專利名稱：炭黑和制備炭黑的多級(jí)生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及炭黑和生產(chǎn)炭黑的方法。特別是，本發(fā)明涉及炭黑的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和涉及幾種多級(jí)炭黑的形成方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及炭黑的生產(chǎn)，該炭黑例如具有許多重要應(yīng)用的爐法炭黑，所述應(yīng)用例如橡膠和塑料中的填料、顏料和增強(qiáng)劑。通常，制備這些碳黑的熔爐方法包括，在密閉轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)，使含烴原料，諸如天然氣或催化裂化裝置的循環(huán)油料(cycle stock)發(fā)生裂化和/或不完全燃燒以制成炭黑。然后驟冷從轉(zhuǎn)換區(qū)排出的氣體中夾帶的炭黑，并用現(xiàn)有技術(shù)常用的合適方法收集。然而，這樣生產(chǎn)的具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高表面積的炭黑的成本非常高。
MacKay等的美國(guó)專利US5190739部分公開(kāi)了生產(chǎn)具有在給定表面積下比普通結(jié)構(gòu)更低和在給定整體燃燒水平上比普通結(jié)構(gòu)更低的表面積的炭黑的方法。該方法可以包括使用多級(jí)炭黑爐，其中第二烴原料加入到熱的第一級(jí)氣流中?！?39專利中的某些實(shí)施方案還涉及了使用鉀來(lái)降低炭黑的結(jié)構(gòu)。然而，‘739專利中使用的輔助的烴的量顯著少于第一級(jí)中的量。而且，‘739專利在引入輔助烴的時(shí)候能夠任選地使用額外燃料和/或氧氣來(lái)完成進(jìn)一步的燃燒。另外，在‘739專利中在引入第一級(jí)原料區(qū)和引入輔助原料區(qū)之間沒(méi)有明顯溫度區(qū)差異。
在Cheng的美國(guó)專利US4383973中，該專利涉及一種方法，該方法順序使用兩種炭黑反應(yīng)器，反應(yīng)器之一用于高結(jié)構(gòu)炭黑，第二個(gè)是用于低結(jié)構(gòu)的炭黑。在‘973專利的一幅附圖中，反應(yīng)器明顯地按順序連接在一起。然而，在該方法中，額外的氣體和燃料引入到第二原料中，并且在兩個(gè)原料引入?yún)^(qū)內(nèi)沒(méi)有明顯的溫度差異。而且，在完全驟冷之前沒(méi)有部分驟冷發(fā)生?！?73專利進(jìn)一步表明在第一和第二炭黑形成區(qū)之間沒(méi)有發(fā)生驟冷，并且10ppm或更多的鉀可以被引入到高結(jié)構(gòu)區(qū)中。而且，在每個(gè)原料引入?yún)^(qū)中都有高度燃燒的情況下，在形成高結(jié)構(gòu)的第一炭黑區(qū)和形成低結(jié)構(gòu)的炭黑區(qū)之間將沒(méi)有任何明顯的溫度區(qū)差異。
在美國(guó)專利US4976945中，公開(kāi)了生產(chǎn)炭黑的方法，其在炭黑反應(yīng)器中使用不同量的堿金屬，諸如鉀，來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。‘945專利中描述，相對(duì)于烴起始原料可以加入500-50000ppm的量的堿金屬化合物和/或堿土金屬化合物?！?45專利沒(méi)有涉及多級(jí)炭黑形成方法，并且表明在完全驟冷之前沒(méi)有部分驟冷發(fā)生?！?45專利中進(jìn)一步描述堿金屬化合物對(duì)于炭黑的生產(chǎn)特別有效，其中DBP吸收最多為90cc/100g。
Gravely等的美國(guó)專利US4822588涉及具有按順序相連接的第一反應(yīng)區(qū)和第二反應(yīng)區(qū)的炭黑反應(yīng)器。在該方法中，第二級(jí)反應(yīng)中，引入額外的含碳原料來(lái)形成第二反應(yīng)混合物。在該方法中，目的是在第一反應(yīng)區(qū)基本不形成炭黑。而且，該方法也沒(méi)有使用堿金屬或堿土金屬。
因此，需要提供一種新的和改進(jìn)的方法來(lái)生產(chǎn)炭黑，其顯示具有提高表面積的改進(jìn)的或提高的結(jié)構(gòu)。
本文全文所提及的所有專利和出版物以它們的全部?jī)?nèi)容引入本文供參考。


圖1是可用于本發(fā)明的炭黑反應(yīng)器的截面圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的特征是提供一種生產(chǎn)具有高表面積和高結(jié)構(gòu)的炭黑的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供一種成本合算的生產(chǎn)炭黑的方法。
本發(fā)明的另外的部分特征和優(yōu)勢(shì)將在后面的描述中提出，其中部分從描述中是顯而易見(jiàn)的，或部分可以從本發(fā)明的實(shí)踐中體會(huì)。本發(fā)明的目的和其它優(yōu)勢(shì)，通過(guò)說(shuō)明書和所附的權(quán)利要求中特別提出的要素和組合來(lái)實(shí)現(xiàn)和得到。
為了得到這些和其它優(yōu)勢(shì)，并且根據(jù)本發(fā)明的目的，這里做出具體的和詳盡地描述，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法。該方法包括在炭黑反應(yīng)器的第一級(jí)中引入炭黑生產(chǎn)原料，并用熱氣流混合該原料以形成前體，該前體基本上是第一炭黑并任選是副產(chǎn)品。然后，接下來(lái)將第二炭黑生產(chǎn)原料引入到該前體中以至少部分驟冷含有該第一炭黑的反應(yīng)流，然后該方法包括完全驟冷以形成炭黑產(chǎn)品。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，該方法包括在炭黑反應(yīng)器的第一級(jí)中引入炭黑生產(chǎn)原料，將該原料與熱氣流混合形成前體。該前體含有第一炭黑，然后，在該方法中，將第二炭黑生產(chǎn)原料引入到該前體中，其中第二炭黑生產(chǎn)原料占在整個(gè)方法中使用的炭黑生產(chǎn)原料的總重量的至少15重量％。
另外，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，其包括在炭黑反應(yīng)器的第一級(jí)中引入第一炭黑生產(chǎn)原料，將該原料與熱氣流混合形成含有第一炭黑的前體。然后，在該方法中，將第二炭黑生產(chǎn)原料引入到該前體中，其中在該前體形成之后沒(méi)有引入氧化源和燃料源。
而且，本發(fā)明涉及生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，其包括在第一溫度區(qū)形成含有第一炭黑的前體，然后在驟冷區(qū)之前，在第二溫度區(qū)從該前體形成炭黑產(chǎn)品。第一溫度區(qū)和第二溫度區(qū)具有200℃或更高的溫度差。
在各個(gè)上述方法中，可以包括在方法的一個(gè)或多個(gè)位置，引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
本發(fā)明也涉及具有DBP值為約30-約150cc/100g的炭黑，其中IA族或IIA族元素的總含量為約50-約5000ppm。炭黑可以具有其它物理或化學(xué)屬性，包括但不限于，可浸取的IA族或IIA族的成分，孔隙量，和需要的t-面積諸如約10-約180m2/g的t-面積。其它性質(zhì)在此進(jìn)一步描述。
可以理解，上述概括說(shuō)明和下面具體說(shuō)明都僅是示例性質(zhì)的和解釋性質(zhì)的，這些說(shuō)明是為了提供如權(quán)利要求所要求的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及炭黑產(chǎn)品和各種生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法。在優(yōu)選實(shí)施方案中，生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法包括使用多級(jí)炭黑反應(yīng)器。更優(yōu)選，多級(jí)反應(yīng)器具有至少兩級(jí)(二、三、四或更多級(jí))，其中通常引入至少兩種原料(如二、三、四或更多種原料)。炭黑產(chǎn)品優(yōu)選爐法炭黑。
更詳細(xì)地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，其包括在炭黑反應(yīng)器的第一級(jí)引入炭黑生產(chǎn)原料。該炭黑生產(chǎn)原料與熱氣流混合形成前體。該前體是或至少含有第一炭黑。然后，接下來(lái)將第二炭黑生產(chǎn)原料引入炭黑反應(yīng)器第一級(jí)的下游，優(yōu)選在第一級(jí)形成的前體存在的時(shí)候引入該第二炭黑生產(chǎn)原料。該方法中，第二炭黑生產(chǎn)原料至少部分驟冷正進(jìn)行的反應(yīng)。然后，可以在下游進(jìn)行完全驟冷，其中完全停止或驟冷碳黑形成反應(yīng)并且形成了炭黑產(chǎn)品。
為了本文描述上述方法和其它方法的目的，可以使用多級(jí)炭黑反應(yīng)器，諸如在美國(guó)專利US4383973、美國(guó)專利US5 190739、美國(guó)專利US5877251、美國(guó)專利US6153684或美國(guó)專利US6403695中所述的反應(yīng)器，所有這些反應(yīng)器在此以它們的全部?jī)?nèi)容引入供參考。因此本發(fā)明可以使用多級(jí)熔爐生產(chǎn)方法。
炭黑生產(chǎn)原料可以是任何形成炭黑的常規(guī)的炭黑生產(chǎn)原料。例如，可以使用任何烴原料。合適的原料可以是在反應(yīng)條件下易于揮發(fā)的任何炭黑生產(chǎn)的烴原料。例如，可以使用不飽和烴如乙炔；烯烴如乙烯、丙烯、丁烯；芳烴如苯、甲苯和二甲苯；某些飽和烴；和其它烴如煤油、萘、萜烯、乙烯焦油、芳香循環(huán)油料(aromatic cycle stock)等等。
至于與炭黑生產(chǎn)原料混合的熱氣流，熱氣流也可看作是通過(guò)將固態(tài)、液態(tài)和/或氣態(tài)燃料與合適的氧化劑流接觸所產(chǎn)生的熱燃燒氣體，該氧化劑流例如但是不限于，空氣、氧氣、空氣和氧氣的混合物等等?；蛘?，也可以在不添加液態(tài)或氣態(tài)燃料的情況下使預(yù)熱氧化劑流通過(guò)。適于用來(lái)與氧化劑流接觸來(lái)產(chǎn)生熱氣體的燃料的例子包括任何易燃?xì)怏w、蒸氣或液體流，如天然氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇或煤油。通常，優(yōu)選使用具有高含量的含碳組分的燃料，特別是烴。用來(lái)生產(chǎn)本發(fā)明的炭黑的空氣和燃料的比例可以是約1∶1(化學(xué)計(jì)量比)至無(wú)限。如上所述，為了便于熱氣流的生成，可以預(yù)熱將氧化劑流。
通過(guò)使用多級(jí)反應(yīng)器形成炭黑和通過(guò)得到適當(dāng)?shù)臒釟怏w來(lái)形成炭黑的一般方法描述在以上引證的參考專利中，它們?cè)诒疚闹幸牍﹨⒖疾⑶铱梢砸员疚乃龅淖兓绞綉?yīng)用在本發(fā)明中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu)選在第一炭黑生產(chǎn)原料引入之后，通過(guò)保持高溫使表面積最大化，如通過(guò)無(wú)水冷卻、快速將熱氣體和炭黑生產(chǎn)原料混合、和/或短混合長(zhǎng)度等來(lái)使表面積最大化。
本發(fā)明可以使用任何合適的炭黑生產(chǎn)反應(yīng)器來(lái)實(shí)施。例如，圖1表示了這種反應(yīng)器一個(gè)例子的橫截面。這種類型的反應(yīng)器通常使用混合諸如空氣的氧化劑的燃燒氣體。氣體混合物通常引入到燃燒室中，通過(guò)任何合適的方法引燃。圖1中氣體流由左到右(方向A)。一旦引燃，使熱氣體混合物移動(dòng)通過(guò)反應(yīng)器中，并與適于生產(chǎn)炭黑的烴原料接觸。僅作為例子，圖1中，可以在位置1引入燃料，并且可以在位置2引入氧化劑。其它位置也是可以的。第一個(gè)位置3(一個(gè)或多個(gè))是引入第一炭黑生產(chǎn)原料的位置的例子。第二個(gè)和第三個(gè)位置3是引入第二炭黑生產(chǎn)原料的位置的例子。位置4是部分驟冷劑如水的合適位置的例子。位置5是完全驟冷的合適位置的例子。雙平行線表示反應(yīng)器可以為任意長(zhǎng)度。不同的D數(shù)字表示反應(yīng)器的不同長(zhǎng)度。D1至D8可以是任何合適的直徑，并且可以相同或不同。例如，D2可以小于D1和D8，并且D1和D8可以相同或不同。區(qū)域L1或區(qū)域L2是第一溫度區(qū)的例子，區(qū)域I3是第二溫度區(qū)的例子。如果在例如位置4使用部分驟冷劑，則第一溫度區(qū)通常為L(zhǎng)1。
通常，炭黑生產(chǎn)原料可以通過(guò)圖1中所示的滲透到熱燃燒氣體流的內(nèi)部區(qū)域的多個(gè)流路3(在L2中)來(lái)注入到反應(yīng)器中，以保證熱燃燒氣體和炭黑生產(chǎn)原料高速率地混合和剪切(shearing)。這樣保證了原料快速地和完全地分解，并轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝惶亢诓牧稀?br> 本文所述方法形成的前體包含第一炭黑并可以包含其它成分諸如未使用的燃料或氧化劑或燃燒產(chǎn)物，并且還可以包含其它成分，例如但不限于無(wú)機(jī)物質(zhì)、金屬、鹽和金屬氧化物?？偟膩?lái)說(shuō)，前體是炭黑產(chǎn)品。例如，前體重量的80-99％或更優(yōu)選95-99％或更高(例如100％)是炭黑。
對(duì)于隨后將第二炭黑生產(chǎn)原料引入到包含第一炭黑的前體中，加入到第一級(jí)的下游的該第二炭黑生產(chǎn)原料的量至少可以部分驟冷來(lái)自第一級(jí)的仍然發(fā)生的反應(yīng)。為了本發(fā)明的目的，反應(yīng)的部分驟冷意思指第二炭黑生產(chǎn)原料的引入沒(méi)有完全驟冷反應(yīng)，但是驟冷一部分反應(yīng)。優(yōu)選地，第二炭黑生產(chǎn)原料的引入不完全驟冷反應(yīng)。第二炭黑生產(chǎn)原料可以是第一級(jí)中引入的炭黑生產(chǎn)原料的相同類型的原料或不同原料。
上述引證的專利提供了可以用于形成前體的各種炭黑形成條件和初始量。
在各級(jí)中所引入的炭黑生產(chǎn)原料可以通過(guò)任何常規(guī)方式諸如單流路或多流路來(lái)引入，并且可以以任何速率進(jìn)行原料引入。運(yùn)用多流路時(shí)，每個(gè)流路的速率可以相同或不同。
優(yōu)選地，將炭黑生產(chǎn)原料隨后引入到前體中通過(guò)多流路來(lái)完成。任何可以用于引入第二炭黑生產(chǎn)原料的方式都可以使用。
在驟冷熱燃燒氣體和炭黑生產(chǎn)原料的混合物之后，冷卻氣體經(jīng)下游進(jìn)入任何常規(guī)的冷卻和分離器，其中炭黑被回收。炭黑從氣流中的分離通過(guò)常規(guī)方式諸如沉降器、旋分器或袋式濾器易于完成。對(duì)于完全驟冷反應(yīng)以形成最終炭黑產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，任何驟冷第二炭黑生產(chǎn)原料的引入下游的反應(yīng)的常規(guī)方法都可被使用并被本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。例如，可以注入可以是水或其它合適的流體的驟冷流體來(lái)終止化學(xué)反應(yīng)。
在本發(fā)的實(shí)施方案中，方法進(jìn)一步包括引入至少一種物質(zhì)，其是或其含有至少一種元素周期表中IA族或IIA族元素(或其離子)。優(yōu)選地，該物質(zhì)含有至少一種堿金屬或堿土金屬。其例子包括鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁、鈣、鋇、鍶或鐳、或它們的組合。一種或多種這些成分的任何混合物可以存在于該物質(zhì)中。該物質(zhì)可以是固體、溶液、分散體、氣體或它們的任意組合?？梢允褂贸^(guò)一種具有相同或不同IA族或II A族金屬的物質(zhì)。如果使用多種物質(zhì)，則可以一起添加、分開(kāi)添加、按順序添加或在不同反應(yīng)位置添加該物質(zhì)。為了本發(fā)明的目的，該物質(zhì)可以是金屬(或金屬離子)本身、含有一種或多種這些元素的化合物等，所述化合物包括含有一種或多種這些元素的鹽。優(yōu)選地，該物質(zhì)能夠?qū)⒔饘倩蚪饘匐x子引入到正在進(jìn)行的反應(yīng)中以形成炭黑產(chǎn)品。為了本發(fā)明的目的，優(yōu)選地，在如上所述的完全驟冷之前引入該物質(zhì)。例如，可以在完全冷卻之前的任何位置添加該物質(zhì)，包括在第一級(jí)中第一炭黑生產(chǎn)原料引入之前、在第一級(jí)中第一炭黑生產(chǎn)原料引入的期間、在第一級(jí)中第一炭黑生產(chǎn)原料引入之后；在第二炭黑生產(chǎn)原料引入前體之前、期間或之后立即添加、或任何第二炭黑生產(chǎn)原料引入之后且在完全驟冷之前的步驟?？梢允褂贸^(guò)一個(gè)的該物質(zhì)的引入位置。優(yōu)選地，引入該物質(zhì)是在引入第二炭黑生產(chǎn)原料之前和/或在第一級(jí)引入碳黑生產(chǎn)原料過(guò)程期間或在之后立即。包含IA族或IIA族金屬的該物質(zhì)的用量可以是任何量，只要能夠形成炭黑產(chǎn)品就行。例如，該物質(zhì)可以以使最終形成的炭黑產(chǎn)物中存在200ppm或更多的IA族或IIA族元素的量添加。形成的炭黑產(chǎn)品中所存在的IA族或IIA族元素的其它量包括約200ppm-約5000ppm或更多，其它范圍可以是從約300ppm-約1000ppm，或從約500ppm-約1000ppm。這些水平與金屬離子濃度有關(guān)。如上所述，存在于形成的炭黑產(chǎn)品中的IA族或IIA族元素的這些量可以與一種元素或多于一種的IA族或IIA族元素有關(guān)，因而是存在于形成的炭黑產(chǎn)品中的IA族或IIA族元素的組合量。該物質(zhì)能夠以包括任何常規(guī)方法的任何方式來(lái)添加。換句話說(shuō)，該物質(zhì)可以通過(guò)與引入炭黑生產(chǎn)原料的相同方式來(lái)添加。該物質(zhì)可以以氣體、液體或固體、或任何它們的組合形式來(lái)添加。該物質(zhì)可以在一個(gè)位置或多個(gè)位置添加并且能夠作為單流路或多流路添加。該物質(zhì)可以與原料、燃料、和/或氧化劑在它們被引入之前或期間混合。
通過(guò)將該物質(zhì)結(jié)合到原料里的方法來(lái)將包含至少一種IA族或IIA族元素例如鉀的物質(zhì)來(lái)引入到原料中。燃燒后，金屬離子可以均勻地結(jié)合入炭黑。金屬離子的電荷在單獨(dú)炭黑顆粒之間提供了排斥力。該排斥力可以保持顆粒不集聚，因此降低了炭黑的總結(jié)構(gòu)。
可以任何次數(shù)重復(fù)將額外的原料加入到原有的炭黑顆粒中，直到原料生成炭黑的反應(yīng)停止。每次加入額外的原料時(shí)，整個(gè)反應(yīng)混合物的溫度通常下降，并且炭黑顆粒的尺寸變大。在這種方式中原料可以作為冷卻炭黑的驟冷劑。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明還涉及生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，其中炭黑生產(chǎn)原料在第一級(jí)引入并與熱氣體流混合以形成前體。而且，隨后在下游引入第二炭黑生產(chǎn)原料到該前體中。因此，該方法，到目前為止，與上述實(shí)施方案相同，因此相同條件和例子可適用于該方法。此外，在該方法中，第二炭黑生產(chǎn)原料含有在整個(gè)過(guò)程中使用的炭黑生產(chǎn)原料總量的至少15重量％。第二炭黑生產(chǎn)原料可以含有在整個(gè)過(guò)程中使用的炭黑生產(chǎn)原料總量的從約15重量％到約重量80％。其它范圍包括在整個(gè)過(guò)程中使用的炭黑生產(chǎn)原料總量的約25重量％-約70重量％或約30重量％-約60重量％?？梢栽趦蓚€(gè)或更多個(gè)段或級(jí)中引入第二炭黑生產(chǎn)原料，其中該段可以是第一段的下游。這與前述多級(jí)方法十分不同，其中在前述多級(jí)方法中任何順序引入的炭黑生產(chǎn)原料是非常低的量，諸如約10重量％或更低。這種大量的第二炭黑生產(chǎn)原料得到后面所述的有益的炭黑產(chǎn)品。這種量的炭黑也可以用于正進(jìn)行的反應(yīng)的部分驟冷。
如同首先描述的方法中，是或含有IA族或IIA族元素或它們的離子的物質(zhì)可以通過(guò)上述相同方法加入。上述細(xì)節(jié)同樣在此適用。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，其中第一炭黑生產(chǎn)原料在第一級(jí)中引入并與熱氣流混合形成前體，如首先和其次描述的方法。然后將第二炭黑生產(chǎn)原料引入到該前體中，并且在本方法中，在前體形成之后沒(méi)有氧化源和燃料源引入。因此，在本方法中，任何氧化源和/或燃料源僅在第一炭黑生產(chǎn)原料引入之前或在第一炭黑生產(chǎn)原料的引入期間引入。這也與前述方法十分不同，通常，前述方法如果引入了第二炭黑生產(chǎn)原料，則加入足夠的燃料和氧化源來(lái)促進(jìn)第二炭黑生產(chǎn)原料的充分熱解。而且，如同前述方法，可以通過(guò)上述相同的方式引入含有IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)，并且這些細(xì)節(jié)同樣在此適用。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，其中在炭黑反應(yīng)器中的第一溫度區(qū)形成含有第一炭黑的前體，然后可以將炭黑生產(chǎn)原料引入到該前體中。然后該方法包括在位于驟冷區(qū)之前的第二溫度區(qū)形成炭黑產(chǎn)品。在該方法中，第一溫度區(qū)和第二溫度區(qū)具有200℃或更高的溫差，優(yōu)選溫差為300℃或更高。溫差合適的范圍可以為例如約200℃-約900℃或約400℃-約700℃。也可以使用其它溫度范圍的溫差。通常，關(guān)于溫差，第一溫度區(qū)具有較高的溫度并且第二溫度區(qū)具有較低的溫度，因此產(chǎn)生了溫差，雖然這僅是優(yōu)選的實(shí)施方案。溫差可以通過(guò)多種方式諸如避免燃燒氣體的任何進(jìn)一步引入或避免或最小化在第二溫度區(qū)中燃燒氣體的形成來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可以運(yùn)用其它方法獲得該溫差。并且，如前面的實(shí)施方案所用的一樣，含有IA族或IIA族金屬的物質(zhì)可以使用并以與上述相同的方式引入，如上所述的細(xì)節(jié)在這里同樣適用。優(yōu)選在第一溫度區(qū)或至少在驟冷區(qū)之前引入含有IA族或IIA族金屬的物質(zhì)。作為選擇，含有IA族或IIA族金屬的物質(zhì)可以在前體形成期間或之前，或期間和之前均可引入。另外，在本方法中，炭黑生產(chǎn)原料可以引入到該前體中。
關(guān)于上述方法，方法的一個(gè)或多個(gè)特征可以用在單獨(dú)方法中。例如，第二炭黑生產(chǎn)原料可以用于部分驟冷，并且第一和第二溫度區(qū)的溫差可以是200℃或更高。在這里所述方法的特征的任何組合也可以結(jié)合。
在第一溫度區(qū)和第二溫度區(qū)中實(shí)現(xiàn)200℃或更高溫差的實(shí)施方案中，以及本文描述的任何其它實(shí)施方案中，可以使用在溫度區(qū)之間或第一炭黑生產(chǎn)原料引入?yún)^(qū)與相比較的第二炭黑生產(chǎn)原料引入?yún)^(qū)之間降低溫度的任何方法。例如，反應(yīng)器(或其部分)周圍可以使用水冷套，第二炭黑生產(chǎn)原料從反應(yīng)器(或其部分)引入或從其后引入。在另外的實(shí)施方案中，或在組合的實(shí)施方案中，可以在該位置引入蒸汽。此外，或在另外的實(shí)施方案中，其它驟冷劑，諸如氮?dú)?、水或其它合適的驟冷劑也可以被用來(lái)在第二炭黑生產(chǎn)原料引入位置或之后獲得溫度的降低。優(yōu)選地，在本發(fā)明的任何實(shí)施方案中的第一溫度區(qū)中沒(méi)有水冷套或其它驟冷設(shè)備或方法，并且優(yōu)選在第二炭黑生產(chǎn)原料引入之前、期間、或剛好之后進(jìn)行任何這樣的驟冷。
此外，關(guān)于上述方法，優(yōu)選地，在引入第一炭黑生產(chǎn)原料的第一級(jí)中，目標(biāo)是最大化表面積。例如，在第一級(jí)中，優(yōu)選進(jìn)行操作以獲得高表面積，諸如基于BET為約100-約400m2/g。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，形成前體的第一炭黑生產(chǎn)原料最終被隨后的炭黑生產(chǎn)原料涂覆，所述碳黑生產(chǎn)原料蒸發(fā)且涂覆到該前體上。
可以形成有益的炭黑產(chǎn)品，例如，可以形成具有DBP范圍為約120-約150cc/100g的炭黑且IA族或IIA族金屬總含量為約50-約150ppm。其他DBP范圍包括約90-約120cc/100g且IA族或IIA族金屬總含量為約100-約500ppm；DBP范圍為約60-約90cc/100g且IA族或IIA族金屬含量為約200-約1000ppm；DBP范圍為約30-約60cc/100g且IA族或IIA族金屬總含量為約500-約5000ppm。本發(fā)明的炭黑可以具有可浸取量的IA族或IIA族金屬。例如，炭黑具有可浸取的IA族或IIA族金屬含量占存在的IA族或IIA族元素的約20重量％或更少，更優(yōu)選15重量％或更少，10重量％或更少，5重量％或更少，1重量％或更少，或0.5重量％或更少。范圍包括但不限于，約0重量％-約20重量％或約0.25重量％-約10重量％?？山×靠梢酝ㄟ^(guò)炭黑的索格斯特萃取(soxhlet extraction)并接下來(lái)進(jìn)行鉀的含水萃取分析來(lái)測(cè)定，類似于ASTM方法D4527、C871，或EPA方法SW8-1311和SW8-1312。另外，炭黑可以具有任何的孔隙量。炭黑所具有的BET表面積(m2/g)和t-面積(m2/g)的比為1.5或更低，如0.9-1.5。通常，優(yōu)選本發(fā)明的炭黑具有低水平的微孔。而且，炭黑也可具有的t-面積為約10m2/g-約180m2/g。其它范圍包括約30m2/g-約150m2/g和約50m2/g-約120m2/g。通常，本發(fā)明的炭黑不包含可測(cè)量量的硅。
本發(fā)明的炭黑可以用于使用常規(guī)炭黑的任何產(chǎn)品，如橡膠產(chǎn)品、輪胎、油墨、噴墨機(jī)、調(diào)色劑、氣體擴(kuò)散電極、涂層、塑料、聚合物等等。
本發(fā)明將通過(guò)下面的實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明，其僅為本發(fā)明的示例目的。
實(shí)施例在試驗(yàn)工廠中，實(shí)施了本發(fā)明的炭黑的一種實(shí)施方案。在該方法中，使用如圖1所示并具有與美國(guó)專利US6403695類似的設(shè)計(jì)的炭黑反應(yīng)器。實(shí)施例1-7列于表1中。在每種情況中，使用了140％的初級(jí)燃燒(primarycombustion)，其中該量達(dá)到富氧燃燒反應(yīng)的40％。用于燃燒反應(yīng)的主要燃料是天然氣且它在流路1中引入反應(yīng)器。給料到炭黑形成方法的天然氣的溫度大致是室溫約77。使用的液體原料是市售原料，該原料具有在美國(guó)專利US5190739中所列出的常規(guī)性質(zhì)。在該方法中，在第一級(jí)中在通過(guò)初級(jí)燃燒形成的熱氣流存在的情況下引入含有第一炭黑的原料。將按照表1所示的不同量的第一炭黑生產(chǎn)原料引入到該方法中。在第一級(jí)中引入的第一炭黑生產(chǎn)原料與熱氣流混合形成含有第一炭黑的前體，然后將第二炭黑生產(chǎn)原料在下游引入。該第二炭黑生產(chǎn)原料是沒(méi)有任何氧化源或燃料源存在的情況下引入的并且是在驟冷區(qū)之前引入的。


在實(shí)施例5中，在兩原料注入位置之間引入的水的量是100kg/hr。通過(guò)加壓霧化器的方式以精細(xì)噴灑(fine spray)引入該水。
在實(shí)施例6中，第二炭黑生產(chǎn)原料被分成兩個(gè)相同的量。按表1中所示，在圖1的L1處引入第一部分。在下游1m處引入第二部分。
在引入第一炭黑生產(chǎn)原料期間，引入不同量醋酸鉀鹽溶液形式的鉀以使前體具有鉀的成分。
然后用水在第二炭黑生產(chǎn)原料的下游完全驟冷在反應(yīng)中形成的炭黑，以形成本發(fā)明的炭黑產(chǎn)品。形成的炭黑具有表1中所示的t-面積，BET面積和DBP吸收值。
申請(qǐng)人特別在本公開(kāi)內(nèi)容中引入所有引用文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容。此外，當(dāng)用量、濃度、或其它值或參數(shù)是以范圍、優(yōu)選范圍、或優(yōu)選上限值和優(yōu)選下限值的列表給出時(shí)，這應(yīng)該理解為具體地公開(kāi)了從任何一對(duì)優(yōu)選上限值或優(yōu)選值和任何優(yōu)選下限值或優(yōu)選值所形成的所有范圍，不管是否這些范圍是否是單獨(dú)公開(kāi)的。當(dāng)數(shù)值范圍被本文所引用時(shí)，除非另有說(shuō)明，該范圍應(yīng)包括它的端點(diǎn)值和在該范圍內(nèi)的所有整數(shù)和分?jǐn)?shù)。不應(yīng)將發(fā)明的范圍限制到定義范圍時(shí)所用的具體數(shù)值上。
本發(fā)明的其他實(shí)施方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮本文所批露的本說(shuō)明書和本發(fā)明的實(shí)施后是顯而易見(jiàn)的。本說(shuō)明書和實(shí)施例應(yīng)被認(rèn)為是僅僅示例而已，本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神是由以下的權(quán)利要求和權(quán)利要求的等同物來(lái)表示。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，包括在第一級(jí)中炭黑生產(chǎn)原料引入到反應(yīng)器并與熱氣流混合以在反應(yīng)流中形成基本由第一炭黑組成的前體，然后，接下來(lái)在所述前體中引入第二炭黑生產(chǎn)原料以部分驟冷含有第一炭黑的反應(yīng)流，然后完全驟冷以形成炭黑產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在引入所述第二炭黑生產(chǎn)原料之前引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述完全驟冷之前引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在引入所述第二炭黑生產(chǎn)原料之前引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述完全驟冷之前引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述第二炭黑生產(chǎn)原料引入之前以足以使炭黑產(chǎn)品中具有200ppm或更高的IA族或IIA族元素的量來(lái)引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的量為500ppm或更高。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述IA族元素包括鉀。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述IA族元素是鉀。
10.一種生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，包括在第一級(jí)將炭黑生產(chǎn)原料引入并與熱氣流混合來(lái)形成含有第一炭黑的前體，然后，接下來(lái)將第二炭黑生產(chǎn)原料引入到所述前體中，其中所述第二炭黑生產(chǎn)原料占所述方法期間使用的炭黑生產(chǎn)原料總重量的至少15重量％，并且進(jìn)一步包括在所述炭黑產(chǎn)品形成之前引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第二炭黑生產(chǎn)原料在兩個(gè)或更多的段上添加。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括在所述炭黑產(chǎn)品形成之前引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述IA族元素包括鉀。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述IA族元素是鉀。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述物質(zhì)在引入所述第二炭黑生產(chǎn)原料之前或期間引入。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述物質(zhì)在引入所述第二炭黑生產(chǎn)原料之前引入。
17.一種生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，包括在第一級(jí)將第一炭黑生產(chǎn)原料引入并與熱氣流混合來(lái)形成含有第一炭黑的前體，接下來(lái)將第二炭黑生產(chǎn)原料引入到所述前體中，其中在形成所述前體之后沒(méi)有引入氧化源和燃料源，所述方法進(jìn)一步包括引入含有至少一種IA族或IIA族元素的物質(zhì)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在引入所述第二炭黑生產(chǎn)原料之前或期間引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在形成所述前體之前或期間引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在形成所述前體期間或之前引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述IA族元素包括鉀。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述IA族元素是鉀。
23.一種生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品的方法，包括在第一溫度區(qū)中形成主要由第一炭黑組成的前體，然后將炭黑生產(chǎn)原料引入到所述前體，并且在驟冷區(qū)之前的第二溫度區(qū)中形成所述炭黑產(chǎn)品，其中所述第一溫度區(qū)和第二溫度區(qū)所具有的溫差(Δ)是200℃或更高。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述溫差為300℃或更高。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述溫差為200℃-約900℃。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述溫差為約400℃-約700℃。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述溫差至少部分通過(guò)冷卻夾套、噴水、和/或在所述第一和第二溫度區(qū)之間的蒸汽來(lái)獲得。
28.如權(quán)利要求23所述的方法，其中在所述前體形成和引入所述炭黑生產(chǎn)原料之間不進(jìn)行驟冷。
29.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在所述驟冷區(qū)之前引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
30.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在所述驟冷區(qū)之前引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
31.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在所述第一溫度區(qū)中引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
32.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在所述前體形成期間引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
33.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在所述前體形成之前引入含有至少一種IA族或IIA族元素的至少一種物質(zhì)。
34.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在所述第一溫區(qū)引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
35.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在所述前體形成期間中引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
36.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在所述前體形成之前引入含有至少一種IA族元素的至少一種物質(zhì)。
37.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述物質(zhì)是鹽。
38.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述物質(zhì)是溶液。
39.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的物質(zhì)是含有至少一種IA族或IIA族元素的化合物。
40.一種炭黑產(chǎn)品，其DBP范圍為約120-約150cc/100g且具有IA族或IIA族元素總含量為約50-約150ppm；或DBP范圍為約90-約120cc/100g且具有IA族或IIA族總含量為約100-約500ppm；或DBP范圍為約60-約90cc/100g且具有IA族或IIA族總含量為約200-約1000ppm；或DBP范圍為約30-約60cc/100g且具有IA族或IIA族總含量為約500-約5000ppm。
41.如權(quán)利要求40所述的炭黑，其中所述炭黑所具有的可浸取IA族或IIA族元素含量是20重量％或更少。
42.如權(quán)利要求40所述的炭黑，其中所述炭黑所具有的可浸取IA族或IIA族元素含量是10重量％或更少。
43.如權(quán)利要求40所述的炭黑，其中所述炭黑具有單位為m2/g的BET表面積和單位為m2/g的t-面積的比為1.5或更少。
44.如權(quán)利要求40所述的炭黑，其中所述炭黑所具有的可浸取IA族或IIA族含量是約0.25重量％-約5重量％。
45.如權(quán)利要求40所述的炭黑，其中所述炭黑所具有的t-面積是約10m2/g-約180m2/g。
46.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述物質(zhì)是鹽。
47.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述物質(zhì)是溶液。
48.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述物質(zhì)是含有至少一種IA族或IIA族元素的化合物。
49.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述物質(zhì)是鹽。
50.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述物質(zhì)是溶液。
51.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述物質(zhì)是含有至少一種IA族或IIA族元素的化合物。
52.如權(quán)利要求1-39和46-51中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在引入所述第二炭黑生產(chǎn)原料之前進(jìn)行部分中間驟冷。
53.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第二炭黑生產(chǎn)原料占炭黑生產(chǎn)原料總重量的30重量％-60重量％。
全文摘要
說(shuō)明了一種生產(chǎn)炭黑的多級(jí)反應(yīng)方法。還描述了該方法生產(chǎn)的炭黑。
文檔編號(hào)C09C1/00GK1981001SQ200580022171
公開(kāi)日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月4日
發(fā)明者耶科夫·E·庫(kù)特索夫斯基, 威廉·L·西大利特, 謝爾登·B·戴維斯, 弗朗哥伊斯·M·特瑞德, 格雷戈里·T·高德特 申請(qǐng)人:卡伯特公司