-active technical carbon and reduces power consumption.

1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к производству технического углерода из жидкого углеводородного сырья путем термоокислительного разложения (пиролиза) и может быть использовано для получения полуактивного технического углерода, применяемого в резиновой промышленности в качестве компонента резиновых смесей для шин и других резинотехнических изделий.The present invention relates to the production of carbon black from liquid hydrocarbon materials by thermo-oxidative decomposition (pyrolysis) and can be used to produce semi-active carbon black used in the rubber industry as a component of rubber compounds for tires and other rubber products.

В настоящее время для получения полуактивного технического углерода используют различные способы.Currently, various methods are used to produce semi-active carbon black.

Известны способы получения технического углерода путем термического разложения жидкого углеводородного сырья, включающие двухстадийную подачу углеводородного сырья в реактор. Сырье подается в распыленном виде частями через аксиальную сырьевую форсунку и радиальные форсунки. Распыл сырьевой смеси в сырьевых форсунках осуществляют воздухом высокого давления (авторское свидетельство SU 1040773 A, опубликовано 30.11.1985 г., авторское свидетельство SU 1099601 A1, приоритет 10.08.1996 г. ). При этом распыл сырьевой смеси в форсунках осуществляют воздухом высокого давления при 450-800°С при общем расходе воздуха 2,4-2,8 нм³/кг (SU 1040773 A).Known methods for producing carbon black by thermal decomposition of liquid hydrocarbon feedstock, comprising a two-stage supply of hydrocarbon feedstock to the reactor. The feed is sprayed in parts through an axial feed nozzle and radial nozzles. The raw material mixture is sprayed in the raw nozzles with high pressure air (copyright certificate SU 1040773 A, published November 30, 1985, copyright certificate SU 1099601 A1, priority date 10.08.1996). In this case, the raw material mixture is sprayed in nozzles by high-pressure air at 450-800 ° C with a total air flow rate of 2.4-2.8 nm ³ / kg (SU 1040773 A).

В соответствии с SU 1099601 A1 дополнительно в реактор в поток сажегазовых продуктов подают газообразный окислитель, содержащий свободный кислород с расходом подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,01-0,08 нм³/кг сырья и топлива, а поток сажегазовых продуктов после подачи в него окислителя сужают и расширяют при отношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,4-4.In accordance with SU 1099601 A1, a gaseous oxidizer containing free oxygen with a flow rate of free oxygen supplied with an oxidizing agent of 0.01-0.08 nm ³ / kg of feedstock and fuel is additionally fed into the soot and gas product stream into the reactor and the soot and gas product stream is fed after it the oxidizing agent is narrowed and expanded at a ratio of the rates of the narrowed flow and the flow of soot and gas products before the narrowing of 1.4-4.

Известен способ получения технического углерода, включающий образование суженного потока смеси топлива с окислителем при отношении концентраций окислителя и топлива 0,75-0,95 от стехиометрического при среднем значении коэффициента избытка окислителя в смеси 1,2-1,8 и скорости данного потока больше скорости распространения пламени в зоне горения в 1,-2,5 раза, введение его в зону горения с одновременным его расширением и воспламенением, введение углеродного сырья в поток продуктов горения радиально через (1-5)⋅10^-3 с после воспламенения смеси с последующим расширением или сужением потока с последующим расширением и термическое разложение его с образованием смеси углерода и газообразных продуктов, закалку впрыском воды и выделение углерода (патент RU 2114138 С1, опубликовано 27.06.1998 г. ).A known method of producing carbon black, including the formation of a narrowed stream of a mixture of fuel with an oxidizing agent with a ratio of oxidizer and fuel concentrations of 0.75-0.95 from stoichiometric with an average value of the coefficient of excess oxidizer in the mixture of 1.2-1.8 and the speed of this stream is greater than the speed flame propagation in the combustion zone to 1 -2.5 times its introduction into the combustion zone with the simultaneous expansion and its ignition, the introduction of the carbon raw material in the combustion products flow radially through (1-5) ⋅10 ^-3 s after ignition of the mixture with n following extension or narrowing of the stream, followed by expansion and its thermal decomposition to form a mixture of carbon and gaseous products, quenching water and carbon injection selection (RU Patent No. 2114138 C1 published on 27.06.1998 g).

Общим недостатком известных способов получения технического углерода является низкое качество получаемого технического углерода с параметрами, не соответствующими требованиям спецификации, в первую очередь с низким уровнем по показателю «светопропускание толуольного экстракта».A common disadvantage of the known methods for producing carbon black is the low quality of the obtained carbon black with parameters that do not meet the requirements of the specification, primarily with a low level of “light transmission of toluene extract”.

Существенным недостатком известных способов также является низкая производительность процесса получения технического углерода, обусловленная коксованием реактора, приводящего к образованию грита (т.е. коксовых частиц) и возникновению отклонений по показателю «Остаток на сите с сетками 05 и 0045» (ГОСТ 7885-86).A significant disadvantage of the known methods is also the low productivity of the process for producing carbon black, due to coking of the reactor, which leads to the formation of grit (ie coke particles) and the occurrence of deviations in the indicator "Residue on the sieve with grids 05 and 0045" (GOST 7885-86) .

Известен способ получения полуактивного технического углерода. В соответствии с этим способом технический углерод получают из жидкого углеводородного сырья путем его термоокислительного разложения в реакторе, включающим предварительный нагрев жидкого углеводородного сырья до температуры 150-200°С и технологического воздуха до температуры 650-700°С, смешивание топлива с нагретым технологическим воздухом с коэффициентом избытка воздуха 1,2-1,3, организацию полного горения топливной смеси в камере горения при температуре не выше 1750°C с образованием потоков дымовых газов, поступающих в зону смешения с увеличением скорости, достигаемым за счет уменьшения сечения в зоне смешения, радиальную подачу в поток дымовых газов углеводородного сырья, распыляемого воздухом высокого давления с температурой 60-80°С при условии соотношения скоростей сырья и дымовых газов 1:(3-5), смешивание углеводородного сырья в потоке дымового газа с образованием потока углеводородогазовой смеси, введение последнего с уменьшением его скорости за счет расширения в камеру реакции, его испарение и термоокислительное разложение с образованием аэрозоля технического углерода и его охлаждение путем впрыска химически очищенной воды (патент RU 2394054 С2, опубликовано 10.07.2010 г. ).A known method of producing semi-active carbon black. In accordance with this method, carbon black is obtained from liquid hydrocarbon raw materials by thermo-oxidative decomposition in a reactor, including preliminary heating of liquid hydrocarbon raw materials to a temperature of 150-200 ° C and process air to a temperature of 650-700 ° C, mixing fuel with heated process air with the coefficient of excess air is 1.2-1.3, the organization of complete combustion of the fuel mixture in the combustion chamber at a temperature not exceeding 1750 ° C with the formation of flue gas flows entering the mixing zone with increased the speed achieved by reducing the cross section in the mixing zone, radial feed into the flue gas stream of hydrocarbon feed sprayed with high pressure air with a temperature of 60-80 ° C under the condition that the ratio of the speed of feedstock and flue gas 1: (3-5), mixing hydrocarbon raw materials in the flue gas stream with the formation of a hydrocarbon-gas mixture stream, introducing the latter with a decrease in its speed due to expansion in the reaction chamber, its evaporation and thermo-oxidative decomposition with the formation of carbon black aerosol and its cooling by injection of chemically purified water (patent RU 2394054 C2, published July 10, 2010).

Недостатком известного способа получения технического углерода является низкое качество получаемого технического углерода, не соответствующее требованиям спецификации, вследствие коксования реактора, что, в свою очередь, приводит к возникновению отклонений по показателю «Остаток на сите с сетками 05 и 0045».A disadvantage of the known method for producing carbon black is the low quality of the obtained carbon black, which does not meet the specification requirements, due to coking of the reactor, which, in turn, leads to deviations in the indicator "Residue on the sieve with grids 05 and 0045".

Наиболее близким к заявляемому изобретению является принятый за прототип способ получения технического углерода из жидкого углеводородного сырья (международная заявка WO 2014149455, опубликована 25.09.2014). Способ предусматривает предварительный нагрев сырья и воздуха, смешивание воздуха с газообразным топливом, горение топлива в присутствии воздуха с образованием продуктов горения, подачу в продукты горения распыленного жидкого сырья, содержащего разбавительную текучую среду, которую осуществляют соосно реакционной камере, сужение потока и термоокислительное разложение сырья в реакционной камере с образованием технического углерода. Способ предусматривает, что в качестве текучей среды может быть использован водяной пар.Closest to the claimed invention is a prototype method for producing carbon black from liquid hydrocarbon feedstocks (international application WO 2014149455, published September 25, 2014). The method involves preheating raw materials and air, mixing air with gaseous fuel, burning fuel in the presence of air with the formation of combustion products, feeding sprayed liquid raw materials containing a dilution fluid that is coaxial to the reaction chamber, narrowing the stream and thermally oxidizing decomposition of the raw materials into combustion products reaction chamber with the formation of carbon black. The method provides that water can be used as a fluid.

Недостатком ближайшего аналога, как и других известных способов получения технического углерода, является низкое качество получаемого технического углерода.The disadvantage of the closest analogue, as well as other known methods for producing carbon black, is the low quality of the obtained carbon black.

Задачей настоящего изобретения является решение проблемы коксования реактора в процессе получения полуактивного технического углерода, а также расширение сырьевой базы для производства технического углерода за счет использования сырья с повышенной коксуемостью при одновременном получении технического углерода высокого качества.The objective of the present invention is to solve the problem of coking the reactor in the process of obtaining semi-active carbon black, as well as expanding the raw material base for the production of carbon black through the use of raw materials with high coking ability while producing high quality carbon black.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества получаемого технического углерода за счет уменьшения образования грита и снижения коксования реактора. Технический результат заключается также в уменьшении энергетических затрат на получение технического углерода из жидкого углеводородного сырья.The technical result to which the claimed invention is directed is to improve the quality of the resulting carbon black by reducing the formation of grit and reducing coking of the reactor. The technical result also consists in reducing energy costs for producing carbon black from liquid hydrocarbon feedstocks.

Технический результат достигается тем, что в способе получения полуактивного технического углерода из жидкого углеводородного сырья, включающем предварительный нагрев жидкого углеводородного сырья и технологического воздуха, смешивание последнего с природным газом и горение полученной смеси с образованием потоков продуктов горения, аксиальную подачу в них потока распыленного жидкого углеводородного сырья, содержащего водяной пар, сужение образовавшегося потока распыленного углеводородного сырья и продуктов горения, его термоокислительное разложение с образованием технического углерода, согласно изобретению перед подачей в потоки продуктов горения углеводородное сырье распыляют водяным паром.The technical result is achieved by the fact that in the method for producing semi-active carbon black from liquid hydrocarbon feedstock, comprising preheating liquid hydrocarbon feedstock and process air, mixing the latter with natural gas and burning the resulting mixture to form combustion product streams, axial flow of atomized liquid hydrocarbon stream into them raw materials containing water vapor, narrowing of the formed stream of atomized hydrocarbon raw materials and combustion products, its thermal shock Call duration decomposition to form the carbon black, according to the invention before being fed to the flow of combustion products sprayed hydrocarbon feedstock with steam.

В одном из вариантов осуществления способа для распыления углеводородного сырья подают водяной пар под давлением 8-12 атм.In one embodiment of the method for spraying hydrocarbon feed water is supplied at a pressure of 8-12 atm.

Известно, что образование коксовых частиц происходит из относительно «крупных» сырьевых капель, которые присутствуют в сырьевом потоке при распыле сырья воздухом высокого давления. Применение в заявляемом способе для распыления углеводородного сырья водяного пара вместо воздуха высокого давления позволило получить более однородный состав сырьевого потока по размеру капель и уменьшить их размер и тем самым улучшить качество распыления. В результате полученного эффекта увеличивается скорость реакции образования технического углерода, то есть снижается время нагрева и испарения капли, что исключает образование коксовых частиц в процессе получения технического углерода. Замена воздуха высокого давления паром также позволила снизить энергетические затраты процесса производства технического углерода.It is known that the formation of coke particles comes from relatively "large" feed droplets that are present in the feed stream when the feed is sprayed with high pressure air. The use of water vapor instead of high pressure air in the inventive method for spraying hydrocarbon feedstock made it possible to obtain a more uniform composition of the feed stream in droplet size and to reduce their size and thereby improve the quality of spraying. As a result of the effect, the reaction rate of formation of carbon black is increased, that is, the heating and evaporation time of the drop is reduced, which eliminates the formation of coke particles in the process of producing carbon black. Replacing high-pressure air with steam also reduced the energy costs of the carbon black production process.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез реактора для осуществления заявленного способа получения полуактивного технического углерода.The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of a reactor for implementing the inventive method for producing semi-active carbon black.

Реактор содержит корпус 1, в котором последовательно и соосно расположены воздушная камера 2, камера 3 горения, зона 4 смешения, реакционная камера 5 и зона 6 охлаждения (закалки) аэрозоля технического углерода.The reactor comprises a housing 1, in which the air chamber 2, the combustion chamber 3, the mixing zone 4, the reaction chamber 5 and the cooling (quenching) zone 6 of the carbon black aerosol are arranged sequentially and coaxially.

В воздушной камере 2 параллельно продольной оси реактора установлены четыре диффузионные топливные горелки 7 таким образом, что их распылители расположены на входе в камеру 3 горения. Топливные горелки 7 обеспечивают равномерное распределение топлива в предварительно нагретом технологическом воздухе. Воздушная камера 2 снабжена патрубками 8 для подачи воздуха на горение топлива. В воздушной камере 2 аксиально установлена пневмомеханическая сырьевая форсунка 9. Сырьевая форсунка 9 соединена с источниками (не показаны) для подачи под давлением сырья и водяного пара. В конце реакционной камеры 5 установлена зона 6 закалки.Four diffusion fuel burners 7 are installed in the air chamber 2 parallel to the longitudinal axis of the reactor so that their atomizers are located at the entrance to the combustion chamber 3. Fuel burners 7 provide uniform distribution of fuel in preheated process air. The air chamber 2 is equipped with nozzles 8 for supplying air to the combustion of fuel. A pneumomechanical feed nozzle 9 is axially mounted in the air chamber 2. The feed nozzle 9 is connected to sources (not shown) for supplying raw materials and water vapor under pressure. At the end of the reaction chamber 5, a quenching zone 6 is installed.

Согласно изобретению получение полуактивного технического углерода осуществляют следующим образом.According to the invention, the production of semi-active carbon black is as follows.

Предварительно нагревают жидкое углеводородное сырье до температуры 150-180°С и технологический воздух среднего давления (0,45-0,55 бар) до температуры 650-700°С. Предварительно подогретый воздух среднего давления со средним коэффициентом избытка воздуха 1,27 через патрубки 8 поступает в воздушную камеру 2 и проходит в камеру 3 горения. Топливо (природный газ) подается в камеру 3 горения через топливные горелки 7 и сжигается с воздухом. Диаметр каждой топливно-воздушной струи составляет 230 мм. Она движется по внутренней поверхности камеры 1 горения длиной 1,5 м со средней скоростью 65 м/с. В продукты горения природного газа воздуха, образующиеся в камере 3, через аксиальную форсунку 9 подают жидкое углеводородное сырье.Pre-heat the liquid hydrocarbon feed to a temperature of 150-180 ° C and process air of medium pressure (0.45-0.55 bar) to a temperature of 650-700 ° C. Preheated air of medium pressure with an average coefficient of excess air of 1.27 through the nozzles 8 enters the air chamber 2 and passes into the combustion chamber 3. Fuel (natural gas) is supplied to the combustion chamber 3 through fuel burners 7 and burned with air. The diameter of each fuel-air jet is 230 mm. It moves along the inner surface of the combustion chamber 1 with a length of 1.5 m with an average speed of 65 m / s. In the combustion products of natural air gas generated in the chamber 3, liquid hydrocarbon feed is supplied through the axial nozzle 9.

Углеводородное сырье вводится в камеру 3 горения реактора через форсунку 9, в которой распыляется водяным паром. В эту же камеру 3 горения для осуществления процесса горения поступают природный газ и воздух. Таким образом, в камере 3 горения образуются продукты горения, которые по ее периферии движутся в направлении реакционной камеры 5, а по центру камеры 3 горения по направлению к реакционной камере 5 движется вышедшее из форсунки 9 распыленное сырье, причем в каждой точке камеры 3 горения содержатся продукты горения. Процесс смешения продуктов горения и распыленного сырья начинается в камере 3 горения, и для его интенсификации выполняют сужение реактора с образованием зоны 4 смешения, где идет сужение потоков сырья и продуктов горения и активное образование смеси сырья и продуктов горения. Далее смесь паров углеводородного сырья и продуктов горения топлива поступает в реакционную камеру 6, диаметр которой составляет 700 мм, где сырье подвергается термоокислительному разложению с образованием технического углерода. Далее продукты реакции охлаждают в зоне 6 закалки.Hydrocarbon feed is introduced into the combustion chamber 3 of the reactor through the nozzle 9, in which it is sprayed with water vapor. In the same combustion chamber 3 for the implementation of the combustion process receives natural gas and air. Thus, combustion products are formed in the combustion chamber 3, which along its periphery move in the direction of the reaction chamber 5, and in the center of the combustion chamber 3 in the direction of the reaction chamber 5, the sprayed raw materials leaving the nozzle 9 move, and each point of the combustion chamber 3 contains combustion products. The process of mixing the combustion products and atomized raw materials begins in the combustion chamber 3, and for its intensification, the reactor is narrowed to form a mixing zone 4, where the narrowing of the raw materials and combustion products flows and the active formation of a mixture of raw materials and combustion products is performed. Next, the mixture of vapors of hydrocarbon feedstocks and fuel combustion products enters the reaction chamber 6, the diameter of which is 700 mm, where the feedstock undergoes thermal oxidative decomposition with the formation of carbon black. Next, the reaction products are cooled in zone 6 quenching.

Для распыления сырья в форсунку 9 подают пар под давлением 8-12 атм. Диапазон изменения давления пара позволяет оперативно влиять на конечный качественный результат и управлять уровнем показателя «Остаток на сите с сетками 05 и 0045», а также поддерживать его значительно ниже требуемого уровня. В качестве сырья используют сырьевые смеси, состоящие из продуктов переработки нефти, коксохимического сырья, коксохимических смол и пиролизных смол.For spraying raw materials into the nozzle 9 serves steam under a pressure of 8-12 bar. The range of changes in steam pressure allows you to quickly influence the final quality result and control the level of the indicator "Residue on the sieve with grids 05 and 0045", as well as maintain it significantly below the required level. As raw materials, raw mixes are used, consisting of petroleum refined products, by-product coke, coke and pyrolysis resins.

Примеры реализации заявленного способа получения полуактивного технического углерода приведены ниже в таблице.Examples of the implementation of the claimed method for producing semi-active carbon black are given in the table below.

Claims

1. A method of producing semi-active carbon black from liquid hydrocarbon feedstock, comprising preheating the liquid hydrocarbon feedstock and process air, mixing the latter with natural gas and burning the resulting mixture to form combustion product streams, axially supplying a stream of atomized liquid hydrocarbon feedstock containing water vapor to them , narrowing of the resulting stream of atomized hydrocarbon feed and combustion products, its thermo-oxidative decomposition with the formation of technical Skog carbon, characterized in that before being fed into the flow of combustion products sprayed hydrocarbon feedstock with steam.

2. The method according to p. 1, characterized in that for spraying the hydrocarbon feed water is supplied at a pressure of 8-12 atm.