Способ получения сажи и реактор для его осуществления

 

Изобретение относится к производству сажи и может быть использовано при получении саж печным способом при разложении углеводородного сырья. Способ получения сажи включает подачу топлива, воздуха и воды, сжигание топлива с воздухом и смешение продуктов горения с водяным паром, введение в суженный поток смеси продуктов горения с водяным паром радиальных потоков углеводородного сырья, его разложение с образованием сажегазовых продуктов и их закалку. Отличие способа заключается в том, что воду подают в суженный поток продуктов горения топлива за (1-140)·10^-5 с до подачи сырья, и в сырье перед его подачей в поток продуктов горения вводят присадки щелочных или щелочно-земельных металлов. При этом процесс получения смеси продуктов горения с водяным паром разделяется на две стадии: сначала осуществляется сжигание топлива с воздухом с образованием высокотемпературного потока продуктов полного горения, а затем - его смешение с водяным паром. Другое отличие способа заключается в том, что соотношение массовых расходов воды и сырья в суженный поток продуктов горения равно 0,15-0,45. Реактор для осуществления предлагаемого способа получения сажи включает последовательно и сооосно установленные камеру смешения топлива с воздухом, камеру горения, смесительное сопло с форсунками для подачи сырья и реакционную камеру с форсунками для подачи воды на закалку сажегазовых продуктов. Отличие реактора состоит в том, что он дополнительно снабжен форсунками для подачи воды, радиально установленными в смесительном сопле перед сырьевыми форсунками на расстоянии от них, равном 0,1-2,4 диаметра смесительного сопла. Предлагаемые способ и реактор позволяют получить высокодисперсную сажу с низкой шероховатостью и низкой структурностью. 2 с. и 2 з.п. ф-лы., 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к производству сажи и может быть использовано при получении саж печным способом при разложении углеводородного сырья.

Известен способ получения сажи, включающий подачу сырья в реактор в виде аксиального потока, подачу окислителя коаксиально сырьевому потоку и радиально через боковую стенку на уровне сырьевого факела, а также радиальную подачу воды в сырьевой факел в то время, когда сырье еще находится в жидкой фазе, но уже подогрето до температуры, превышающей температуру воды, частичное сжигание сырья и его термоокислительное разложение с образованием сажи и последующую закалку сажегазовых продуктов (1).

Введение воды в сырьевой факел позволяет получить сажу с высокими величинами показателей "абсорбции дибутилфталата" и "иодное число".

Недостатком известного способа получения сажи является низкий выход сажи из сырья и высокая степень неоднородности получаемой сажи.

Известен также способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом в камере горения, сужение потока продуктов горения, введение в суженный поток продуктов горения углеводородного сырья, разложение сырья до сажи и последующую закалку сажегазовых продуктов. В горелку с воздухом, подаваемым на горение топлива, одновременно подают воду в форме водяного пара в количестве 4-15 об. (2).

Недостаток известного способа получения сажи в том, что он не обеспечивает возможности получения сажи с низкой шероховатостью и структурностью и, хотя сажа имеет высокий уровень дисперсности, она не может быть использована в качестве красящего пигмента для пластмасс.

Известен реактор для получения сажи, включающий последовательно и соосно установленные средства для подачи топлива и воздуха, камеру смешения топлива с воздухом, камеру горения, выполненную ступенчатой, смесительное сопло с форсунками для подачи сырья в реакционную камеру с форсунками для закалки сажегазовых продуктов (3).

Получаемая в реакторе сажа имеет гладкую, нешероховатую поверхность. Коэффициент шероховатости К_ш, равный отношению удельной адсорбционной и удельной внешней поверхностей сажи, составляет 1,06-1,08. Однако дисперсность сажи недостаточно высокая. Величина показателя "удельная внешняя поверхность по адсорбции ЦТАБ", характеризующего дисперсность получаемой сажи, составляет 100-110 м²/г.

Недостаток известного реактора для получения сажи в том, что при существующей совокупности конструктивных признаков он не обеспечивает возможности повышения дисперсности сажи при сохранении низкой шероховатости ее поверхности.

При крашении пластмасс в черный цвет путем наполнения их сажей для достижения хорошего диспергирования сажи и получения глубокого черного цвета сажа должна иметь высокую дисперсность, низкую шероховатость и низкую структурность.

Задачей изобретения является создание способа и реактора для получения высокодисперсной сажи с низкой шероховатостью и низкой структурностью.

Предложенный способ получения сажи включает подачу топлива, воздуха и воды, сжигание топлива с воздухом и смешение продуктов горения с водяным паром, введение в суженный поток смеси продуктов горения с водяным паром радиальных потоков углеводородного сырья, его разложение с образованием сажегазовых продуктов и их закалку. Отличие способа заключается в том, что воду подают в суженный поток продуктов горения топлива за (1-140)·10^-5 с до подачи сырья, и в сырье перед его подачей в поток продуктов горения вводят присадки щелочных или щелочно-земельных металлов. При этом процесс получения смеси продуктов горения с водяным паром разделяется на две стадии: сначала осуществляется сжигание топлива с воздухом с образованием высокотемпературного потока продуктов полного горения, а затем его смешение с водяным паром. Сжигание топлива с воздухом при отсутствии в камере горения водяного пара обеспечивает более высокую температуру горения и соответственно полноту горения топлива. При этом исключается попадание неразложившихся предельных углеводородов на поверхность сажи, необходимость удаления которых с помощью окислительных реакций и приводит к росту шероховатости сажи. За счет введения воды в суженный поток продуктов горения (с линейной скоростью 100-350 м/с) достигается высокая интенсивность их смешения и при времени от подачи воды до подачи сырья (1-140)·10^-5 с смесь продуктов горения с водяным паром однородна по температуре и составу. Это приводит к росту температуропроводности газового потока, увеличиванию скорости прогрева капель распыленного сырья, содержащего присадку щелочных или щелочно-земельных металлов, скорости его испарения и термического разложения с образованием сажегазовых продуктов. Получаемая при этом сажа характеризуется высокой дисперсностью, низкой шероховатостью поверхности и низкой структурностью.

Другое отличие способа заключается в том, что соотношение массовых расходов воды и сырья в суженный поток продуктов горения равно 0,15-0,45. При меньших величинах данного соотношения при постоянном расходе сырья растет шероховатость получаемой сажи. При тех же условиях увеличение соотношения массовых расходов воды и сырья более 0,45 приводит к снижению дисперсности сажи.

Целесообразно присадки щелочных или щелочно-земельных металлов вводить в сырье в количестве 0,4-1,0 г/кг сырья. При этом с ростом концентрации присадки дисперсность получаемой сажи увеличивается незначительно, а величина показателя "абсорбция дибутилфталата", характеризующего структурность сажи, уменьшается от 98 до 54 см³/100 г.

Реактор для осуществления предлагаемого способа получения сажи включает последовательно и соосно установленные камеру смещения топлива с воздухом, камеру горения, смесительное сопло с форсунками для подачи сырья и реакционную камеру с форсунками для подачи воды на закалку сажегазовых продуктов.

Отличие реактора состоит в том, что он дополнительно снабжен форсунками для подачи воды, радиально установленными в смесительном сопле перед сырьевыми форсунками на расстоянии от них, равном 0,1-2,4 диаметра смесительного сопла.

Выполнение реактора указанным образом обеспечивает осуществление предлагаемого способа и получение сажи с заданной совокупностью физико-химических свойств.

На чертеже представлен в продольном разрезе общий вид предлагаемого реактора для получения сажи.

Реактор для получения сажи включает корпус 1, в котором последовательно и соосно расположены воздушная камера 2, камера горения 3, смесительное сопло 4 и реакционная камера 5. Воздушная камера 2 снабжена патрубком 6 для подачи воздуха и патрубком 7, по продольной оси которого установлена топливная горелка 8. Камера горения 3 выполнена ступенчатой, состоящей из последовательно соединенных друг с другом цилиндрических камер (ступеней) со ступенчато увеличивающимися диаметрами, причем отношение диаметров предыдущих ступеней к последующим составляет 1:(1,2-3,0) и отношение длины каждой последующей ступени к величине приращения ее диаметра составляет (1-6):1.

В начале смесительного сопла 4 на корпусе 1 реактора радиально смонтированы одна или несколько водяных форсунок 9. Далее по ходу движения газов на расстоянии, равном 0,1-2,4 диаметра смесительного сопла, на корпусе 1 реактора радиально смонтированы одна или несколько сырьевых форсунок 10. В начале реакционной камеры 5 на корпусе 1 реактора радиально смонтированы одна или несколько форсунок 11 для предварительной закалки сажегазовых продуктов. В конце реакционной камеры 5 на корпусе 1 реактора радиально установлены одна или несколько форсунок 12 для подачи воды на закалку сажегазовых продуктов. В конце реактора на корпусе 1 радиально установлен патрубок 13 для вывода сажегазовых продуктов. Камера горения 3, смесительное сопло 4 и реакционная камера 5 образованы блочной футеровкой 14, выполненной внутри корпуса 1 реактора из огнеупорных изделий, причем внутренний слой футеровки выполнен из высокоогнеупорного муллитокорунда, корунда или двуокиси циркония.

Предложенный реактор для получения сажи работает следующим образом.

Окислитель, например воздух, из источника под давлением, предварительно подогретый в любом подходящем для этой цели устройстве, через патрубок 6 подают в воздушную камеру 2. Затем он коаксиальным потоком проходит к топливной горелке 8, в которую из источника под давлением подают газообразное или жидкое топливо. Топливо смешивается с воздухом и топливно-воздушная смесь поступает в камеру горения 3, за счет ступенчатой конструкции обеспечивается стабилизация горения, интенсивное перемешивание реагентов и достигается высокая устойчивость горения и полнота сжигания топлива. Полученный высокотемпературный поток продуктов горения топлива сужают в смесительном сопле 4 и через форсунки 9 подают в него из источника под давлением распыленную воду. В результате интенсивного перемешивания потоков в смесительном сопле вода испаряется и образуется смесь продуктов горения с водяным паром, однородная по температуре и составу, в которую через форсунки 10 подают углеводородное сырье. Воду в суженный поток продуктов горения подают за (1-140)·10^-5 с до подачи сырья и соотношение расходов воды и сырья равно 0,15-0,45. Сырье смешивается в смесительном сопле с потоком смеси продуктов горения с водяным паром и разлагается с образованием сажегазовых продуктов. В сырье перед его подачей в смесительное сопло вводят присадки щелочных или щелочно-земельных металлов (водные растворы KCl, K₂CO₃, NaOH и т.д.) в количестве 0,4-1,0 г/кг сырья. В сажегазовые продукты через форсунки 11 подают воду, за счет испарения которой происходит предварительная закалка сажегазовых продуктов. Окончательную закалку сажегазовых продуктов осуществляют путем впрыскивания в них в конце реакционной камеры 5 через форсунки 12 распыленной воды. Охлажденные сажегазовые продукты выводят из реактора через патрубок 13 и направляют далее в систему устройств для отделения сажи от газообразных продуктов и ее обработки.

Пример 1. Опыты проведены на опытном реакторе для получения сажи, имеющем диаметр смесительного сопла 300 мм. В качестве сырья использовали пиролизную смолу по ТУ 38 103414-78 с изм. 1-3 в качестве топлива пропан-бутановую смесь, в качестве присадки к сырью водный раствор KCl. В опытах варьировали расстояние от места установки водяной форсунки в смесительном сопле до сырьевых форсунок в пределах 20-480 мм, что составляло 0,1-2,4 диаметра смесительного сопла. При этом время контакта от момента ввода воды в сопло до момента подачи сырья составляло 1·10-140·10^-5 с. Результаты опытов приведены в табл. 1. Физико-химические свойства сажи оценивали по ГОСТ 25699.1-83 ГОСТ 25699.14-83.

При подаче воды в сопло через форсунку, установленную на расстоянии от сырьевых форсунок 0,1·d ( τ_к1·10^-5 с) (опыт 1), коэффициент шероховатости сажи составляет 1,25. При увеличении расстояния l (опыты 3-5) величина коэффициента шероховатости снижается до 1,1 при удельной внешней поверхности на уровне 170 м²/г.

В табл. 1 для сравнения приведены результаты опыта по получению сажи по прототипу. Воду подавали в камеру горения в виде водяного пара с воздухом на горение. Полученная по известному способу сажа имеет более низкую удельную внешнюю поверхность, высокую шероховатость и высокую структурность и может быть использована для крашения пластмасс.

Пример 2. Опыты проведены при условиях опыта 3 в примере 1. В опытах варьировали расход воды в смесительное сопло от 110 до 325 кг/ч. При этом соотношение расходов воды и сырья в сопло изменялось от 0,15 до 0,45. Результаты опытов приведены в табл. 2. Увеличение соотношения расходов воды и сырья при прочих равных условиях приводит к уменьшению температуры в реакционной камере. Величины удельной внешней, удельной адсорбционной поверхности и йодного числа при этом снижаются и уменьшается шероховатость получаемой сажи.

Пример 3. Опыты проведены при условиях опыта 3 в примере 1. В опытах варьировали удельный расход присадки KCl к сырью в пределах от 0,4 до 1,0 г/кг сырья. Результаты опытов приведены в табл. 3. При увеличении удельного расхода присадки абсорбция дибутилфталата сажи снижается с 98 до 54 см³/100 г. В табл. 3 для сравнения приведены результаты опыта без подачи присадки KCl к сырью (опыт 9). Величина абсорбции дибутилфталата при этом составила 116 см³/100 г, что говорит о ее высокой структурности. Кроме того, сажа имеет повышенную шероховатость поверхности.

Предлагаемые способы получения сажи и реактор для его осуществления прошли испытания в опытном цехе КТИТУ СО РАН. Получены опытные образцы и опытные партии сажи, которые успешно прошли испытания у потребителя при крашении пластмасс в черный цвет.

Формула изобретения

1. Способ получения сажи, включающий подачу топлива, воздуха и воды, сжигание топлива с воздухом и смешение продуктов горения с водяным паром, введение в суженный поток смеси продуктов горения с водяным паром радиальных потоков углеводородного сырья, его разложение с образованием сажегазовых продуктов и их закалку, отличающийся тем, что воду подают в суженный поток продуктов горения топлива за (1 140) · 10^-5 с до подачи сырья и в сырье перед его подачей в поток продуктов горения вводят присадки щелочных или щелочно-земельных металлов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовое соотношение расходов воды и сырья в суженный поток продуктов горения равно 0,15 0,45.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что присадки в сырье вводят в количестве 0,4 1,0 г/кг сырья.

4. Реактор для получения сажи, включающий последовательно и соосно установленные камеру смешения топлива с воздухом, камеру горения, смесительное сопло с форсунками для подачи сырья и реакционную камеру с форсунками для подачи воды на закалку сажегазовых продуктов, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен форсунками для подачи воды, радиально установленными в смесительном сопле перед сырьевыми форсунками на расстоянии, равном 0,1 2,4 диаметра сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3