RU2738368C1 - Method of producing electroconductive technical carbon - Google Patents
Method of producing electroconductive technical carbon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2738368C1 RU2738368C1 RU2020119257A RU2020119257A RU2738368C1 RU 2738368 C1 RU2738368 C1 RU 2738368C1 RU 2020119257 A RU2020119257 A RU 2020119257A RU 2020119257 A RU2020119257 A RU 2020119257A RU 2738368 C1 RU2738368 C1 RU 2738368C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon black
- oxygen
- gas
- technical carbon
- containing gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09C—TREATMENT 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
- C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
- C09C1/44—Carbon
- C09C1/48—Carbon black
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09C—TREATMENT 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
- C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
- C09C1/44—Carbon
- C09C1/48—Carbon black
- C09C1/56—Treatment of carbon black ; Purification
- C09C1/60—Agglomerating, pelleting, or the like by dry methods
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Pigments, Carbon Blacks, Or Wood Stains (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к производству технического углерода из жидкого углеводородного сырья печным способом и может найти применение при получении широкого ассортимента электропроводного технического углерода с высокими показателями структурности, удельной поверхности и электрической проводимости для кабельной, резинотехнической и электротехнической промышленности при изготовлении электропроводных резин и пластиков, а так же в производстве химических источников тока и топливных элементов.The invention relates to the production of carbon black from liquid hydrocarbon raw materials by a furnace method and can be used in the production of a wide range of electrical conductive carbon black with high structural characteristics, specific surface area and electrical conductivity for the cable, rubber and electrical industries in the manufacture of conductive rubbers and plastics, as well as in the production of chemical sources of electricity and fuel cells.
Известен способ получения технического углерода в многозонном реакторе с изменяемой геометрией вдоль длины реакционной камеры (с различным отношением длины зоны к ее диаметру). При варьировании скоростей потоков основных вводимых реагентов (топлива, воздуха, сырья, воды, кислородсодержащего агента) в комбинации с изменением отношения длина/диаметр реакционной зоны получен технический углерод (ТУ) с удельной адсорбционной поверхностью (SБЭТ) и показателем структурности по абсорбции дибутилфталата (АДБФ) в диапазонах 650-2050 м2/г и 70-270 мл/100 г соответственно (патент US9053871 В2). Однако, предложенный способ не обеспечивает получение технического углерода с высокими показателями структурности более 270 мл/100 г и соответственно необходимой электропроводности слоя первичных агрегатов при формировании электрода элементов питания. Кроме того, к недостаткам данного способа можно отнести необходимость введения в реактор элементов I или II группы Периодической системы, снижающих химическую чистоту технического углерода, а также длину продольного размера предлагаемого реактора, необходимую для повышения удельной поверхности SБЕТ, в котором расстояние от места ввода сырья до места впрыска воды на закалку составляет до 17 м без учета длин головной и хвостовой частей реактора.A known method of producing carbon black in a multi-zone reactor with variable geometry along the length of the reaction chamber (with a different ratio of the length of the zone to its diameter). By varying the flow rates of the main injected reagents (fuel, air, raw materials, water, oxygen-containing agent) in combination with a change in the length / diameter ratio of the reaction zone, carbon black (TC) was obtained with a specific adsorption surface (S BET ) and an index of structure for absorption of dibutyl phthalate ( A DBP ) in the ranges 650-2050 m 2 / g and 70-270 ml / 100 g, respectively (patent US9053871 B2). However, the proposed method does not provide for the production of carbon black with high structural indexes of more than 270 ml / 100 g and, accordingly, the necessary electrical conductivity of the layer of primary aggregates when forming the electrode of the batteries. In addition, the disadvantages of this method include the need to introduce into the reactor elements of the I or II group of the Periodic system, which reduce the chemical purity of carbon black, as well as the length of the longitudinal size of the proposed reactor, necessary to increase the specific surface area S BET , in which the distance from the place of input of raw materials up to the point of water injection for quenching is up to 17 m without taking into account the lengths of the head and tail of the reactor.
Известен способ (патент US2009/0208751A1) получения мезопористого технического углерода и увеличения его удельной поверхности при контактировании исходного материала, с окислителем в псевдоожиженном слое с получением продукта с удельной поверхностью, большей исходной. Недостатками известного способа является то, что процесс увеличения удельной поверхности технического углерода (ТУ) до 1800 м2/г проводится в псевдоожиженном слое гранулированного технического углерода с псевдоожижающим агентом, содержащим окислитель, без предварительного классифицирования ТУ по более узким фракциям. Используя неподготовленный технический углерод возможно получить неоднородный конечный продукт при его существенно более низком выходе. Особенно это будет усугубляться с увеличением продолжительности процесса окисления и достижения максимальных величин удельной поверхности конечного продукта. При различных скоростях окисления и витания неклассифицированных гранул, а также снижении их прочности по мере окисления происходит механическое разрушение более окисленных и менее прочных гранул ТУ, резко увеличивается унос более легкого продукта и существенно снижается производительность всего процесса. Кроме того, процесс окисления технического углерода в псевдоожиженном слое очень сложен в управлении. При достижении высоких значений удельной поверхности конечного продукта (1200 м2/г и выше) и для предотвращения его уноса необходимо менять расходы ожижающего агента, что требует индивидуального подбора режима окисления для каждого типа технического углерода.There is a known method (patent US2009 / 0208751A1) for obtaining mesoporous carbon black and increasing its specific surface area when contacting the starting material with an oxidizer in a fluidized bed to obtain a product with a specific surface area larger than the original one. The disadvantages of the known method is that the process of increasing the specific surface area of carbon black (TC) to 1800 m 2 / g is carried out in a fluidized bed of granular carbon black with a fluidizing agent containing an oxidizing agent, without preliminary classification of TC into narrower fractions. Using untreated carbon black it is possible to obtain a non-uniform end product at a significantly lower yield. This will be especially aggravated with an increase in the duration of the oxidation process and the achievement of the maximum values of the specific surface area of the final product. At different rates of oxidation and whirling of unclassified granules, as well as a decrease in their strength as oxidation proceeds, mechanical destruction of more oxidized and less durable TC granules occurs, the carryover of a lighter product sharply increases, and the productivity of the entire process decreases significantly. In addition, the process of oxidizing carbon black in a fluidized bed is very difficult to control. Upon reaching high specific surface values of final product (1200 m 2 / g or higher) and to prevent its ablation expenses necessary to change a fluidizing agent, which requires the oxidation of the individual selection mode for each type of carbon black.
Наиболее близким к предлагаемому способу получения технического углерода является патент RU №2580917 (прототип). Известный способ включает смешение топлива с воздухом, подачу аксиального потока углеводородного сырья и двух коаксиальных основного и вспомогательного потоков кислородсодержащего газа, термическое разложение сырья в продуктах горения топлива с образованием аэрозоля технического углерода, его термообработку, активацию, закалку и отделение от газовых продуктов. Активацию проводят в камере реакции в присутствии радиальных потоков кислородсодержащего газа, подаваемых в зону камеры реакции, при этом расход радиальных потоков кислородсодержащего газа составляет 2-20% от общего расхода кислородсодержащего газа процесса, соотношение расходов кислородсодержащего газа вспомогательного и основного коаксиальных потоков составляет (1,8-3,6):1, а расход кислородсодержащего газа вспомогательного коаксиального потока составляет 6-20% от общего расхода кислородсодержащего газа.Closest to the proposed method for producing carbon black is patent RU No. 2580917 (prototype). The known method includes mixing fuel with air, supplying an axial flow of hydrocarbon feedstock and two coaxial main and auxiliary streams of oxygen-containing gas, thermal decomposition of feedstock in fuel combustion products with the formation of a carbon black aerosol, its heat treatment, activation, quenching and separation from gas products. The activation is carried out in the reaction chamber in the presence of radial flows of oxygen-containing gas supplied to the zone of the reaction chamber, while the flow rate of the radial flows of the oxygen-containing gas is 2-20% of the total flow rate of the oxygen-containing gas of the process, the ratio of the flow rates of the oxygen-containing gas of the auxiliary and main coaxial flows is (1, 8-3.6): 1, and the flow rate of the oxygen-containing gas of the auxiliary coaxial flow is 6-20% of the total flow rate of the oxygen-containing gas.
Реактор для получения технического углерода по известному способу включает: воздушную камеру; аксиально установленную сырьевую форсунку, снабженную двумя коаксиально расположенными трубами для подачи основного и вспомогательного потоков кислородсодержащего газа; распределитель топлива; камеру смешения; сужающую втулку; камеру стабилизации; камеру реакции и камеру закалки. Камера реакции включает последовательно расположенные зону реакции и зону активации, причем по длине камеры реакции в зоне активации выполнены радиальные отверстия в сечениях, расположенных на расстоянии через 1,0-1,6 диаметра камеры реакции, начиная от камеры стабилизации.The reactor for producing carbon black according to the known method includes: an air chamber; an axially mounted feed nozzle provided with two coaxially spaced pipes for supplying the main and auxiliary streams of oxygen-containing gas; fuel distributor; mixing chamber; narrowing sleeve; stabilization camera; a reaction chamber and a quenching chamber. The reaction chamber includes a sequentially located reaction zone and an activation zone, and along the length of the reaction chamber in the activation zone, radial holes are made in sections located at a distance of 1.0-1.6 diameters of the reaction chamber, starting from the stabilization chamber.
Такой способ получения и реактор для его осуществления позволяют получать технический углерод с удельной адсорбционной поверхностью 255 - 950 м2/г, абсорбцией ДБФ 186 - 240 мл/100 г. Однако известный способ с непрерывной последовательностью стадий образования аэрозоля технического углерода и его активации в условиях одного реактора не обеспечивает получения требуемой комбинации свойств ТУ с еще более высокими показателями удельной поверхности (выше 950 м2/г) и абсорбцией дибутилфталата (более 240 мл/100 г). Полученный по прототипу продукт пригоден для использования как наполнитель эластомеров и пластмасс, а так же в качестве электродного материала в определенных электрохимических устройствах, но имеет ограниченное применение, где важными являются высокая структурность и развитая мезопористость,Such a production method and a reactor for its implementation make it possible to obtain carbon black with a specific adsorption surface of 255 - 950 m 2 / g, absorption of DBP 186 - 240 ml / 100 g. However, the known method with a continuous sequence of stages of aerosol formation of carbon black and its activation under conditions one reactor does not provide the required combination of properties of carbon black with even higher specific surface area (above 950 m 2 / g) and absorption of dibutyl phthalate (more than 240 ml / 100 g). The product obtained according to the prototype is suitable for use as a filler for elastomers and plastics, as well as as an electrode material in certain electrochemical devices, but has limited application, where high structure and developed mesoporosity are important,
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение удельной поверхности, структурности и электропроводности технического углерода.The technical result of the claimed invention is to increase the specific surface area, structure and electrical conductivity of carbon black.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ получения технического углерода реализуют последовательно в два этапа. На первом реализуют сжигание топливно-воздушной смеси, подачу аксиального потока углеводородного сырья и двух коаксиальных основного и вспомогательного потоков кислородсодержащего газа, термическое разложение сырья в продуктах горения топлива с образованием аэрозоля технического углерода, его активацию в реакционной камере в присутствии радиальных потоков кислородсодержащего газа, закалку и отделение технического углерода от газовых продуктов. На втором этапе после отделения от газовых продуктов, гранулирования, сушки и классифицирования технический углерод подвергают термогазохимической обработке кислородсодержащим газом во вращающемся слое с внешним электро- или газовым обогревом.The technical result is achieved by the fact that the proposed method for producing carbon black is implemented sequentially in two stages. At the first stage, the combustion of the fuel-air mixture, the supply of an axial flow of hydrocarbon raw materials and two coaxial main and auxiliary flows of oxygen-containing gas, thermal decomposition of raw materials in the products of fuel combustion with the formation of a carbon black aerosol, its activation in the reaction chamber in the presence of radial flows of oxygen-containing gas, quenching and separation of carbon black from gas products. At the second stage, after separation from gas products, granulation, drying and classification, carbon black is subjected to thermogas-chemical treatment with oxygen-containing gas in a rotating bed with external electric or gas heating.
Отличительным признаком предлагаемого способа является гранулирование технического углерода (ТУ) после отделения его от газовых потоков, сушка гранулированного ТУ, его классифицирование на более узкие фракции и термогазохимическая обработка, которая проводится при температуре 700 - 1100° в присутствии перегретого водяного пара при расходе 2,0 - 24,0 кг на 1 кг гранулированного технического углерода до относительной потери массы единицы его объема от 5 до 75%. Термогазохимическую обработку гранулированного технического углерода проводят во вращающемся слое с внешним электро- или газовым обогревом с числом оборотов 0,2 - 1,0 об/мин.A distinctive feature of the proposed method is the granulation of carbon black (TC) after separating it from the gas streams, drying of the granular TC, its classification into narrower fractions and thermal gas chemical treatment, which is carried out at a temperature of 700 - 1100 ° in the presence of superheated water vapor at a flow rate of 2.0 - 24.0 kg per 1 kg of granular carbon black to a relative weight loss of a unit of its volume from 5 to 75%. Thermal gas-chemical treatment of granular carbon black is carried out in a rotating bed with external electric or gas heating with a speed of 0.2 - 1.0 rpm.
Термогазохимическая обработка технического углерода кислородсодержащим газом позволяет получить требуемую комбинацию свойств с необходимыми показателями удельной адсорбционной поверхности (более 950 м2/г) и абсорбцией ДБФ (более 240 мл/100 г). Значительно более продолжительное время контакта вращающегося слоя с перегретым водяным паром, по сравнению с активацией аэрозоля технического углерода в реакторе, сопровождается сильным ростом удельной поверхности (до 1950 м2/г), конечная величина которой в целом зависит от совокупности характеристик исходного технического углерода, формируемых на первом этапе способа получения: размера частиц, степени предварительной активации, химии поверхности и чистоты первичных агрегатов. Одновременно увеличивается АДБФ, которая определяется размерами первичных агрегатов, числом частиц и пустотами между частицами в этих агрегатах, а также количеством и размерами пор, возникающими в частицах при контакте с кислородсодержащим газом. Термогазохимическая обработка приводит к существенному улучшению электрохимических характеристик конечного продукта. При общей тенденции роста величин удельных адсорбционной поверхности, емкости, и электропроводности технический углерод с более высокими разветвленностью или числом частиц в первичных агрегатах всегда имеет лучшие электрохимические показатели, а композиционные материалы на основе полимерной матрицы и электропроводного технического углерода в качестве наполнителя - более низкое электросопротивление [Суровикин Ю.В., Шайтанов А.Г. и др. Термогазохимическая модификация технического углерода: структура и свойства// Технологическое горение: коллективная монография / Под общ. ред. акад. С.М. Алдошина, чл.-корр. РАН М.И. Алымова. Гл. 7. М.: Изд-во РАН, 2018. С. 161].Thermal gas-chemical treatment of carbon black with oxygen-containing gas makes it possible to obtain the required combination of properties with the required specific adsorption surface (more than 950 m 2 / g) and DBP absorption (more than 240 ml / 100 g). Significantly longer contact time of the rotating layer with superheated steam, in comparison with the activation of the carbon black aerosol in the reactor, accompanied by a strong increase in the specific surface area (up to 1950 m 2 / g), the final value of which in general depend on the totality of the original carbon black characteristics, formed at the first stage of the preparation method: particle size, degree of pre-activation, surface chemistry and purity of primary aggregates. At the same time, A of DBP increases, which is determined by the size of the primary aggregates, the number of particles and voids between the particles in these aggregates, as well as the number and size of pores that arise in the particles upon contact with oxygen-containing gas. Thermal gas chemical treatment leads to a significant improvement in the electrochemical characteristics of the final product. With a general tendency towards an increase in the values of specific adsorption surface, capacity, and electrical conductivity, carbon black with higher branching or the number of particles in primary aggregates always has better electrochemical indicators, and composite materials based on a polymer matrix and conductive carbon black as a filler have a lower electrical resistance [ Surovikin Yu.V., Shaitanov A.G. et al. Thermogasochemical modification of carbon black: structure and properties // Technological combustion: collective monograph / Ed. ed. acad. CM. Aldoshina, Corresponding Member RAS M.I. Alymova. Ch. 7. M .: Publishing house of the Russian Academy of Sciences, 2018. P. 161].
Применение реактора (по прототипу) с аксиальной подачей сырья при соотношении расходов кислородсодержащего газа вспомогательного и основного коаксиальных потоков (1,8-3,6):1, а также при расходе кислородсодержащего газа вспомогательного коаксиального потока 6-20% от общего расхода кислородсодержащего газа позволяет получить по предлагаемому способу технический углерод с высокой степенью связанности частиц в первичном агрегате. В зависимости от требований к конечному продукту, в реакционную камеру реактора могут подаваться радиальные потоки кислородсодержащего газа с расходом от 2 до 20% от общего расхода кислородсодержащего газа на весь процесс и проводится предварительная активация аэрозоля технического углерода.The use of a reactor (according to the prototype) with an axial feed of raw materials at a ratio of the flow rates of the oxygen-containing gas of the auxiliary and main coaxial flows (1.8-3.6): 1, as well as at the flow rate of the oxygen-containing gas of the auxiliary coaxial flow of 6-20% of the total flow rate of the oxygen-containing gas allows to obtain by the proposed method carbon black with a high degree of particle cohesion in the primary unit. Depending on the requirements for the final product, radial streams of oxygen-containing gas can be supplied to the reaction chamber of the reactor with a flow rate of 2 to 20% of the total consumption of oxygen-containing gas for the entire process, and preliminary activation of carbon black aerosol is carried out.
Для оптимизации выхода готового продукт с однородными свойствами на втором этапе способа получения технический углерод после отделения от газовых потоков гранулируют, сушат и классифицируют на более узкие фракции. Без классификации гранулированный ТУ во вращающемся реакторе, вследствие сегрегации по размерам, делится на несколько слоев и при наличии градиента концентраций по высоте общего слоя, а также внутридиффузионных ограничений каждый из слоев находится в различных условиях термогазохимической обработки. При одинаковом времени контактирования с окислителем слои имеют различную потерю массы, а также происходит резкое снижение однородности готового продукта. Одновременно идет потеря материала при механическом разрушении более окисленных гранул и унос пылевидной фракции. Классифицирование исходного гранулята и использование вращающегося слоя существенно повышают возможности регулирования свойств готового продукта и управления процессом. В зависимости от свойств технического углерода сформированных на первом этапе для получения гранулята могут быть использованы различные методы формования: высокоскоростное гранулирование, прессование, экструдирование или таблетирование.To optimize the yield of the finished product with homogeneous properties at the second stage of the method for producing carbon black, after separation from the gas streams, it is granulated, dried and classified into narrower fractions. Without classification, granular carbon black in a rotating reactor, due to size segregation, is divided into several layers, and in the presence of a concentration gradient along the height of the common layer, as well as intradiffusion restrictions, each of the layers is in different conditions of thermal gas chemical treatment. With the same contact time with the oxidizing agent, the layers have different weight loss, and there is also a sharp decrease in the uniformity of the finished product. At the same time, there is a loss of material during mechanical destruction of more oxidized granules and the entrainment of a dust-like fraction. The classification of the original granulate and the use of a rotating bed significantly increase the ability to control the properties of the finished product and control the process. Depending on the properties of the carbon black formed in the first stage, various molding methods can be used to obtain the granulate: high-speed granulation, pressing, extrusion or tableting.
Важным показателем, по которому осуществляется оперативный контроль процесса термогазохимической обработки при получении электропроводного технического углерода, является показатель относительной потери массы единицы объема (насыпная плотность) исходного технического углерода, который вычисляется по формуле:An important indicator by which the operational control of the process of thermogas-chemical treatment is carried out when obtaining electrical conductive carbon black is the indicator of the relative mass loss per unit volume (bulk density) of the original carbon black, which is calculated by the formula:
(ρ1 - ρ 2) ⋅ 100/ρ1, (ρ 1 - ρ 2 ) ⋅ 100 / ρ 1,
где ρ1 - насыпная плотность исходного технического углерода, г/дм3; ρ2 - насыпная плотность технического углерода после термогазохимической обработки, г/дм3. Кроме того, показатель коррелирует со многими потребительскими свойствами конечного продукта.where ρ 1 - the bulk density of the original carbon black, g / dm 3 ; ρ 2 - bulk density of carbon black after thermogas-chemical treatment, g / dm 3 . In addition, the indicator correlates with many consumer properties of the final product.
Отличительной особенностью способа является то, что термогазохимическая обработка проводится до относительной потери массы единицы объема исходной гранулированного ТУ в диапазоне от 5 до 75% и обусловлена задачами, поставленными при получении готового продукта (удельная адсорбционная поверхность, абсорбция дибутилфталата, электропроводимость, химия поверхности и пр.), а также свойствами технического углерода после предварительного окисления аэрозоля на первом этапе способа получения. Если нижний предел степени активации (5%) обусловлен погрешностью определения основных показателей качества ТУ до и после активации (например, удельная адсорбционная поверхность), то верхний (более 75%) экономически не целесообразен: низкая прочность гранул, образование пыли при движении слоя и ее унос резко снижают выход конечного продукта.A distinctive feature of the method is that the thermogas-chemical treatment is carried out to a relative weight loss of a unit volume of the original granular carbon black in the range from 5 to 75% and is due to the tasks set when obtaining the finished product (specific adsorption surface, absorption of dibutyl phthalate, electrical conductivity, surface chemistry, etc.). ), as well as the properties of carbon black after preliminary oxidation of aerosol at the first stage of the production method. If the lower limit of the degree of activation (5%) is due to the error in determining the main quality indicators of the FC before and after activation (for example, the specific adsorption surface), then the upper one (more than 75%) is not economically feasible: low strength of granules, dust formation during the movement of the layer and its carryover sharply reduce the yield of the final product.
Способ получения электропроводного технического углерода во вращающемся слое предусматривает термогазохимическую постобработку промежуточного продукта с широким диапазоном исходных характеристик, определяющих различные условия контактирования технического углерода с окислителем.The method for producing electrical conductive carbon black in a rotating bed provides for thermogasochemical post-processing of an intermediate product with a wide range of initial characteristics that determine different conditions for contacting carbon black with an oxidant.
По предлагаемому способу основным окислительным агентом является перегретый водяной пар, наиболее часто используемый в промышленной практике при окислении углеродсодержащих материалов, например, активных углей. Взаимодействие углерода с водяным паром происходит существенно быстрее, чем с углекислым газом. Например, отношение скоростей реагирования СО2, Н2О и О2 с углеродом составляет соответственно 1:8:100. Использование кислорода воздуха может привести к локальным перегревам и процессу неорганизованного горения технического углерода. Кроме того, относительно умеренное окисление водяным паром позволяет регулировать мезопористость получаемого продукта, что важно при формировании свойств углеродного материала для различных приложений, в том числе для автономных источников питания.According to the proposed method, the main oxidizing agent is superheated steam, which is most often used in industrial practice in the oxidation of carbon-containing materials, for example, active carbons. The interaction of carbon with water vapor occurs much faster than with carbon dioxide. For example, the ratio of the reaction rates of CO 2 , H 2 O, and O 2 with carbon is 1: 8: 100, respectively. The use of oxygen in the air can lead to local overheating and the process of unorganized combustion of carbon black. In addition, relatively moderate oxidation with water vapor allows one to control the mesoporosity of the resulting product, which is important in the formation of the properties of a carbon material for various applications, including autonomous power supplies.
Различные исходные свойства гранулированного технического углерода и требования к конечному продукту определяют другие отличительные признаки предлагаемого способа получения ТУ: температуру 700 - 1100 °С и расход перегретого пара 2-24°кг на один кг исходного технического углерода. В зависимости от конструкции устройства с внешним электро- или газовым обогревом вращающегося слоя, совокупность отличительных признаков и свойства полупродукта определяют время термогазохимической постобработки и соответственно производительность устройства.Various initial properties of granular carbon black and requirements for the final product determine other distinctive features of the proposed method for producing carbon black: temperature 700 - 1100 ° C and consumption of superheated steam 2-24 ° kg per kg of initial carbon black. Depending on the design of the device with external electric or gas heating of the rotating bed, the set of distinctive features and properties of the intermediate product determine the time of thermogasochemical post-processing and, accordingly, the productivity of the device.
При термогазохимической обработке гранулированного технического углерода, полученного на первом этапе, с любым фракционным составом и прежде всего с предельными удельной адсорбционной поверхностью (не более 950 м2/г) и абсорбцией ДБФ (не более 240 мл/100 г) согласно прототипу, наиболее оптимальной является кинетическая область реализации процесса при температуре не ниже 700 °С, в которой обеспечивается равномерность обработки продукта и возможность регулировки свойств в узком диапазоне их изменения. Например, при регулировке тонких мезопор для эффективного совмещения с электролитами различных накопителей энергии. При более низких температурах скорость процесса существенно снижается. Применение температур от 700 °С до 1100 °С при термогазохимической обработке полупродукта с удельной адсорбционной поверхностью не менее 150 м2/г и абсорбцией ДБФ не менее 155 мл/100 г с размером гранул не более 1 мм будет характерно для получения целевого электропроводного технического углерода с предельными значениями Sуд и АДБФ около 2000 м2/г и 450 мл/100 г соответственно. Использование гранул с размером больше 1 мм вследствие диффузионных ограничений приведет к снижению качества продукта. При температуре 1100° резко понижается однородность, что является неприемлемым для использования конечного продукта в автономных источниках питания. Кроме того, ограничения по верхнему температурному пределу процесса (выше 1100 °С) определяется эксплуатационными характеристиками стального корпуса реакционного устройства.During thermogasochemical processing of granular carbon black obtained at the first stage, with any fractional composition and, first of all, with the maximum specific adsorption surface (no more than 950 m 2 / g) and absorption of DBP (no more than 240 ml / 100 g) according to the prototype, the most optimal is the kinetic area of the implementation of the process at a temperature not lower than 700 ° C, in which the uniformity of product processing and the possibility of adjusting the properties in a narrow range of their change is ensured. For example, when adjusting thin mesopores for effective alignment with electrolytes of various energy storage devices. At lower temperatures, the process speed is significantly reduced. The use of temperatures from 700 ° C to 1100 ° C during thermogas-chemical processing of an intermediate product with a specific adsorption surface of at least 150 m 2 / g and absorption of DBP at least 155 ml / 100 g with a granule size of no more than 1 mm will be typical for obtaining the target conductive carbon black Ssp with the limits a and a DBP of about 2000 m 2 / g and 450 ml / 100 g, respectively. The use of granules larger than 1 mm due to diffusion restrictions will lead to a decrease in product quality. At a temperature of 1100 °, uniformity decreases sharply, which is unacceptable for using the final product in autonomous power supplies. In addition, the limitation on the upper temperature limit of the process (above 1100 ° C) is determined by the operational characteristics of the steel vessel of the reaction device.
Нижний предел другого отличительного признака расхода перегретого пара 2 кг на 1 кг технического углерода определяется скоростью термогазохимической обработки гранулированного технического углерод в кинетической области и лимитируется скоростью взаимодействия углерода с водяным паром в соответствии со стехиометрией предположительно протекающих одновременно двух эндотермических реакций:The lower limit of another distinguishing feature of the consumption of superheated steam 2 kg per 1 kg of carbon black is determined by the rate of thermogasochemical processing of granular carbon black in the kinetic region and is limited by the rate of interaction of carbon with water vapor in accordance with the stoichiometry of two endothermic reactions presumably proceeding simultaneously:
Н2О+С=СО+Н2 - Q1 H 2 O + C = CO + H 2 - Q 1
2Н2О+С=СО2+2Н2 - Q2 2H 2 O + C = CO 2 + 2H 2 - Q 2
Изменение величины расхода перегретого водяного пара до 24 кг на 1 кг технического углерода определяется характеристиками полупродукта, скоростью его подачи и ожидаемой степени относительной потери массы единицы объема исходным гранулированным ТУ в диапазоне до 75%. Повышение температуры процесса также способстует увеличению расхода водяного пара для снижения внешнедиффузионных ограничений протекания реакций взаимодействия с углеродной поверхностью гранулы. Однако превышение верхнего предела расхода водяного пара с приближением к предельным значениям потери единицы объема приводит к уносу готового продукта. При расходных показателях меньше 2 кг на 1 кг исходного технического углерода процесс и материал не представляют интереса.The change in the flow rate of superheated water vapor up to 24 kg per 1 kg of carbon black is determined by the characteristics of the intermediate product, the rate of its supply and the expected degree of relative weight loss per unit volume of the original granulated carbon black in the range up to 75%. An increase in the temperature of the process also promotes an increase in the consumption of water vapor to reduce the external diffusion limitations of the reactions of interaction with the carbon surface of the granule. However, exceeding the upper limit of the water vapor consumption with approaching the limit values of the loss of a unit of volume leads to the entrainment of the finished product. At consumption rates less than 2 kg per 1 kg of initial carbon black, the process and material are not of interest.
Принципиальная технологическая схема получения технического углерода по предлагаемому способу приведена на Фиг.1. Технический углерод получают по способу и в реакторе (1) по прототипу, отделяют от газового потока (2), гранулируют (3); сушат (4); классифицируют на более узкие фракции (5) и обрабатывают кислородсодержащими газами во вращающемся реакторе с внешним обогревом (8) с узлами загрузки (7) и выгрузки (9). Промежуточный и готовый продукты складируют (6) и (10).A schematic flow diagram of obtaining carbon black by the proposed method is shown in Fig. 1. Carbon black is produced by the method and in the reactor (1) according to the prototype, separated from the gas stream (2), granulated (3); dried (4); classified into narrower fractions (5) and treated with oxygen-containing gases in a rotating reactor with external heating (8) with loading (7) and unloading (9) nodes. Intermediate and finished products are stored (6) and (10).
Ниже приведены примеры реализации предлагаемого способа. В качестве сырья и топлива используются антраценовое масло и пропан-бутановая фракция, в качестве кислородсодержащего газа воздух и/или водяной пар.Below are examples of the implementation of the proposed method. Anthracene oil and propane-butane fraction are used as raw materials and fuel, air and / or water vapor as oxygen-containing gas.
Пример по прототипу.Prototype example.
В горизонтальный многокамерный реактор, включающий воздушную камеру, аксиально установленную сырьевую форсунку, снабженную двумя коаксиально расположенными трубами для подачи основного и вспомогательного потоков кислородсодержащего газа, распределитель топлива, камеру смешения, сужающую втулку, камеру стабилизации, камеру реакции, камеру активации и камеру закалки подавали реагенты со следующими расходными показателями: воздух с температурой 400°C в количестве 3000 м3/ч и топливо - пропан-бутановую смесь с расходом 40 м3/ч. Через форсунку подавали сырье, предварительно подогретое до 150°C, в количестве 1000 кг/ч. Коаксиально потоку сырья подавали два потока воздуха: основной с расходом 120 м3/ч и вспомогательный с расходом 320 м3/ч. Температура в камере реакции достигала значения 1520°C. Для активации аэрозоля технического углерода в камеру реакции радиальными потоками подавали воздух с расходом 360 м3/ч. В камере закалки аэрозоль технического углерода охлаждали распыленной водой до 700°C.In a horizontal multi-chamber reactor, including an air chamber, an axially mounted feed nozzle equipped with two coaxially located pipes for supplying the main and auxiliary streams of oxygen-containing gas, a fuel distributor, a mixing chamber, a restricting sleeve, a stabilization chamber, a reaction chamber, an activation chamber and a quenching chamber were supplied with reagents with the following consumption indicators: air with a temperature of 400 ° C in the amount of 3000 m 3 / h and fuel - a propane-butane mixture with a flow rate of 40 m 3 / h. The raw material, preheated to 150 ° C, was fed through the nozzle in the amount of 1000 kg / h. Two air streams were fed coaxially to the feed stream: the main one with a flow rate of 120 m 3 / h and an auxiliary one with a flow rate of 320 m 3 / h. The temperature in the reaction chamber reached 1520 ° C. To activate the carbon black in the reaction chamber aerosol radial air flow supplied at a rate of 360 m 3 / h. In the quenching chamber, the carbon black aerosol was cooled with sprayed water to 700 ° C.
Электрическое сопротивление Rр навески порошка ТУ (1 г) измеряли под давлением 200 атм на установке, состоящей из диэлектрического цилиндра с внутренним диаметром 0,017 м и высотой 0,095 м, двух стальных цилиндрических электродов, универсального измерительного моста и гидравлического пресса. Удельную емкость двойного электрического слоя сажи измеряли с использованием двухэлектродной ячейки типа Swagelok. При формировании электрода порошок ТУ (40 мг) смешивали с электролитом (2М раствор H2SO4) и под давлением 40 атм сжимали в пресс форме (внутренний диаметр 10 мм) с помощью гидравлического пресса. Между электродами размещали смоченный электролитом сепаратор. С помощью потенциостата-гальваностата в потенциостатическом режиме снимали циклические вольтамперограммы в диапазоне напряжений 0-0,8 В при скорости развертки 5 мВ/с и рассчитывали удельную емкость С (Ф/г).The electrical resistance R p of a sample of the TU powder (1 g) was measured under a pressure of 200 atm on a device consisting of a dielectric cylinder with an inner diameter of 0.017 m and a height of 0.095 m, two steel cylindrical electrodes, a universal measuring bridge and a hydraulic press. The specific capacitance of the electrical double layer of soot was measured using a Swagelok type two electrode cell. When forming the electrode, CB powder (40 mg) was mixed with an electrolyte (2M H 2 SO 4 solution) and compressed under a pressure of 40 atm in a mold (
Примеры 1-6 по предлагаемому изобретению.Examples 1-6 according to the proposed invention.
Опыты примеров 1-6 проводили в условиях предлагаемого изобретения, которые отличались тем, что в примерах при различных соотношениях расходов воздуха вспомогательного и основного коаксиальных потоков, расходов воздуха радиальных потоков, подаваемых в зону активации камеры реакции, термогазохимическую обработку проводили до различных значений относительной потери массы единицы объема технического углерода. Термогазохимическую обработку ТУ в виде гранул с узким гранулометрическим составом 0,5 - 0,63 или 0,63 - 1,0 мм проводили на лабораторном технологическом стенде во вращающемся кварцевом реакторе, нагреваемом снаружи трехзонной трубчатой электропечью. В качестве кислородсодержащего газа использовали перегретый водяной пар с расходом 2-24 кг на 1 кг технического углерода, а термогазохимическую обработку проводили в диапазоне температур 700 - 1100°С до относительной потери массы единицы объема исходного гранулированного ТУ от 5 до 75%.The experiments of examples 1-6 were carried out under the conditions of the present invention, which differed in that in the examples, with different ratios of the air flow rates of the auxiliary and main coaxial flows, the air flow rates of the radial flows supplied to the activation zone of the reaction chamber, the thermo-gas chemical treatment was carried out to different values of the relative weight loss units of volume of carbon black. Thermal and gas-chemical treatment of TU in the form of granules with a narrow particle size distribution of 0.5 - 0.63 or 0.63 - 1.0 mm was carried out on a laboratory technological bench in a rotating quartz reactor heated from the outside by a three-zone tubular electric furnace. Superheated steam was used as an oxygen-containing gas with a flow rate of 2-24 kg per 1 kg of carbon black, and the thermogas-chemical treatment was carried out in the temperature range of 700 - 1100 ° C until the relative weight loss per unit volume of the initial granulated carbon black was from 5 to 75%.
Результаты, полученные в примерах 1-6, приведены в таблице 1.The results obtained in examples 1-6 are shown in table 1.
Как следует из приведенных примеров и таблицы, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить удельную адсорбционную поверхность и структурность технического углерода при более высоких значениях электрической проводимости и емкости двойного электрического слоя.As follows from the above examples and the table, the use of the invention makes it possible to increase the specific adsorption surface and structure of carbon black at higher values of electrical conductivity and capacity of the electric double layer.
Таблица 1. Примеры опытов по предлагаемому изобретениюTable 1. Examples of experiments on the proposed invention
показателейName
indicators
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020119257A RU2738368C1 (en) | 2020-06-10 | 2020-06-10 | Method of producing electroconductive technical carbon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020119257A RU2738368C1 (en) | 2020-06-10 | 2020-06-10 | Method of producing electroconductive technical carbon |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2738368C1 true RU2738368C1 (en) | 2020-12-11 |
Family
ID=73834818
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020119257A RU2738368C1 (en) | 2020-06-10 | 2020-06-10 | Method of producing electroconductive technical carbon |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2738368C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1024485A1 (en) * | 1981-09-09 | 1983-06-23 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Технического Углерода | Reactor for preparing carbon black |
RU2116325C1 (en) * | 1996-05-21 | 1998-07-27 | Конструкторско-технологический институт технического углерода СО РАН | Carbon black production process |
RU2179564C1 (en) * | 2001-04-10 | 2002-02-20 | Орлов Вадим Юрьевич | Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon |
CN101955694A (en) * | 2010-08-23 | 2011-01-26 | 山东知本原特种炭黑有限公司 | Oxygen-controlling gas-mixing method for producing acid carbon black |
RU2580917C1 (en) * | 2014-10-17 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук (ИППУ СО РАН) | Method of producing soot and reactor therefor |
CN101815756B (en) * | 2007-10-04 | 2016-04-20 | 赢创炭黑有限公司 | Carbon black, its production method and purposes |
-
2020
- 2020-06-10 RU RU2020119257A patent/RU2738368C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1024485A1 (en) * | 1981-09-09 | 1983-06-23 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Технического Углерода | Reactor for preparing carbon black |
RU2116325C1 (en) * | 1996-05-21 | 1998-07-27 | Конструкторско-технологический институт технического углерода СО РАН | Carbon black production process |
RU2179564C1 (en) * | 2001-04-10 | 2002-02-20 | Орлов Вадим Юрьевич | Commercial carbon, method of its production and reactor for production of commercial carbon |
CN101815756B (en) * | 2007-10-04 | 2016-04-20 | 赢创炭黑有限公司 | Carbon black, its production method and purposes |
CN101955694A (en) * | 2010-08-23 | 2011-01-26 | 山东知本原特种炭黑有限公司 | Oxygen-controlling gas-mixing method for producing acid carbon black |
RU2580917C1 (en) * | 2014-10-17 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук (ИППУ СО РАН) | Method of producing soot and reactor therefor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US12119133B2 (en) | Circular few layer graphene | |
Fulcheri et al. | Plasma processing: a step towards the production of new grades of carbon black | |
KR102385213B1 (en) | Carbon Black Made from Natural Gas | |
EP0635045B1 (en) | Production of carbon black | |
KR101146896B1 (en) | Carbon Black and Multi-Stage Process for Making Same | |
US4340577A (en) | Process for producing carbon black | |
US20180358630A1 (en) | Bipolar plate for fuel cell having controlled structure of carbon materials and method of manufacturing the same | |
US3253890A (en) | Manufacture of carbon black | |
US20210220801A1 (en) | Biogenic porous carbon silicon dioxide compositions and methods of making and using same | |
JP2007505975A (en) | Thermally modified carbon black used for various applications and method for producing the same | |
US4279880A (en) | Acetylene black with high electrical conductivity and high absorptive power | |
RU2738368C1 (en) | Method of producing electroconductive technical carbon | |
JP3003086B2 (en) | Method for producing carbon black | |
CN106379885A (en) | Efficient preparation method of carbon nanotubes or graphene | |
CN1234779C (en) | Process and apparatus for producing carbon blacks | |
EP1783178A1 (en) | Carbon black and multi-stage process for making same | |
CN111269590A (en) | Preparation method of easily-dispersible acetylene black | |
CN110709478B (en) | Carbon black and rubber compounds incorporating the same | |
KR830000810B1 (en) | Method for producing carbon black having a large surface area | |
US4367208A (en) | Process for the manufacture of battery carbon black | |
RU2161549C1 (en) | Method of producing nickel carbonyl powders with chain structure and bulk density of less than 1 | |
CN109686982A (en) | A method of preparing load type carbon nitride | |
JP7488427B1 (en) | Conductive carbon black, method for producing conductive carbon black, and conductive material | |
CN105289646A (en) | Method for producing electrical accelerant catalyst of special type carbon material | |
WO2024116643A1 (en) | Conductive carbon black, manufacturing method for conductive carbon black, and conductive material |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20210309 |