專利名稱：生產(chǎn)炭黑的方法和裝置的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及生產(chǎn)炭黑的新方法和裝置。
背景炭黑可用作顏料、填料、增強(qiáng)劑、以及各種其它用途，并在配混和制備橡膠組合物和塑料組合物時(shí)廣泛用作填料和增強(qiáng)顏料。炭黑一般根據(jù)其性能，包括(但不限于)它們的表面積、表面化學(xué)、聚集體尺寸、和粒徑來表征。炭黑的性能通過本領(lǐng)域已知的測試進(jìn)行分析確定，包括碘吸收表面積(I2№)、氮吸收表面積(N2SA)、鄰苯二甲酸二丁酯吸收(DBP)、碎炭黑的鄰苯二甲酸二丁酯吸收(CDBP)、鯨蠟基三甲基溴化銨吸收值(CTAB)和著色值(TINT)。
炭黑可在爐型反應(yīng)器中通過將烴原料用熱燃燒氣體熱解成包含粒狀炭黑的燃燒產(chǎn)物而制成。一般采用各種生產(chǎn)炭黑的方法。
在一種例如示于美國專利3401020(Kester等人)或美國專利2785964(Pollock)(以下分別稱作“Kester”和“Pollock”)的炭黑反應(yīng)器中，將燃料(優(yōu)選烴類)和氧化劑(優(yōu)選空氣)注入第一區(qū)并反應(yīng)形成熱燃燒氣體。另外將氣態(tài)、蒸氣或液體形式的烴原料注入該第一區(qū)，在此開始熱解該烴原料并因此形成炭黑。這時(shí)，熱解是指烴的熱分解。其中發(fā)生熱解的所得燃燒氣體混合物隨后經(jīng)過一個(gè)反應(yīng)區(qū)，在此完成炭黑的形成反應(yīng)。
用于生產(chǎn)炭黑的另一種工藝裝置稱作組合式或分段反應(yīng)器。組合式(分段)爐炭黑反應(yīng)器一般描述于美國專利重新發(fā)行№28974和美國專利3922355，在此將其作為參考并入本發(fā)明。
在某些炭黑生產(chǎn)工藝中，將加入該工藝的所有氧化劑的一部分在原料注入點(diǎn)的下游加入。美國專利4105750公開了一種生產(chǎn)對于給定粒徑具有較低結(jié)構(gòu)(由較低的鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)吸收值表示)的炭黑的方法。在所公開的工藝中，將加入該工藝的一部分氧化劑在原料注入點(diǎn)下游的位置上加入。
WO93/18094公開了一種生產(chǎn)炭黑的方法，其特征在于，向反應(yīng)器中加入輔助氧化劑物流，使得該輔助氧化劑物流不會影響炭黑顆粒和聚集體在反應(yīng)器中的形成。在所公開的實(shí)施例中，采用輔助氧化劑物流得到的炭黑的DBP吸收值低于在沒有輔助氧化劑物流時(shí)采用相同反應(yīng)條件所得炭黑的DBP吸收值。
其它專利如美國專利3607058、3761577和3887690也描述了生產(chǎn)炭黑的方法。
炭黑反應(yīng)器中的溫度可以是2400°F(1315℃)-3000°F(1648℃)或更高。通過例如描述于前述專利的方式將附加氧化劑和/或二次空氣注入反應(yīng)物流中，一般可提高反應(yīng)物流的溫度，而且可將空氣注入點(diǎn)定域中的反應(yīng)物流的溫度提高至遠(yuǎn)高于3000°F(1648℃)。該溫度極限可能會損壞反應(yīng)器的耐火襯里和/或縮短反應(yīng)器耐火襯里的使用期，尤其是在附加氧化劑注入?yún)^(qū)附近。
因此，將附加氧化劑和/或含烴流體物流加入流出物以盡量減少反應(yīng)器中耐火問題的方法和裝置是有利的。
還有利地需要一種生產(chǎn)炭黑的方法和裝置，其中通過將附加氧化劑和/或含烴流體物流加入流出物中來提高由該方法所得炭黑的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為該炭黑在給定表面積下具有較高的DBP吸收值。
本發(fā)明的方法和裝置可實(shí)現(xiàn)前述優(yōu)點(diǎn)以及其它優(yōu)點(diǎn)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)以下描述顯然可以看出。
盡管已描述了爐炭黑反應(yīng)器的一般種類和工藝，但應(yīng)該理解，本發(fā)明可用于任何其它的其中炭黑通過烴的熱解和/或不完全燃燒而制成的爐炭黑反應(yīng)器或工藝。
本發(fā)明的概述本發(fā)明提供了特別適用于生產(chǎn)炭黑的方法和裝置。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及用于覆蓋氣流的方法和裝置。用于覆蓋氣流的方法可包括將流體物流加入該氣流的外周附近。用于覆蓋氣流的裝置可包括中空容器、用于將該流體物流加入該容器內(nèi)部的入口、以及讓該流體物流離開該容器的出口。出口可包括一個(gè)環(huán)形縫或多個(gè)噴嘴。優(yōu)選的是，該容器是環(huán)狀的，即，為環(huán)狀，但其它形狀也是可能的。該環(huán)形縫或出口噴嘴可位于容器的圓周附近。
另一方面，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)炭黑的方法，包括，用流體物流覆蓋流過反應(yīng)器的氣流。反應(yīng)器中的氣流可包括燃燒氣流和/或流出物流，其通過將生產(chǎn)炭黑的原料加入燃燒氣流中而形成。覆蓋優(yōu)選在將原料加入燃燒氣流之后進(jìn)行。流體物流優(yōu)選包圍燃燒氣流和/或流出物的外周，該流體物流位于燃燒氣流和/或流出物與反應(yīng)器壁之間。
另一方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)炭黑的方法。按照本發(fā)明，一種生產(chǎn)炭黑的方法包括將流體物流在原料注入點(diǎn)之后軸向加入反應(yīng)器中。流體物流可以上述方式加入。
另一方面，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)炭黑的方法，其中將流體物流在原料注入點(diǎn)之后加入炭黑反應(yīng)器中，該方法包括在軸向上加入該流體物流。
在本發(fā)明的方法中，流體物流可在軸向上由環(huán)形縫或多個(gè)噴嘴加入。該環(huán)形縫是同心的以將流體物流加入工藝流的外周附近。多個(gè)噴嘴可位于環(huán)或多個(gè)環(huán)中。軸向是指平行于燃燒氣體流過反應(yīng)器的方向的方向。對于圓柱狀反應(yīng)器，軸向一般平行于圓柱體的軸。在工藝意義上所用的“射流”是指由孔或噴嘴流出的流體的強(qiáng)束縛(well-defined)物流。
本發(fā)明的這些方面以及以下討論的特點(diǎn)提供了一種覆蓋燃燒氣流和離開組合式炭黑反應(yīng)器第二段的炭黑原料混合物(流出物)的方法。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，一般優(yōu)選的是，把流體物流加入反應(yīng)器的環(huán)形縫或噴嘴定位以包圍流出物流。從附圖可以看出，流出物流可通過將流體物流加入到離開反應(yīng)器第二段的氣流外周附近而被包圍。加入反應(yīng)器的流體物流可用于至少部分轉(zhuǎn)移由反應(yīng)器壁離開第二段的流出氣流。這樣，可盡量減少對該反應(yīng)器段的耐火襯里的熱損壞。
尤其是，流體物流的一個(gè)作用是抵消隨著流出物行進(jìn)到反應(yīng)器下方時(shí)流出物流向反應(yīng)器壁的切向外擴(kuò)散。因此，加入反應(yīng)器的流體物流的一個(gè)作用是包含或覆蓋或改向該流出物流，這樣可降低反應(yīng)器壁所暴露的溫度。此外，以本發(fā)明方式加入流體物流可得到比其它方法更均勻的混合，從而盡量減少局部高溫。
另一方面，本發(fā)明提供了一種用于將流體物流加入炭黑反應(yīng)器的裝置。本發(fā)明用于將流體物流加入炭黑反應(yīng)器的裝置包括中空容器、用于將流體物流加入反應(yīng)器內(nèi)部的入口、以及流體物流用于離開該容器的出口。合適的出口包括環(huán)形縫、噴嘴、多個(gè)噴嘴、或其混合形式。優(yōu)選的是，采用環(huán)形縫或多個(gè)噴嘴作為出口以使流體物流離開容器進(jìn)入反應(yīng)器。該容器一般可以是環(huán)狀(環(huán)的形狀)或其它形狀。該環(huán)形縫可與環(huán)的內(nèi)徑和外徑同心放置，和/或出口噴嘴可放置在環(huán)的外周附近。在另一可能的實(shí)施方案中，出口噴嘴可位于從容器的內(nèi)部至外周的同心圓中。流體物流的入口可與該出口(環(huán)形縫或噴嘴)軸向或基本上平行放置以得到?jīng)]有明顯漩渦的離開的流體物流。另外，流體物流的入口可與出口(環(huán)形縫或噴嘴)切向或基本上切向放置，以使離開的流體物流包括一種足以產(chǎn)生流體漩渦的切向速度成分。
本發(fā)明的方法可用本發(fā)明裝置、或本領(lǐng)域已知或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容派生出的其它裝置來進(jìn)行。
另一方面，本發(fā)明包括一種用于生產(chǎn)炭黑的裝置，包括本發(fā)明用于加入流體物流的裝置。一種優(yōu)選的裝置是組合式反應(yīng)器，包括第一或燃燒段，其中在足以熱解能產(chǎn)生炭黑的原料的溫度下將氧化劑接觸燃料，產(chǎn)生一種燃燒氣體的氣流；第二或原料加入段，其中將能產(chǎn)生炭黑的原料加入燃燒氣體中；和第三或反應(yīng)段，其中將燃燒氣體和原料的混合物反應(yīng)得到炭黑，所述反應(yīng)器還包括一種在原料注入點(diǎn)之后將流體物流加入反應(yīng)器的第二或第三段的裝置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，加入流體物流的方法可最大程度地減少一般與輔助流體物流加入反應(yīng)器有關(guān)的耐火襯里耗損。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明生產(chǎn)炭黑的方法可用于產(chǎn)生具有較高結(jié)構(gòu)的炭黑，這表現(xiàn)為在給定表面積下的較高DBP吸收值。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)在以下本發(fā)明的更詳細(xì)描述看來是顯然的。
附圖的簡要描述

圖1是按照本發(fā)明實(shí)施方案的組合式爐炭黑反應(yīng)器的一部分的橫截面示意圖。
圖2a和2b給出了本發(fā)明用于將流體物流加入炭黑反應(yīng)器的裝置的實(shí)施方案。
圖3是用于下述實(shí)施例的組合式爐炭黑反應(yīng)器的一部分的橫截面示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明提供了在反應(yīng)器中覆蓋氣流的方法，包括將流體物流加入到該氣流的外周附近。在一種炭黑生產(chǎn)方法中，將流體物流加入燃燒氣流和/或流出物流的外周附近。流體物流優(yōu)選在軸向上加入，所述軸向是基本上與氣流的總流動方向平行的方向。流體物流可在與氣流流向并流的方向上加入或在逆流方向上加入。流體物流優(yōu)選在并流方向上加入。
本發(fā)明還提供了用于生產(chǎn)炭黑的方法，包括將流體物流加入氣態(tài)工藝流中以覆蓋該氣態(tài)工藝流。在典型的炭黑反應(yīng)器中，可在原料注入點(diǎn)的下游加入。一個(gè)實(shí)施方案是用于生產(chǎn)炭黑的方法，包括在將原料加入工藝流之后，加入流體物流以覆蓋該工藝流。
該方法還可包括在軸向上加入流體物流，所述軸向是指與反應(yīng)器中燃燒氣體/流出物的總流動方向基本上平行的方向。該流體可在有或沒有漩渦時(shí)，并流或逆流加入。
在本發(fā)明的方法中，所加的流體物流優(yōu)選為包含至少一種以下組分的氣流氧化劑、氮?dú)?、氫氣、烴原料或其混合物。本文所用的“氧化劑”是指一種組合物，包含氧氣，如大氣、富氧空氣、烴燃料與空氣/氧氣的燃燒產(chǎn)物、或這些物流的混合物。本文所用的“烴原料”是指一種組合物，包含烴如烴燃料、包括不完全燃燒的烴燃料的氣流如來自炭黑生產(chǎn)工藝的燃燒氣流、或這些氣流的混合物。
本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法并以軸向方式加入流體物流的裝置。本發(fā)明的裝置包括中空容器(優(yōu)選中空環(huán))、將流體物流加入容器內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)入口、以及至少一個(gè)使流體物流離開該容器的出口。該出口包括環(huán)形縫、或多個(gè)環(huán)。該出口還可包括噴嘴或多個(gè)噴嘴。
入口可徑向或在與出口軸向基本上平行的軸向上放置，得到?jīng)]有明顯漩渦的出口物流。另外，該入口可在與出口軸向相切的方向上放置，得到具有漩渦的出口物流。以下根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)炭黑的方法和裝置，給出將流體物流加入炭黑反應(yīng)器的方法和裝置的其它細(xì)節(jié)。
按照本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方案，將包含氧化劑、氮?dú)?、氫氣、烴原料、或其混合物的流體物流在軸向上加入流過炭黑反應(yīng)器的流出物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該流體物流包含富含或不富含氧氣的大氣空氣。在另一實(shí)施方案中，流體物流包括一種工業(yè)氣流，包含烴、氫氣、一氧化碳、二氧化碳和/或水蒸氣。工業(yè)氣流的一個(gè)例子為來自炭黑生產(chǎn)方法的尾氣。
一方面，本發(fā)明用于生產(chǎn)炭黑的方法包括a)將氧化劑、主燃料、和炭黑原料在反應(yīng)器中反應(yīng)形成由炭黑和燃燒氣體組成的流出物；b)在相對流出物經(jīng)過反應(yīng)器的流向的軸向上，將流體物流注入流出物中；c)將所得流出物經(jīng)過反應(yīng)器；然后
d)冷卻，分離并回收炭黑產(chǎn)物，所述流體物流包含氧化劑、氮?dú)狻錃?、烴原料、或其混合物。流體物流的加入優(yōu)選能夠生產(chǎn)出具有較高結(jié)構(gòu)的炭黑，這表現(xiàn)為，與在沒有加入流體物流的情況下采用類似工藝條件所得到的炭黑相比，在給定碘值(I2№)表面積下具有較高的DBP吸收值。
本發(fā)明方法可有利地在包括至少三段的組合式炭黑反應(yīng)器中進(jìn)行。關(guān)于這種反應(yīng)器，本發(fā)明用于生產(chǎn)炭黑的方法的一個(gè)實(shí)施方案包括在反應(yīng)器的第一段生成燃燒氣體流，它具有足以流過該反應(yīng)器隨后段的速度和足以熱解能生成炭黑的原料的溫度；在該反應(yīng)器的第二段，將能生成炭黑的原料注入燃燒氣體以生成由炭黑和燃燒氣體組成的流出物；在注入能生成炭黑的原料之后，將流體物流在流出物流的軸向上加入，所得流出物經(jīng)過該反應(yīng)器的第三段；然后冷卻，分離，并回收炭黑產(chǎn)物。
該流體物流優(yōu)選在該反應(yīng)器的第三段加入，但本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可以理解，該流體物流也可在加入原料之后的任何位置處加入。
該流體物流可包含氧化劑、氮?dú)?、氫氣、烴原料、或其混合物。流體物流的加入優(yōu)選能夠生產(chǎn)出具有較高結(jié)構(gòu)的炭黑，這表現(xiàn)為，與在沒有加入流體物流的情況下采用類似工藝條件所得到的炭黑相比，在給定碘值(I2№)表面積下具有較高的DBP吸收值。
在“組合式”或“分段”反應(yīng)器中，液體或氣態(tài)燃料與氧化劑，優(yōu)選空氣在第一段反應(yīng)形成熱燃燒氣體。該段稱作該反應(yīng)器的“燃燒器”段、燃燒段和/或燃燒區(qū)。
熱燃燒氣體由第一段向下游進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)其它反應(yīng)器段。一般來說，其它反應(yīng)段包括至少一個(gè)原料注入段和一個(gè)反應(yīng)段。原料注入段可位于第一(燃燒)段與反應(yīng)段之間，且包括一個(gè)閘門或具有受限直徑的區(qū)，其橫截面小于燃燒段或反應(yīng)段。具有受限直徑的區(qū)也被本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員稱作過渡區(qū)。
在生產(chǎn)炭黑時(shí)，將烴原料在原料注入段，在一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)注入熱燃燒氣流的路徑中。該原料可注入受限直徑區(qū)的上游、下游、和/或該區(qū)中的熱燃燒氣流的路徑中。烴原料可以是液體、氣體或蒸氣，且可以與用于形成燃燒氣流的燃料相同或不同。一般來說，烴原料為烴油或天然氣。但其它烴原料如乙炔也是本領(lǐng)域已知的。
在燃料注入點(diǎn)之后，將原料混合、霧化并氣化成燃燒氣流。燃燒氣體與氣化原料的混合物隨后進(jìn)入一個(gè)在本文中稱作反應(yīng)段的反應(yīng)器段。盡管熱解在將原料注入燃燒氣流時(shí)開始，但氣化烴原料繼續(xù)在反應(yīng)段轉(zhuǎn)化成炭黑原顆粒和聚集體。原料、燃燒氣體、和炭黑在該反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)中的停留時(shí)間足以形成炭黑。燃燒氣體和炭黑在該反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)中的混合物以下(在整個(gè)說明書中)稱作流出物。在形成具有所需性能的炭黑之后，降低流出物的溫度以停止主反應(yīng)?？赏ㄟ^任何已知的方式，例如由驟冷器將驟冷流體注入流出物中來降低流出物的溫度以停止主反應(yīng)。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員一般知道，主反應(yīng)是在反應(yīng)器已生產(chǎn)出所需炭黑時(shí)停止的，這可通過將炭黑取樣并測試其分析性能來確定。在反應(yīng)停止且流出物通過任何已知方式足夠冷卻之后，一般將流出物經(jīng)過一個(gè)袋式過濾器、或其它分離體系以收集炭黑。
在上述的所有種類的工藝和反應(yīng)器中、以及在其它的一般已知的反應(yīng)器和工藝中，熱燃燒氣體的溫度足以熱解被注入燃燒氣流的烴原料。在注入能生成炭黑的原料之前，燃燒氣流的溫度一般至少為2400°F(1315℃)。在注入能生成炭黑的原料之后，工藝流的溫度升高且可達(dá)到3000°F(1648℃)或更高?？紤]到這些溫度以及炭黑生產(chǎn)工藝所生成的熱，用于生成炭黑的反應(yīng)器可包括由能夠經(jīng)受高溫的耐火材料制成的襯里。
本發(fā)明用于生產(chǎn)炭黑的方法包括，在流出物流經(jīng)過該反應(yīng)器的至少一部分時(shí)將其覆蓋的方法。根據(jù)組合式炭黑反應(yīng)器作為例子，本發(fā)明方法可包括在反應(yīng)器的第一段生成燃燒氣體流，它具有足以流過該反應(yīng)器隨后段的速度和足以熱解能生成炭黑的原料的溫度；在該反應(yīng)器的第二段，將能生成炭黑的原料注入燃燒氣體以生成由炭黑和燃燒氣體組成的流出物；隨著流出物流離開該反應(yīng)器的第二段將流出物流進(jìn)行覆蓋，所述覆蓋的流出物流經(jīng)過該反應(yīng)器的第三段；然后冷卻，分離，并回收炭黑產(chǎn)物。
覆蓋流出物流的步驟優(yōu)選將流出物流由反應(yīng)器的第三段轉(zhuǎn)移，至少是在起始覆蓋點(diǎn)處。用于覆蓋流出物流的方法可包括，在流出物流動的軸向上進(jìn)加入流體物流以包圍離開反應(yīng)器第二段的流出物流。
圖1給出了可用于本發(fā)明的一種反應(yīng)器的橫截面示意圖?？梢岳斫猓景l(fā)明方法并不需要對炭黑反應(yīng)器進(jìn)行任何改進(jìn)，只是要求一種注入含氧化劑的物流的方法，因此也可在其它種類的炭黑反應(yīng)器中進(jìn)行，例如在背景技術(shù)部分一般討論的那些種類。
本發(fā)明用于生產(chǎn)炭黑的組合式裝置的一個(gè)實(shí)施方案包括具有上游和下游端以及至少一個(gè)用于加入燃料和氧化劑的孔的燃燒區(qū)；具有上游和下游端且由上游端會聚到下游端的具有會聚直徑的區(qū)，所述上游端連接到燃燒區(qū)的下游端；具有上游和下游端的過渡區(qū)，所述上游端連接到具有會聚直徑的區(qū)的下游端，所述過渡包括至少一個(gè)用于加入原料的孔；用于在反應(yīng)器中工藝流流動的軸向上將流體物流加入反應(yīng)器的裝置，所述裝置具有上游和下游端，所述上游端連接到該過渡區(qū)的下游端；具有上游和下游端的反應(yīng)區(qū)，所述上游端連接到一個(gè)或多個(gè)過渡區(qū)的下游端；具有上游和下游端的驟冷區(qū)，所述上游端連接到反應(yīng)區(qū)的下游端，所述驟冷區(qū)包括至少一個(gè)用于加入驟冷流體的孔；和連接到一個(gè)或多個(gè)驟冷區(qū)的下游端的用于分離并收集炭黑的裝置。
用于在軸向上將流體物流加入反應(yīng)器的裝置可包括中空容器；至少一個(gè)入口，優(yōu)選多個(gè)入口，用于將流體物流加入該容器的內(nèi)部；以及用于將流體物流離開該容器的出口。出口可包括環(huán)形縫、多個(gè)環(huán)、噴嘴或多個(gè)噴嘴。中空容器的入口可徑向或在與該出口軸向基本上平行的軸向上放置以得到?jīng)]有明顯漩渦的離開的流體物流。另外，中空容器的入口可與出口軸向正切放置以產(chǎn)生具有漩渦的出口流體物流。
圖1苗述了一般公開于美國專利3922335(在此將其作為參考引入本發(fā)明)的那種組合式(也稱作“分段”)爐法炭黑反應(yīng)器的橫截面示意圖。圖1給出了一種爐法炭黑反應(yīng)器，它具有第一段10，具有一個(gè)會聚直徑區(qū)11；第二端12；和第三反應(yīng)區(qū)段18。原料30在該反應(yīng)器的第二段12的原料注入點(diǎn)32處注入。驟冷器40位于第三反應(yīng)區(qū)段的點(diǎn)42處，用于將驟冷流體50加入反應(yīng)器。
本發(fā)明用于加入流體物流70的裝置位于原料注入點(diǎn)的下游，在點(diǎn)72處。該裝置70包括入口孔71和出口環(huán)73，用于將流體物流在軸向上加入第三反應(yīng)器段18。在所描繪的實(shí)施方案中，入口孔71基本上與出口環(huán)73平行排列，用于將流體物流沒有漩渦地加入反應(yīng)器中。
圖2a和2b給出了本發(fā)明用于將流體物流加入反應(yīng)器的裝置的實(shí)施方案。圖2a給出了本發(fā)明用于將流體物流加入反應(yīng)器的裝置70的一個(gè)實(shí)施方案的端視圖。所給出的視圖是包括出口環(huán)73的端部。在圖2所示的實(shí)施方案中，入口孔71與環(huán)形縫73切向放置。這樣，該環(huán)形縫可漩渦地將流體物流加入反應(yīng)器。
圖2b給出了本發(fā)明用于將流體物流加入反應(yīng)器的裝置70的另一實(shí)施方案的端視圖。所給出的視圖是包括出口噴嘴72的端部。在圖2所示的實(shí)施方案中，入口孔71與出口噴嘴72切向放置。這樣，該環(huán)形縫可漩渦地將流體物流加入反應(yīng)器。此外，可設(shè)計(jì)用于出口噴嘴72的出口孔以使流體物流產(chǎn)生漩渦。
圖3給出了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的組合式炭黑反應(yīng)器的另一實(shí)施方案。圖3描繪的反應(yīng)器構(gòu)造可用于以下實(shí)施例。
參照圖3，炭黑反應(yīng)器3具有第一段10，它具有一個(gè)包括步進(jìn)部分的會聚直徑區(qū)11；第二原料注入段12；和第三反應(yīng)器段18。原料30在反應(yīng)器的第二段12中的原料注入點(diǎn)32處注入。驟冷器40位于第三反應(yīng)器段18中的點(diǎn)42處，用于將驟冷流體50加入反應(yīng)器。
第一燃燒段10在會聚直徑11區(qū)開始處以上的直徑稱作D-1；在區(qū)11中階梯處的直徑表示為D-2，且區(qū)12的直徑表示為D-3。第一段燃燒區(qū)10在會聚直徑11區(qū)開始處以上的長度稱作L-1；在階梯以上的會聚直徑區(qū)的長度表示為L-2，由階梯至原料注入?yún)^(qū)開始處的長度為L-3。原料注入?yún)^(qū)的總長度表示為L-4。區(qū)11端部與原料注入點(diǎn)32之間的距離表示為F。
反應(yīng)器3包括本發(fā)明用于加入流體物流70的裝置，它位于原料注入點(diǎn)的下游，在點(diǎn)72處。該裝置70包括入口孔71和出口環(huán)73，描繪于圖2a，用于將流體物流軸向加入第三反應(yīng)器段18。在所給出的實(shí)施方案中，出口孔71與環(huán)形縫73徑向放置，用于將流體物流沒有漩渦地加入反應(yīng)器。裝置70的尺寸表示為L-5和L-6。
在圖3給出的反應(yīng)器中，第三反應(yīng)器段18的入口包括一個(gè)膨脹直徑區(qū)19，隨后是一個(gè)步進(jìn)區(qū)20、一個(gè)具有遞增直徑的區(qū)21，然后是具有均勻直徑的第一區(qū)22。在反應(yīng)器的有角部分之后，有一個(gè)具有均勻直徑的第二區(qū)24。
D-4表示用于將流體物流加入反應(yīng)器的環(huán)形縫73的內(nèi)徑。D-5表示環(huán)形縫73的外徑。區(qū)19在其最寬處的直徑表示為D-6且區(qū)19的長度為L-7。區(qū)21在其最窄處的直徑表示為D-7且區(qū)21的長度為L-8。區(qū)22的直徑表示為D-8且區(qū)22的長度為L-9。
區(qū)23的長度表示為L-10。在區(qū)22和區(qū)24之間反應(yīng)區(qū)頂部的落差表示為H-1且在區(qū)22和區(qū)24之間反應(yīng)區(qū)底部的落差表示為H-2。區(qū)24的直徑表示為D-9。
從第三反應(yīng)區(qū)段18至驟冷器位置處的點(diǎn)42的距離表示為Q。
參照圖1或圖3，為了生產(chǎn)炭黑，熱燃燒氣體在燃燒區(qū)10通過將液體或氣態(tài)燃料與合適的氧化劑物流，如空氣、氧氣、空氣與氧氣的混合物或類似物進(jìn)行接觸而生成。在適用于在燃燒區(qū)10接觸氧化劑物流以產(chǎn)生熱燃燒氣體的燃料中，包括任何的易燃燒氣體、蒸氣或液體物流如天然氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、乙炔、醇類、或煤油。但一般優(yōu)選使用具有高含量含碳組分的燃料，尤其是烴?？諝馀c燃料的比率隨著所用燃料的種類而變化。如果使用天然氣來生產(chǎn)本發(fā)明的炭黑，那么空氣或燃料的比率可以是約10∶1-100∶1。為了幫助生成熱燃燒氣體，可以將氧化劑物流預(yù)熱。
熱燃燒氣體物流由區(qū)10和11向下游流入?yún)^(qū)12，然后是18。熱燃燒氣體的流向在圖1或3中表示為箭頭。能生成炭黑的原料30在點(diǎn)32處加入。由會聚直徑區(qū)的端向下至點(diǎn)32之間的距離表示為F。在本文所述實(shí)施例中，經(jīng)由多個(gè)刺入熱燃燒氣流內(nèi)部區(qū)域的噴嘴注入能生成炭黑的原料以保證熱燃燒氣體與能生成炭黑的原料進(jìn)行高速混合和剪切，這樣可將該原料迅速并完全分解和轉(zhuǎn)化成炭黑顆粒和聚集體。
在反應(yīng)器條件下易揮發(fā)的在本文中適用作能生成炭黑的原料的是不飽和烴，如乙炔；烯烴如乙烯、丙烯、丁烯；芳香化物如苯、甲苯、和二甲苯；某些飽和烴；以及揮發(fā)烴如煤油類、萘類、萜烯、乙烯焦油、芳族循環(huán)油和類似物。
能生成炭黑的原料與熱燃燒氣體的混合物向下游流過區(qū)12，進(jìn)入炭黑反應(yīng)區(qū)(區(qū)18)。經(jīng)由反應(yīng)器段18入口處的裝置70和環(huán)形縫73，將包含氧化劑、氮?dú)狻錃?、烴原料或其混合物的流體物流在軸向上加入反應(yīng)物流中。流體物流在足夠壓力下加入以滲透到反應(yīng)器段18的內(nèi)部區(qū)域。
位于點(diǎn)42處以注射驟冷流體50的驟冷器40用于終止流出物中的反應(yīng)。按照本發(fā)明的方法，驟冷器40位于點(diǎn)42以使流出物中的反應(yīng)進(jìn)行到形成具有所需性能的炭黑時(shí)。Q是區(qū)18的開始處至驟冷點(diǎn)42的距離，且可根據(jù)驟冷器的位置而變化。
在將熱燃燒氣體與能生成炭黑的原料的混合物驟冷之后，將冷卻的氣體經(jīng)過任何的常規(guī)冷卻和分離設(shè)備以回收炭黑。利用常規(guī)的方法如沉淀器、旋風(fēng)分離器和袋式過濾器，容易將炭黑從氣流中分離。隨后但非必需地進(jìn)行某些致密處理，如造粒和干燥。
本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)通過以下實(shí)施例進(jìn)一步說明。
以下測試方法用于確定和評估在這些實(shí)施例中生成的炭黑的分析性能。炭黑的碘值(I2№)按照ASTM測試方法D1510來測定。炭黑的DBP(鄰苯二甲酸二丁酯吸收值)按照ASTMD3493-86中給出的方法來測定。
實(shí)施例在基本上如本文所述且如圖3所描繪的反應(yīng)器(其幾何條件以下給出)中，在一個(gè)生產(chǎn)炭黑的工藝中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在所有實(shí)施例中，用于燃燒反應(yīng)的主燃料為在約298K(77°F)的大氣溫度下供給炭黑形成工藝的天然氣。用于所有實(shí)施例的液體原料是市售的烴混合物。
在每個(gè)實(shí)施例中，將包含燃燒空氣的流體物流沒有漩渦地由裝置70和環(huán)形縫73加入。反應(yīng)器幾何和運(yùn)行條件如下
實(shí)施例1-2說明了流體物流加入對由該工藝生產(chǎn)的炭黑的結(jié)構(gòu)的影響，這表現(xiàn)為炭黑的DBP。如實(shí)施例2所示，提高流體加入反應(yīng)器段18的速率可得到DBP比實(shí)施例1時(shí)高約10％的炭黑。
應(yīng)該清楚地理解，本文所述的本發(fā)明形式僅是說明性的，因此不應(yīng)用于限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明包括落入前述公開內(nèi)容和以下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有改進(jìn)。
權(quán)利要求
1．一種生產(chǎn)炭黑的方法，包括在將原料加入工藝流之后，加入流體物流以覆蓋該工藝流。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述流體物流在軸向上加入。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述流體物流漩渦式加入。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述流體物流包含一種氣態(tài)物流，該氣態(tài)物流包括至少一種以下組分氧化劑、氮?dú)?、氫氣、烴原料或其混合物。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述流體物流包含尾氣。
6．一種生產(chǎn)炭黑的方法，包括在反應(yīng)器的第一段生成燃燒氣體流，它具有足以流過該反應(yīng)器隨后段的速度和足以熱解能生成炭黑的原料的溫度；在該反應(yīng)器的第二段，將能生成炭黑的原料注入燃燒氣體中以生成由炭黑和燃燒氣體組成的流出物；在注入能生成炭黑的原料之后，將流體物流在流出物流的軸向上加入，所得的經(jīng)覆蓋的流出物經(jīng)過該反應(yīng)器的第三段的至少一部分；然后冷卻，分離，并回收炭黑產(chǎn)物。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中加入流體物流以覆蓋進(jìn)入反應(yīng)器第三段的流出物流。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述流體物流漩渦式加入。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述流體物流包含一種氣態(tài)物流，該氣態(tài)物流包括至少一種以下組分氧化劑、氮?dú)?、氫氣、烴原料或其混合物。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述流體物流包含尾氣。
11．一種生產(chǎn)炭黑的組合式裝置，包括具有上游和下游端以及至少一個(gè)用于加入燃料和氧化劑的孔的燃燒區(qū)；具有上游和下游端且由上游端會聚到下游端的會聚直徑區(qū)，所述上游端連接到燃燒區(qū)的下游端；具有上游和下游端的過渡區(qū)，所述上游端連接到會聚直徑區(qū)的下游端，所述過渡包括至少一個(gè)用于加入原料的孔；用于在反應(yīng)器中工藝流流動的軸向上將流體物流加入反應(yīng)器的裝置，所述裝置具有上游和下游端，所述上游端連接到該過渡區(qū)的下游端；具有上游和下游端的反應(yīng)區(qū)，所述上游端連接到一個(gè)或多個(gè)過渡區(qū)的下游端；具有上游和下游端的驟冷區(qū)，所述上游端連接到反應(yīng)區(qū)的下游端，所述驟冷區(qū)包括至少一個(gè)用于加入驟冷流體的孔；和連接到一個(gè)或多個(gè)驟冷區(qū)的下游端的用于分離并收集炭黑的裝置。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的生產(chǎn)炭黑的組合式裝置，其中用于將流體物流軸向加入反應(yīng)器的裝置包括中空容器、至少一個(gè)用于將流體物流加入該容器的內(nèi)部的入口、以及一個(gè)用于流體物流離開該容器的出口。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中所述出口包括環(huán)形縫。
14．根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中用于所述中空容器的入口與所述出口徑向放置以得到?jīng)]有明顯漩渦的出口流體物流。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于將流體物流加入炭黑反應(yīng)器并用于生產(chǎn)炭黑的方法。按照本發(fā)明,將包含氧化劑、氮?dú)?、氫氣、烴原料或其混合物的流體物流在軸向上加入流過炭黑反應(yīng)器的流出物上。
文檔編號B01J19/24GK1312841SQ99809473
公開日2001年9月12日 申請日期1999年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月9日
發(fā)明者馬丁·C·格林 申請人:卡伯特公司